Эйнштейновские теории относительности в самой своей основе являются теориями времени — или, точнее, безвременья. Они незаслуженно имеют репутацию трудных; я нахожу их великолепно простыми и легко объясняемыми. Верно, что теории относительности кажутся с первого взгляда парадоксальными, поскольку они заменяют ошибочную интуицию на более глубокую интуицию, которая, как говорит нам эксперимент, ближе к истине. Изучить теории относительности означает пережить переход от одного способа мысленной организации мира к другому. Вы должны отказаться от определенных бессознательных допущений по поводу времени, но после этого главные идеи выводятся логически.
В этой главе я буду говорить только об идеях и выводах теории относительности, имеющих отношение к природе времени. Я буду делать утверждения, которые, я надеюсь, прозрачны, но я не хочу делать того, что обычно делается в популярных книгах по физике, которые приводят аргументы, связывающие простые постулаты Эйнштейна с их неожиданными следствиями
[34].
Мы коснемся двух концепций СТО. Первая есть относительность одновременности. Вторая, следующая из первой, есть монолитная вселенная. Каждая из них была важным шагом на пути изгнания времени из физики.
При создании СТО Эйнштейн выдвинул две стратегии, имеющие отношение к вопросу о природе времени. Во-первых, он принял реляционистскую сторону в дебатах о том, является ли время относительным или абсолютным: Время связано с изменением, смысл которого заключен в воспринимаемых взаимоотношениях. Нет такой вещи как абсолютное или универсальное время.
В своей ранней работе Эйнштейн также использовал стратегию, называемую операционализм. В соответствии с этим подходом единственный осмысленный способ определить такую величину как время это договориться, как его измерить. Если вы хотите говорить о времени, вы должны описать, какие часы есть в вашей теории и как эти часы работают. Когда вы подходите к науке с точки зрения операционализма, вы не спрашиваете о том, что происходит на самом деле, а только о том, что мог бы наблюдать наблюдатель. Положение наблюдателя во вселенной должно быть принято во внимание, включая то, где он находится и как он движется. Это позволяет вам ответить на вопрос, будут ли разные наблюдатели согласны или не согласны по поводу того, что они видят. Некоторые из наиболее интересных открытий Эйнштейна связаны с тем, по поводу чего наблюдатели не согласны.
А что насчет реальности? Разве физикам не интересно, что есть на самом деле, а не только, что наблюдается? Да, но хотя большинство операционалистов верит в реальность, они также верят, что единственный способ до нее добраться это путь через то, что наблюдается. Тестом на то, реально ли что-либо — объективно правильно — является то, что все наблюдатели будут с этим согласны.
Великое открытие по поводу времени в СТО Эйнштейна называется относительностью одновременности. Она должна действовать, если два удаленных друг от друга события могут быть рассмотрены как имеющие место в одно и то же время. Эйнштейн нашел, что имеется неопределенность при любом определении удаленных событий как одновременных. Наблюдатели, находящиеся в движении друг относительно друга придут к различным заключениям о том, являются события одновременными или нет, когда эти события удалены друг от друга.
Совершенно естественно для некоторой девушки, гуляющей по Торонто, интересоваться, что делает ее любимый человек в тот же момент в Сингапуре. Если это имеет смысл, то также должен иметь смысл вопрос о том, что происходит в этот момент на Плутоне, на планете в галактике Андромеда или, на самом деле, где угодно во вселенной. Эйнштейн показал, что наша привычная интуиция, считающая осмысленным говорить о том, что происходит прямо сейчас далеко от нас, ошибается. Два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, будут не согласны по поводу того, являются ли два удаленных события одновременными.
Относительность одновременности зависит от некоторых предположений, одно из которых состоит в том, что скорость света универсальна, — что означает, что любые два наблюдателя, измеряющие скорость фотона, будут согласны в своих измерениях независимо от того, как они движутся по отношению друг к другу или к фотону. Мы также можем допустить, что ничто не может двигаться быстрее, чем устанавливает эта универсальная скорость
[35]. Если она задана, событие может влиять на другое событие, только если сигнал, движущийся со скоростью света или менее, покидает первое и достигает второго. Если это может произойти, мы говорим, что два события причинно связаны в том смысле, что первое могло бы быть причиной второго.
Но два события могут быть настолько удалены в пространстве и иметь место настолько недолго во времени, что ни один сигнал от одного не может достичь другого. В таких случаях ни одно из двух событий не может быть причиной другого. Мы говорим, что два таких события причинно не связаны. Эйнштейн показал, что в таких случаях вы не можете установить, одновременны ли они или одно происходит до или после другого. Возможны все ответы в зависимости от движения наблюдателей, переносящих часы, с помощью которых измеряется время.
Для физики, чтобы это имело смысл, наблюдатели должны быть согласны в порядке причинно связанных событий, чтобы избежать путаницы по поводу определения причин. Но для наблюдателей не имеет смысла соглашаться по поводу порядка событий, которые никак не могли бы повлиять друг на друга. В СТО Эйнштейна они и не соглашаются.
Так что не имеет смысла для нашей подруги в Торонто интересоваться, что делает ее любимый человек прямо сейчас в Сингапуре
[36]. Но для нее имеет полный смысл подумать о том, что он делал несколько секунд назад. Эти секунды более чем достаточны для него, чтобы послать ей текст, который она сейчас читает; его посылка и ее чтение текста являются причинно связанными событиями. И все наблюдатели будут согласны, что посланный ею сейчас текст изменит остаток его жизни, начиная с момента, когда он прочитает ее новости минутой позже.
Кроме существования универсального предела скорости, с которым согласны все наблюдатели, СТО зависит еще от одной гипотезы. Это сам принцип относительности. Он заключается в том, что скорость, отличная от скорости света, есть чисто относительная величина — нельзя сказать, какой наблюдатель движется, а какой покоится. Допустим, что два наблюдателя приближаются друг к другу и каждый движется с постоянной скоростью. В соответствии с принципом относительности каждый может правдоподобно объявить себя покоящимся, а свойство приближения целиком присвоить другому.
