Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
к оглавлению
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 [4]. 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 [5]. 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
к оглавлению
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.
Так что тут нет правильных ответов на вопросы, в отношении которых наблюдатели не согласны, вроде вопроса, происходят ли два события, удаленные друг от друга, одновременно. Итак, по поводу одновременности не может быть ничего объективно реального, ничего реального не может быть по поводу понятия 'сейчас'. Относительность одновременности была большим ударом по представлению о реальности времени.
То, о чем наблюдатели могут согласиться, может быть названо причинной структурой. Выделим два любых события в истории вселенной и назовем их Х и Y. Тогда будет правильна одна из трех вещей. Или X могло бы быть причиной Y, или Y могло бы быть причиной X, или ни одно из событий не могло бы быть причиной другого. Эти причинные отношения признаются всеми наблюдателями. Причинная структура есть список всех таких отношений для всех событий во вселенной. Таким образом, вы можете сказать, что физически реальным в истории вселенной является то, что включает в себя ее причинную структуру.
Это не зависящая от времени картина, поскольку она ссылается на всю историю вселенной сразу. Тут нет преимущественного момента времени, нет ссылки на то, какой момент времени соответствует 'сейчас', нет ссылки на что бы то ни было, соответствующее нашему ощущению настоящего момента. Нет смысла в 'будущем' или 'настоящем' или 'прошлом'.
Если вы удалите из заданного СТО описания природы все, что соответствует наблюдениям отдельных наблюдателей, останется причинная структура. Поскольку это все, что не зависит от наблюдателей, она должна - если теория верна - соответствовать физической реальности. Следовательно, если СТО базируется на правильных принципах, вселенная не зависит от времени. Не зависит в двух смыслах: Нет ничего, соответствующего ощущению настоящего момента, и наиболее глубоким описанием является вся история причинных связей сразу.
Эта картина истории вселенной, задаваемой причинными связями, осуществляет мечту Лейбница о вселенной, в которой время полностью определяется отношениями между событиями. Взаимоотношения являются единственной реальностью, которая соответствует времени - взаимоотношения причинного сорта.
к оглавлению
На самом деле, кроме причинной структуры тут есть и другой кусочек информации, по поводу которого наблюдатели сходятся во мнениях. Рассмотрим физические часы, отсчитывающие секунды и свободно парящие в пространстве. Они показывают полдень, а затем минутой позже они показывают минуту пополудни. Первое событие можно рассматривать как причину второго. Между ними часы тикали шестьдесят раз. Число раз, которое протикали часы между двумя событиями, и есть нечто иное, по поводу чего согласятся все наблюдатели, невзирая на их относительное движение. Это называется собственное время [6].
Картина истории вселенной, взятой как целое, как система связанных причинными отношениями событий, называется монолитная вселенная. Причина такого, вообще-то, специфического названия в том, что оно наводит на мысль, что реальна только вся история сразу, - намек на каменный блок, из которого может быть вырезано нечто твердое и неизменное.
Монолитная вселенная это кульминация начатого Галилеем и Декартом движения к такой трактовке времени, как если бы это было другое измерение пространства. Это дает описание целой истории вселенной как математического объекта, который, как мы отметили в Главе 1, вне времени. Если вы верите, что это соответствует объективной реальности природы, то вы утверждаете, что вселенная фундаментально безвременная. Эта картина монолитной вселенной является вторым этапом в изгнании времени, подразумеваемом СТО Эйнштейна.
Монолитная вселенная объединяет пространство и время. Это может быть изображено в виде пространства-времени с тремя пространственными и одним временным измерениями (см. Рис.10). Событие, происходящее в момент времени, представляется точкой в пространстве-времени, а история частицы рисуется кривой в пространстве-времени, называемой мировой линией частицы. Таким образом, время полностью отнесено к геометрии; мы говорим, что время геометризировано или представлено в виде пространственного измерения. Физические законы представляются геометрически; например, мировая линия свободной частицы есть прямая линия в пространстве-времени. Если частица фотон, мы представляем ее движущейся под углом 45 градусов (который соответствует измерению пространства в единицах времени, как мы делаем, когда говорим о световых годах). Любая обычная частица должна двигаться медленнее фотона, носителя света, следовательно, ее мировая линия будет под более крутым углом.
Элегантное геометрическое представление СТО было
к оглавлению
- В находится в будущем А
- С находится в прошлом А
- Д причинно не связано с А Рис.10. Картина пространства-времени в монолитной вселенной. Пространство-время с одним пространственным и одним временным измерениями. Мы выбираем единицы времени и пространства так, что световые лучи движутся под углами 45 градусов. Причинная структура тогда показывается геометрически; два события могут быть причинно связаны, если они могут быть соединены линией с наклоном 45 градусов или круче. Мы также видим мировую линию частицы, летящей из прошлого в будущее через событие А. Также проведены два луча света, проходящие через А. Заштрихованные области содержат события, которые причинно с А не связаны. изобретено в 1909 Германом Минковским, одним из учителей Эйнштейна в математике. В нем каждый физический факт движения, включаемый в себя СТО, представлен как теорема по поводу геометрии пространства-времени. Изобретение Минковского, которое мы теперь называем
