Постулат постоянства скорости света привел к замене традиционного представления о пространстве и времени как о неизменных и объективных величинах новым понятием, где пространство и время неразрывно
зависят от относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения. Поняв,
что движущиеся объекты сокращаются в направлении движения, мы могли бы на
этом закончить обсуждение. Однако специальная теория относительности еще
глубже объединяет все рассмотренные нами явления.
Рис. 2.4. Движущийся объект сокращается в направлении своего движения
Чтобы понять это, представим себе не очень практичный автомобиль, который
быстро достигает фиксированной рекомендуемой скорости 160 км/ч и поддерживает
ее, не ускоряясь и не замедляясь, пока не будет выключен двигатель, и он
прокатится по инерции до остановки.
Представим также, что растущая известность Слима как талантливого пилота
привела к тому, что он получил предложение провести испытания этого автомобиля
на длинной, прямой и широкой трассе, расположенной посреди плоской равнины в
пустыне. Поскольку расстояние между стартом и финишем составляет 16 км,
автомобиль должен покрыть это расстояние за одну десятую часть часа, т.е. за шесть
минут. Просматривая результаты десятков испытательных заездов, Джим,
подрабатывающий автомобильным инженером, столкнулся с тем, что хотя
большинство результатов в точности равнялось шести минутам, несколько
последних были существенно хуже: 6,5, 7 и даже 7,5 минут. Сначала он заподозрил
наличие какой-то неисправности, поскольку такое время указывало на то, что в
течение последних трех заездов автомобиль двигался медленнее, чем со скоростью
160 км/ч. Однако тщательное исследование автомобиля убедило его, что тот
находится в превосходном состоянии. Не сумев понять причину таких необычных
результатов, он обратился к Слиму, попросив его рассказать об этих последних
заездах. Объяснение Слима оказалось простым. Он сказал Джиму, что поскольку
трасса проходит с востока на запад, а заезды проходили в конце дня, Солнце било
ему прямо в глаза. В течение последних трех заездов условия были столь плохими,
что он отклонился от оси трассы на небольшой угол. Он нарисовал свой путь в ходе
трех последних заездов, который показан на рис. 2.5. Причина появления трех
последних результатов стала совершенно ясна: путь от линии старта до линии
финиша при движении под углом к оси трассы будет больше, следовательно, при
той же самой скорости в 160 км/ч он займет больше времени. Другими словами, при
движении по пути, проходящему под углом, часть скорости в 160 км/ч уходит на
движение в направлении с юга на север, в результате на то, чтобы пройти маршрут с
востока на запад, останется меньше скорости. Поэтому, чтобы пройти трассу,
требуется немного больше времени.

Рис. 2.5. Из-за того что Солнце в конце дня слепило в
глаза, в течение последних трех заездов Слим
двигался под все более увеличивающимся углом
Как уже отмечалось, объяснение Слима является простым и понятным. Однако оно
заслуживает того, чтобы немного его перефразировать ради концептуального
прорыва. Направления с севера на юг и с востока на запад представляют собой два
независимых пространственных измерения, в которых может двигаться автомобиль. (Он может
также перемещаться в вертикальном направлении, например, при движении через
горный перевал, однако в данном случае эта возможность нас не интересует.)
Объяснение Слима показывает: несмотря на то, что в ходе каждого заезда
автомобиль двигался со скоростью 160 км/ч, в тех последних заездах движение
разделялось между двумя направлениями, и поэтому казалось, что в направлении
восток-запад оно происходит со скоростью меньше 160 км/ч. В предшествующих
заездах все 160 км/ч тратились исключительно на движение с востока на запад; в
трех последних заездах эта скорость была частично направлена с севера на юг.
Эйнштейн обнаружил, что точно та же идея — разделение движения между
различными измерениями — лежит в основе всех замечательных физических
проявлений специальной теории относительности, если только мы осознаем, что
движение тела распределяется не только между пространственными измерениями,
но что временное измерение также может принимать участие в этом разделении. На
самом деле, в большинстве случаев большая часть перемещения объекта
происходит как раз во времени, а не в пространстве. Посмотрим, что это означает.
Понятие движения в пространстве приходит в нашу жизнь очень рано. Хотя и
нечасто приходится думать об этом с такой точки зрения, нам также известно, что
мы, наши друзья, окружающие нас вещи и т.д. движемся во времени. Даже если мы
праздно сидим перед телевизором и бросаем взгляд на стенные или наручные часы,
мы видим, что стрелки на часах неумолимо движутся вперед, постоянно
«перемещаясь вперед во времени». Мы и все, что нас окружает, стареем, неизбежно
переходя от одного момента времени к следующему. В действительности,
математик Герман Минковский, а затем и Эйнштейн являлись сторонниками
представления о времени как еще об одном измерении Вселенной, в некоторых
отношениях весьма похожим на три пространственных измерения, в которые мы
погружены. Хотя это и звучит на первый взгляд абстрактно, понятие времени как
измерения на самом деле вполне конкретно. Когда мы хотим с кем-то встретиться,
мы говорим, где «в пространстве» мы рассчитываем встретиться с ним — например,
на 9 этаже здания на углу 53-й улицы и 7-й авеню. В этом описании содержатся три
элемента информации (9 этаж, 53-я улица, 7-я авеню), описывающих конкретное
место в трех пространственных измерениях Вселенной. Не менее важным, однако,
является указание времени нашей встречи, например, в 3 часа пополудни. Эта часть
информации говорит нам, где «во времени» состоится наша встреча. Следовательно,
события описываются четырьмя элементами информации: тремя, указывающими
расположение в пространстве, и одним, указывающим положение во времени.
Подобные данные, как принято говорить, характеризуют положение события в
пространстве и времени или, для краткости, в пространстве-времени. В этом
смысле время представляет собой еще одно измерение.
Поскольку с этой точки зрения пространство и время являются просто различными
примерами измерений, можем ли мы говорить о скорости движения объекта во
времени подобно тому, как мы говорим о скорости его движения в пространстве?
Да, можем.
Ключ к разгадке того, как это сделать, можно найти в рассмотренных выше
основных положениях. Когда тело движется в пространстве относительно нас, его
часы идут медленнее по сравнению с нашими. Иными словами, скорость его
движения во времени замедляется. Новая идея, которую мы должны понять,
состоит в следующем. Эйнштейн провозгласил, что все объекты во Вселенной
всегда движутся в пространстве-времени с одной постоянной скоростью —
скоростью света. На первый взгляд, эта идея выглядит странно, — мы привыкли к
тому, что объекты обычно движутся со скоростями, которые значительно меньше
скорости света. Мы неоднократно подчеркивали, что именно по этой причине
релятивистские эффекты столь непривычны в нашей повседневной жизни. Все это
правда. Но сейчас мы говорим о суммарной скорости тел во всех четырех
измерениях — трех пространственных и одном временном, и скорость тела равна
скорости света именно в этом обобщенном смысле.
Для того чтобы полнее понять это положение и осознать его важность, заметим, что
как в случае с непрактичным «односкоростным» автомобилем, рассмотренным
выше, эта одна скорость может быть разделена между различными измерениями
пространства и времени. Если тело неподвижно (по отношению к нам) и,
следовательно, совсем не движется в пространстве, то, по аналогии с первыми
заездами автомобиля, все движение тела приходится на перемещение в одном
измерении, — в нашем случае, во временном измерении. Более того, все тела,
которые находятся в покое по отношению к нам и друг к другу, движутся во
времени (стареют) с совершенно одинаковой скоростью. Однако если тело движется
в пространстве, это означает, что часть его движения во времени будет отвлечена.
Как в случае с автомобилем, движущимся под углом, это разделение движения
означает, что во времени тело будет двигаться медленнее, чем его неподвижные
собратья, поскольку часть его движения будет отвлечена на перемещение в
пространстве. Это означает, что часы будут идти медленнее, если они перемещаются
в пространстве. Именно с этим мы сталкивались ранее. Теперь мы видим, что время
замедляется, когда тело движется относительно нас потому, что оно отвлекает часть
своего движения во времени на движение в пространстве. Таким образом, скорость
движения тела в пространстве является просто отражением того, какая часть
отвлекается от движения тела во времени6'.
Мы также видим, что отсюда немедленно следует факт существования ограничения
на скорость тела в пространстве: максимально возможная скорость движения в
пространстве будет достигнута, если все движение тела во времени перейдет в
движение в пространстве. Это происходит тогда, когда все движение со скоростью
света во времени направляется на движение со скоростью света в пространстве. Но
если задействована вся скорость движения во времени, получится наибольшая
скорость движения в пространстве, которую только может развить любое тело. В
нашем примере с автомобилем это соответствует случаю, когда автомобиль
движется строго в направлении север-юг. У автомобиля в этом случае не остается
скорости на движение в направлении восток-запад. Так и у тела, перемещающегося
в пространстве со скоростью света, не остается скорости на движение во времени.
Поэтому фотоны никогда не стареют; фотон, который был излучен во время
Большого взрыва, имеет тот же самый возраст, который он имел тогда. Ход времени
останавливается по достижении скорости света.