Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

зрізи чотиривимірного всесвіту, у якому простір та час є рівноправними.

Якщо повернутися до прикладу з лінійками у випадку відносності, коли лінійка рухомого спостерігача з точки зору іншого користувача буде коротшою, ніж у системі відліку, у якій вона перебуває в спокої; слід пам’ятати, що для цього спостерігача лінійка також «розтягнута» у часі – події на її кінцях, одночасні з точки зору спостерігача в стані спокою щодо лінійки, не є одночасними для другого спостерігача.

Мінковський зрозумів, що цей та всі інші факти можна узгодити між собою, якщо розглядати різні тривимірні точки зору, що їх дослідив кожен спостерігач, як у деякому сенсі різні «повернуті» проекції чотиривимірного «простору-часу», де існує інваріантна чотиривимірна просторово-часова «довжина», однакова для всіх спостерігачів. Цей чотиривимірний простір, який ми нині звемо простором Мінковського, дещо відрізняється від свого тривимірного аналога тим, що час як четвертий вимір трактується трохи інакше за три виміри простору: x, y та z. Чотиривимірна «просторово-часова» довжина, яку можна позначити S, записується аналогічно до тривимірної довжини, позначеної вище L, не так:

S2 = x2 + y2 + z2 + t2,

а ось так:

S2 = x2 + y2 + z2 – t2.

Знак «мінус» перед t2 у визначенні просторово-часової довжини S надає простору Мінковського особливих характеристик, і саме через це наші різні точки зору на простір і час, коли ми рухаємося один стосовно одного, є не простими обертаннями, як у випадку Платонової печери, а чимось дещо складнішим.

Менше з тим, одним махом сама природа нашого всесвіту змінилася. Як поетично написав із цього приводу 1908 року Мінковський: «Віднині сам по собі простір та сам по собі час приречені перетворитися на лише тіні, і лише їхній своєрідний союз збереже незалежну реальність».

Таким чином, на перший погляд Ейнштейнова спеціальна теорія відносності робить фізичну реальність суб’єктивною та залежною від спостерігача, проте вживати слово відносність у такому сенсі неправильно. Натомість теорія відносності є теорією абсолютів. Вимірювання простору й часу можуть бути суб’єктивними, проте «просторово-часові» вимірювання – універсальні й абсолютні. Швидкість світла універсальна й абсолютна. А чотиривимірний простір Мінковського – це поле, на якому відбувається гра природи.

Можливо, простіше буде зрозуміти всю глибину радикальної зміни точки зору, викликаної переоформленням Ейнштейнової теорії Мінковським, якщо розглянути реакцію самого Ейнштейна на картину Мінковського. Спершу Ейнштейн назвав її «надлишковою мудрованістю», даючи зрозуміти, що це просто химерна математика, позбавлена фізичної значимості. Невдовзі після цього він додатково підкреслив це, сказавши: «Відколи в теорію відносності вдерлися математики, я сам перестав її розуміти». Проте в остаточному підсумку, як це не раз ставалося в його житті, Ейнштейн змінив думку та визнав, що цей здогад може мати ключове значення для розуміння істинної природи простору й часу, і пізніше збудував свою загальну теорію відносності на підвалинах, які заклав Мінковський.

Було б дуже важко, якщо взагалі можливо, здогадатися, що Фарадеєві обертальні колеса та магніти врешті-решт приведуть до настільки ґрунтовного перегляду нашого розуміння простору й часу. Утім, заднім числом можна стверджувати, що ми мали принаймні запідозрити, що об’єднання електрики й магнетизму може стати провісником світу, у якому рух відкриє нову, приховану реальність.

Повертаючись до Фарадея й Максвелла, одним із важливих відкриттів, з якого це все почалося, було те, що магніт діє на електричний заряд дивною силою. Замість штовхати заряд уперед чи назад, сила магніту завжди прикладена під прямими кутами до руху електричного заряду. Цю силу, нині відому під назвою сили Лоренца, – на честь Гендріка Лоренца, фізика, який теж був близький до відкриття відносності, – можна зобразити таким чином:

Заряд, який рухається між полюсами магніту, виштовхується вгору.

А тепер розглянемо, як усе виглядатиме з точки зору частинки. У її системі відліку магніт рухатиметься повз неї.

Проте за визначенням ми вважаємо, що на електрично заряджену частинку в стані спокою діють лише електричні сили. Отже, оскільки в поданій системі відліку частинка перебуває в спокої, силу, яка на рисунку штовхає її вгору, слід інтерпретувати як електричну силу.

Таким чином, магнетизм одного є електрикою іншого й поєднує їх рух. Тож насправді об’єднання електрики й магнетизму відображає те, що однорідний відносний рух надає спостерігачам різні точки зору на реальність.

Рух – предмет, що його вперше дослідив Галілей, врешті-решт три століття по тому надав ключ до нової реальності, у якій об’єднано не лише електрику й магнетизм, а також простір і час. Коли все лише починалося, такої саги ніхто не очікував.

У цьому й полягає краса найвидатнішої з коли-небудь розказаних оповідей.

Розділ 6
Тіні реальності

І сталося, як вони все йшли та говорили, аж ось появився огняний віз та огняні коні, і розлучили їх одного від одного.

2 Царів 2:11

1908 року, після приголомшливого відкриття несподіваного прихованого зв’язку між простором і часом, можна було б подумати, що природі більше немає чим нас здивувати. Проте космосу начхати на наші відчуття. І світло ще раз надало ключа до дверей кролячої нори у світ, порівняно з яким пригоди Аліси здаються дитячими забавками.

Хоча зв’язки, які виявили Ейнштейн та Мінковський, можуть здатися химерними, їх, як я намагався продемонструвати, можна інтуїтивно зрозуміти, виходячи зі сталості швидкості світла. Значно менш інтуїтивним було наступне відкриття, яке полягало в тому, що в дуже малих масштабах природа поводиться таким чином, який людська інтуїція не в змозі навіть повною мірою усвідомити, оскільки ми не здатні безпосередньо сприймати цю поведінку.

Як сказав одного разу Річард Фейнман, ніхто не розуміє квантову механіку, якщо тлумачити розуміння як розробку конкретної фізичної картини, що справляє враження повністю