Оставаясь в своем световом конусе
В качестве одного из приемов, помогающих понять, как работает простран-
ство—время согласно специальной теории относительности, можно исполь-
зовать карту . Изобразите пространство и время и укажите, куда у вас есть
возможность переместиться . Давайте для разминки начертим схему ньютонов-
ского пространства—времени . Поскольку ньютоновские пространство и вре-
мя абсолютны, мы на своей карте уникальным образом определим «моменты
постоянного времени» . Возьмем четыре измерения пространства и времени
и порежем их на уникальные трехмерные экземпляры пространства в опреде-
ленные моменты времени, как показано на рис . 4 .4 . (На странице книги мы
можем рисовать лишь двумерные картинки; используйте свое воображение
и представьте себе на каждом срезе мгновенный снимок трехмерного про-
странства .) Принципиально то, что ни у кого не возникает возражений отно-
сительно различий между пространством и временем; здесь нет никакого
произвола .
Каждый ньютоновский объект (человек, атом, космический корабль) опре-
деляет мировую линию — путь, по которому этот объект движется сквозь
пространство—время (даже когда вы сидите абсолютно неподвижно, вы все
равно путешествуете через пространство—время, ведь вы непрерывно старе-
ете, не так ли?15) . И эти мировые линии подчиняются строгому правилу: прой-
дя через какой-то момент во времени, они не могут сделать пол-оборота назад 
Глава 4 . Время — штука личная
Рис . 4 .4 . Ньютоновские пространство и время . Вселенная нарезана на моменты постоян-
ного времени, однозначно разделяющие время на прошлое и будущее . Мировые линии ре-
альных объектов никогда не смогут вернуться назад по своим следам и пережить какой-то
момент времени более одного раза
и пройти через тот же самый момент второй раз . Ваша скорость может быть
сколь угодно высокой — сейчас вы здесь, а секунду спустя уже на расстоянии
миллиарда световых лет, но вы обязаны двигаться во времени только вперед,
и ваша мировая линия пересекает каждый момент в точности один раз .
В теории относительности все совсем не так . На смену ньютоновскому
правилу «вы обязаны двигаться вперед во времени» приходит новое правило:
вы обязаны двигаться со скоростью меньше скорости света . (Если только вы
не фотон или другая безмассовая частица; в таком случае ваша скорость в пустом
пространстве всегда в точности совпадает со скоростью света .) А структура,
в которую мы выше облекли ньютоновское пространство—время (набор сло-
ев, представляющих уникальные моменты времени), заменяется структурой
нового вида: световыми конусами .
Концептуально световые конусы довольно просты . Возьмите событие —
одиночную точку в пространстве—времени — и вообразите всевозможные
пути, которыми свет мог добраться до этого события или покинуть его; эти
пути и образуют световой конус , связанный с данным событием . Гипотетиче-
ские лучи света, исходящие из события, определяют световой конус будущего,
а лучи, приходящие к событию, соответствуют световому конусу прошлого .
Говоря «световой конус», мы имеем в виду оба этих конуса . Правило, гласящее,
что вы не можете двигаться со скоростью, превышающей скорость света,
|
Часть II . Время во Вселенной Эйнштейна
x
,
x
x
,
x
,
x
x
Рис . 4 .5 . Пространство—время вблизи определенного события x . Согласно теории отно-
сительности, у каждого события есть световой конус, объединяющий все возможные пути,
по которым свет мог бы прийти к этой точке или покинуть ее . События за пределами тако-
го конуса невозможно однозначно отнести к «прошлому» или к «будущему»
эквивалентно заявлению о том, что ваша мировая линия не должна выходить
за пределы световых конусов тех событий, через которые она проходит . Ми-
ровые линии, подчиняющиеся этому правилу и описывающие объекты со
скоростями, не превышающими скорость света, называются времениподоб-
ными . Если каким-то образом вам удалось бы превысить скорость света, то
ваша мировая линия стала бы «пространственноподобной», так как распо-
лагалась бы больше вдоль пространства, чем времени . Мировую линию объ-
екта, движущегося в точности со скоростью света, можно назвать «светопо-
добной» .
В ньютоновском пространстве—времени можно, начиная с одиночного
события, определить поверхность постоянного времени, однозначно рассека-
ющую Вселенную на две части . Для этого необходимо набор всех событий
разделить на события в прошлом и в будущем (плюс «одновременные» со-
бытия, расположенные точно на поверхности) . В мире, подчиняющемся теории
относительности, это невозможно . Световой конус, связанный с событием,
разделяет пространство—время на прошлое данного события (события внутри
светового конуса прошлого), будущее данного события (события внутри све-
тового конуса будущего), сам световой конус и набор точек за его пределами,
не относящихся ни к прошлому, ни к будущему .
Обычно окончательно запутывает людей именно этот, последний фрагмент .
Подсознательно основываясь на ньютоновском способе мышления о мире, мы 
|
Глава 4 . Время — штука личная
(
)
(
)
Рис . 4 .6 . Световые конусы приходят на замену моментам постоянного времени из ньюто-
новского пространства—времени . Мировые линии массивных частиц должны приходить
в событие через световой конус прошлого, а покидать его через световой конус будущего —
это времениподобный путь . Пространственноподобные пути соответствуют движению
быстрее света и, следовательно, недопустимы
считаем, что события либо случились в прошлом, либо произойдут в будущем,
либо происходят одновременно по отношению к некоторому событию на
нашей собственной мировой линии . В мире теории относительности события,
разделенные пространственноподобным интервалом (то есть находящиеся за
пределами световых конусов друг друга) невозможно отнести ни к одной из
перечисленных категорий . При желании мы могли бы по своему усмотрению
начертить несколько поверхностей, рассечь ими пространство—время и обо-
значить их как поверхности постоянного времени . Это позволило бы исполь-
зовать время как координаты в пространстве—времени (вспомните обсужде-
ние в главе 1) . Однако результат отражал бы наш личный выбор, а не реальные
особенности Вселенной . В теории относительности понятие «одновременных
удаленных событий» просто не имеет смысла .16
Когда вы рисуете карту пространства—времени, аналогичную изображен-
ной на рис . 4 .6, кажется естественным добавить на чертеж вертикальную ось,
обозначенную «время», и горизонтальную (или даже две), обозначенную
«пространство» . Свою версию мы умышленно нарисовали без обозначения 
|
|
|
|
Часть II . Время во Вселенной Эйнштейна
каких-либо осей . Смысл пространства—времени в общей теории относитель-
ности в том и заключается, что в нем отсутствует фундаментальное разделение
на «время» и «пространство» . Световые конусы, устанавливающие границы
возможного прошлого и будущего для каждого события, не появляются до-
полнительно к ньютоновскому разделению пространства—времени на время
и пространство; они полностью заменяют собой эту структуру . Время можно
измерять вдоль каждой отдельной мировой линии, но недопустимо считать его
неотъемлемым свойством всего пространства—времени .
С нашей стороны было бы безответственно продолжать обсуждение, не
уделив особого внимания еще одному различию между временем и пространством:
у времени только одно измерение, тогда как пространство трехмерно .17 Мы не
можем точно сказать, почему это так . Я имею в виду, что мы еще недостаточно
глубоко понимаем фундаментальные законы физики, для того чтобы с уверенно-
стью говорить о существовании причин, по которым у времени не может быть
более одного измерения или, если уж на то пошло, почему их не может быть ноль .
Мы знаем только, что жизнь была бы совсем другой, если бы у времени было
несколько измерений . При наличии единственного измерения физическим объ-
ектам (движущимся по времениподобным путям) не остается ничего другого,
кроме как перемещаться в единственно возможном направлении . Если бы из-
мерений было несколько, не было бы ничего, что заставило бы нас двигаться
вперед во времени; мы могли бы, например, ходить кругами . Остается открытым
вопрос, можно ли в этом случае построить согласованную физическую теорию,
но наша жизнь точно была бы совершенно иной .