Мы воспринимаем пространство и время как нечто отдельное друг от друга, но размышления об условиях, близких к скорости света, показывают, что их необходимо объединить.
Пространственно-временной континуум – это одна из концепций теории относительности, о которой большинство людей слышали, но не до конца понимают, как и связанную с ней формулу E=mc2. Научные статьи поддерживают осведомленность об этих двух понятиях, но научная фантастика и порожденные ею мемы делают больше для того, чтобы каждое из них удерживалось в сознании людей. Увы, пространственное время гораздо сложнее для понимания, чем знаменитое уравнение Эйнштейна, но это не значит, что оно должно считаться непонятным для тех, кто не имеет степени по физике.
В каком-то смысле идея проста – вместо трех измерений пространства, где время является чем-то совершенно иным и отдельным, пространство-время является четырехмерным. События представлены в пространстве четырьмя координатами: три основаны на том, где что-то происходит, относительно определенной точки отсчета, а четвертая – это время, в которое это происходит.
Хотя Эйнштейн сделал концепцию пространства-времени основной благодаря теории относительности, физики еще за несколько лет до этого вынашивали идею единого пространства-времени, в котором время рассматривалось бы как четвертое измерение, в том числе и придумали ему название. Их объединяет скорость света (в вакууме), благодаря которой последствия какого-либо события проявляются в других местах за определенное время.
Проблема, с которой сталкивается большинство людей, заключается в том, что мы воспринимаем время настолько иначе, чем длину, ширину и высоту, что все это кажется нелепым. Если, например, мы понимаем, что зашли слишком далеко в каком-то направлении, мы обычно можем развернуться и вернуться назад. Хотелось бы, чтобы так же обстояло дело и со временем.
Физики пытаются объяснить, почему время так отличается от других измерений. Тем не менее, его статус как четвертого измерения, пусть и особого, вполне доказуем. Мы также знаем, что время связано с тремя другими измерениями настолько, что их часто невозможно точно измерить друг без друга.
В тех условиях, в которых мы живем в повседневной жизни, рассматривать пространство и время как отдельные измерения не составляет проблемы, поэтому идея пространственного времени столь нелогична. Однако если бы мы путешествовали со скоростью, близкой к скорости света, относительно чего-то важного для нас, ситуация была бы совсем другой.
Ключевая особенность специальной теории относительности заключается в том, что при движении со скоростью, близкой к скорости света, время замедляется по сравнению с ощущениями неподвижного наблюдателя. Аналогично, при скорости, близкой к скорости света, пространство сжимается в направлении движения. Это означает, что если кто-то, движущийся очень быстро, измерит два события и сравнит свои результаты с результатами того, кто движется медленнее, они получат разные значения в пространстве и времени. Хотя оба наблюдателя измеряют одно и то же расстояние в пространстве-времени (при условии, что они измеряют точно).
Более того, этот пространственно-временной континуум может быть искажен, например, мощными гравитационными силами, которые влияют на время так же сильно, как и на пространство. Хотя идея Эйнштейна считалась долгое время спорной, сейчас на практике можно проверить, как большие массы искривляют пространство-время, например, сравнив часы на орбите с часами на Земле.
Измерения движения массивных объектов, таких как пульсары, вокруг друг друга более точно подтверждают предсказания общей теории относительности о работе пространства-времени. Эти измерения все еще проводятся, отчасти потому, что существуют альтернативные версии общей теории относительности. Однако, поскольку они также признают природу времени как измерения и его существование в континууме с измерениями пространства, даже если одна из альтернатив в конечном итоге окажется лучше, это не отменит пространственное время.
Тем не менее существование конкурирующих теорий свидетельствует о том, что, хотя мы и знаем о существовании пространственно-временного континуума как такового, но мы многого в нем не понимаем. Неспособность физиков примирить общую относительность и квантовую механику была больным вопросом на протяжении десятилетий. Многие предполагали, что решением проблемы может стать квантованное пространство-время, но до сих пор никто не нашел способа сделать это убедительным.
Читайте также: Как червоточина может стать машиной времени