Стівен Вільям Хокінг - Коротка історія часу

ми вже знаємо, випливає, що швидкість світла — стала й незалежна від швидкості джерела величина. Це підтверджено точними вимірюваннями. Отже, імпульс світла, випромінений у певний момент у певному місці ширитиметься навсібіч, утворюючи світлову сферу, до того ж її розмір і положення не залежатимуть від швидкості джерела. Після однієї мільйонної частки секунди світло утворить сферу з радіусом 300 метрів; після двох мільйонних часток секунди радіус сфери становитиме 600 метрів тощо. Це подібно до бриж від кинутого у воду каменя. Вони розбігаються по поверхні ставка колом, яке раз у раз більшає. Якщо скласти стосом миттєві фотознімки розбіжних бриж, то щораз ширше коло на кожному з них буде частиною конуса з вершиною в тому місці, де камінь торкнувся води (рис. 2.3).

Рис. 2.3.

Тож і світло, ширячись від якоїсь події, утворює в чотиривимірному часопросторі тривимірний конус. Цей конус називають світловим конусом майбутнього події. Так само можна накреслити й другий конус, що зветься світловим конусом минулого і становить набір подій, через які світловий імпульс здатний досягти цієї події (рисунок 2.4).

Рис. 2.4.

Якщо сталася подія Р, то решту подій у Всесвіті можна розділити на три класи. Ті події, яких може досягти від події P частинка або хвиля, рухаючись зі швидкістю, не більшою за швидкість світла, належать до майбутнього події P. Вони лежать усередині або на поверхні щораз більшої сфери світла, випромінюваного від події P, а отже всередині або на світловому конусі майбутнього події Р на часопросторовій діяграмі. Те, що відбувається в Р, може вплинути тільки на майбутнє події P, бо ніщо не може рухатися швидше за світло.

Так само минуле події P ми можемо означити як сукупність усіх подій, що від них можна досягти події P зі швидкістю, не більшою за світлову. Отже, ця сукупність подій може впливати на те, що відбудеться в Р. Про події, які не належать до майбутнього чи минулого P, кажуть, що вони відбуваються деінде відносно Р.

Те, що відбувається деінде, не може ні впливати на подію P, ні зазнати її впливу. Наприклад, якщо Сонце просто в цей самий момент перестане світити, події на Землі в цей самий час не зазнають ніякого впливу, бо відбуваються деінде відносно тої події, коли Сонце згасло (рис. 2.5).

Рис. 2.5.

Ми дізнаємося про це аж за вісім хвилин — саме стільки часу потрібно світлу, щоб подолати відстань від Сонця до нас. Тільки після цього події на Землі опиняться в світловому конусі майбутнього події, коли згасло Сонце. Саме тому ми не знаємо, що відбувається цієї миті десь у Всесвіті: світло, яке дійшло до нас від далеких галактик, було випромінене мільйони років тому, а світло від найдальшого видимого об’єкта йшло до нас майже вісім мільярдів років. Тож, дивлячись на Всесвіт, ми бачимо його фактично в минулому.

Знехтувавши, як Айнштайн і Пуанкаре 1905 року, гравітаційні ефекти, ми матимемо так звану спеціяльну теорію відносності. Для кожної події в часопросторі ми можемо побудувати світловий конус (сукупність усіх можливих у часопросторі шляхів світла, випроміненого від цієї події), а що швидкість світла однакова для будь-якої події й у будь-якому напрямі, то всі світлові конуси будуть ідентичні й зорієнтовані в одному напрямі. Крім того, ця теорія твердить: ніщо не може рухатися швидше за світло. Це означає, що траєкторія будь-якого об’єкта в часі й просторі становить лінію, яка лежить усередині світлового конуса для будь-якої події на ній (рис. 2.6). Спеціяльна теорія відносності успішно пояснила, що швидкість світла однакова для всіх спостерігачів (як показав експеримент Майкельсона — Морлі), і правильно описала те, що відбувається, коли тіла рухаються зі швидкістю, близькою до світлової. Однак вона суперечить Ньютоновій теорії гравітації, згідно з якою об’єкти тяжіють один до одного з силою, що залежить від відстані між ними. Це означає, що якби одне тіло зрушилося, то сила притягання між ними миттю змінилася б. Інакше кажучи, швидкість поширення гравітаційних ефектів має бути нескінченна, а не така, що дорівнює швидкості світла чи менша від неї, як цього вимагає спеціяльна теорія відносності. З 1908 до 1914 року Айнштайн зробив кілька невдалих спроб винайти теорію гравітації, яка б узгоджувалася зі спеціяльною теорією відносності. Нарешті, 1915 року він запропонував те, що ми тепер називаємо загальною теорією відносності (рис. 2.6).

Рис. 2.6.

Айнштайн зробив революційне припущення: гравітація — це не звичайна сила, а наслідок того, що часопростір не плоский, як уважали раніше, а викривлений, або «здеформований» розподілом маси й енергії в ньому. Сила, звана гравітацією, не змушує такі тіла, як Земля, рухатися викривленою орбітою; вони просто рухаються у викривленому просторі найбільше відповідним до прямого шляхом, який називають геодезичною. Геодезична — це найкоротший (або найдовший) шлях між двома близькими точками. Наприклад, поверхня Землі — двовимірний викривлений простір. Геодезична на Землі називається великим колом, і це найкоротший маршрут між двома точками (рис. 2.7). А що геодезична — найкоротший шлях між будь-якими двома аеропортами, то саме такий маршрут задають диспетчери авіякомпаній пілотам. Відповідно до загальної теорії відносності, тіла завжди рухаються прямими лініями в чотиривимірному часопросторі, але в нашому тривимірному просторі нам здається, що вони рухаються вигнутими траєкторіями. (Це все одно, що дивитися на літак, який летить над горбастою місцевістю. Хоч він і рухається по прямій у тривимірному просторі, але його тінь на двовимірній поверхні Землі рухається криволінійною траєкторією.)

Рис. 2.7.

Маса Сонця так викривляє часопростір, що нам у тривимірному просторі здається, ніби Земля рухається круговою орбітою, хоч насправді вона рухається прямолінійно в чотиривимірному часопросторі.

Фактично, орбіти планет, передбачені загальною теорією відносності, майже збігаються з передбаченими Ньютоновою теорією гравітації. Однак у випадку Меркурія — найближчої до Сонця планети, яка, зазнаючи найсильнішого гравітаційного впливу, має досить витягнуту орбіту — загальна теорія відносності передбачає, що довга вісь еліпса повинна обертатися навколо Сонця зі швидкістю близько одного градуса за десять тисяч років. Хоч цей ефект і незначний, проте його помітили ще до 1915 року, він став одним із перших підтверджень Айнштайнової теорії. Останніми роками за допомогою радара були виміряні ще менші відхили орбіт інших планет від Ньютонових передбачень, і всі вони узгоджуються з передбаченнями загальної теорії відносності.

Промені світла теж мають рухатися по