Определение времени и пространства

До недавних пор ход времени отмечали хорошо знакомые закономерности, такие как день, ночь и фазы Луны или, с большей точностью, видимые движения определенных звезд. Древние вавилоняне определили, что секунда составляет 1/86400 суток. При составлении современных календарей мы все еще опираемся на астрономическое время и используем григорианский календарь, введенный в 1582 году, длительность года в котором составляет 365,2425 дня (см. главу 2). С развитием науки длительность секунды несколько раз пересчитывали, чтобы сделать эту единицу измерения более пригодной для лабораторных расчетов.

Последнее изменение было внесено в 1967 году, когда международным соглашением секунда была определена как время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, возникающего при энергетическом переходе между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133. Следуя традициям предков, минута все также равна 60 секундам, час — 60 минутам, а день состоит из 24 часов. Сутки, как и в Древней Вавилонии, составляют 86 400 секунд. Наши календари нужно периодически корректировать, чтобы поддерживать их соответствие временам года, поскольку между атомным временем и движением астрономических тел нет полной синхронизации.

Заметьте, не стоит считать, что время, измеряемое атомными часами, — это своего рода «правильное» время. Оно не менее условно, чем астрономическое время, время, отсчитываемое маятником или, к примеру, ударами моего сердца. Однако атомное время использовать удобнее, чем время, отсчитываемое сердечными сокращениями, — модели, использующие атомное время, намного проще и не требуют постоянных поправок на суточную активность человека. А если серьезно, использование атомного времени позволяет избежать необходимых поправок к астрономическому времени, имеющему небольшие перебои.

В доэнштейновские времена было принято считать, что пространство и время — это два независимых свойства Вселенной. До 1983 года 1 метр, стандартная единица измерения длины, считался равным длине платинового бруска, хранящегося в Париже в определенных строго соблюдающихся условиях. С помощью математика Германа Минковского (1864–1909) Эйнштейн разработал специальную теорию относительности в условиях четырехмерного пространства-времени, в котором время — дополнительное четвертое измерение. К 1983 году теория относительности получила настолько прочные эмпирические основания, что длину метра также пересмотрели и уточнили: теперь она, как и время, стала зависеть от того, что показывают часы. В настоящее время 1 м определяют как расстояние между двумя точками в пространстве, которое свет в вакууме преодолевает за 1/299792458 с.

Из этого следует, что скорость света в вакууме с = 299792458 м/с по определению. Многие физики и большинство ученых из других сфер науки, похоже, все еще считают, что значение c непостоянно и может изменяться в зависимости от времени или точки пространства. Это невозможно, потому что с по определению имеет точное значение.

Относительность энергии и импульса

Эйнштейн обнаружил, что энергия и импульс также относительны. Однако масса постоянна, то есть ее значение одинаково во всех системах отсчета. В системах единиц измерения, где скорость света равна единице (с = 1), мы получаем простые отношения массы, энергии и импульса, которые определяют инерционные свойства тела и показывают, как они связаны между собой. Масса тела m, имеющего энергию Е и импульсу, вычисляется по формуле m₂ = Е₂ - p₂. Если тело покоится, p = 0, а энергия покоя тела равна просто его массе m. В виде формулы Е = mс² этот вывод известен лучше^[7].

Другое известное следствие из специальной теории относительности заключается в том, что тело, имеющее массу, не может разогнаться до скорости света или большей. Это значит, что существует известный предел скорости, равный с. Тут мне придется развеять еще одно распространенное заблуждение. Специальная теория относительности не запрещает частицам двигаться со скоростью, превышающей скорость света, если они движутся с такой скоростью всегда. Эти частицы называются тахионами. Но пока это только гипотеза. Ни одной такой частицы обнаружить еще не удалось^[8].

Специальная теория относительности требует иного набора уравнений для расчета большинства величин, имеющих отношение к движению частиц, если скорости частиц приближаются к скорости света. Однако все остальное свидетельствует о том, что на скоростях существенно ниже скорости света эти формулы сводятся к знакомым формулам Ньютона.

Своей специальной теорией относительности Эйнштейн исключил эфир из материальной картины мира и вернул космосу демокритовскую пустоту, устранив эмпирическое несоответствие, описанное Майкельсоном и Морли, и теоретическую проблему, связанную с уравнениями электромагнетизма Максвелла. Они полностью согласуются с принципом относительности. Скорости все также относительны — все, кроме скорости света. Она же, как мы только что доказали, представляет собой произвольное число, которое просто определяет, какие единицы измерения пространства и времени вы хотите использовать. В этой книге я преимущественно пользуюсь значением с = 1 световой год в год.