Физика времени - Чернин Артур Давидович. Страница 23

Итак, двумерная диаграмма, такая простая на вид, имеет, как оказывается, весьма глубокий смысл. Она обнаруживает, что пространство-время обладает своим особым строением — оно складывается из трех различных областей, каждая из ко– которых имеет свои собственные свойства и черты. Такая структура пространства-времени отражает в первую очередь тот важнейший физический факт, что в природе существует предельная максимальная скорость движений — скорость света, которая постоянна и конечна.

А что было бы в отсутствие этого предела, при допущении бесконечности скорости света? Тогда мировые линии света на нашей диаграмме «разогнулись» бы и совпали с вертикальной осью. Все пространство-время при этом перестроилось бы: оно разделилось бы не на три, а только на две области. Вся область правее вертикальной оси в этом случае становится доступной для движений, исходящих из начала координат. Точно так же, начало координат становится доступным для движений, начинающихся в любой точке слева от вертикальной оси. В пространстве-времени исчезают «запрещенные зоны».

Допущение бесконечных скоростей тел или света означает, как нам уже приходилось видеть, переход к представлениям классической механики. При этом исчезает относительность одновременности и вообще относительность времени. Итак, изучение двумерной диаграммы для пространства-времени открывает нам новую грань реального физического мира, ускользавшую от старой физики. Реальное пространство-время устроено совсем не так, как это представлялось в классической механике. Оно состоит в действительности не из двух, а из трех физических различных областей.

Прошлое, настоящее, будущее

Продолжая исследование двумерного пространства-времени на нашей диаграмме, давайте считать, что начало координат означает для нас здесь и сейчас в данной системе отсчета. Тогда все, что на диаграмме слева от вертикальной оси, — это прошлое, то, что было до настоящего момента, до сейчас. А все, что справа от вертикальной оси, — это будущее, то, что настанет после.

Пусть мы включили сейчас часы, а сами остаемся на месте. В пространстве мы не перемещаемся, путь равен нулю. Но и когда мы стоим на месте, с нами будут происходить события, которые образуют последовательность точек — нашу мировую линию. Эта линия совпадает, очевидно, с горизонтальной осью (ведь путь все время равен нулю) и продолжается вправо от начала координат. Мы остаемся на месте, но время течет, и потому мы движемся в пространстве-времени.

Если бы мы не стояли на месте, а перемещались в пространстве, то при любом способе движения наша мировая линия оставалась бы внутри треугольника АОВ. Любые события, которые с нами произойдут, лежат именно в этой области. Что бы с нами ни случилось, в ней найдется подходящая точка–событие, которая укажет место и время происшествия.

Коротко говоря, область правого треугольника — это для нас область достижимого будущего.

Но что происходило с нами прежде, до момента сейчас? Начала координат на нашей диаграмме мы можем достичь в том и только том случае, если все точки-события нашей предыстории лежат в области левого треугольника на этой диаграмме. Все, что уже произошло с нами, изображается определенными точками-событиями из этого треугольника. Область левого треугольника — это область нашего прошлого?

А что же такое для нас третья область, то есть область вне обоих треугольников? Там лежат события, которые наша мировая линия никогда не заденет. Это события, которые не случились с нами в прошлом и наверняка не случатся в будущем. Если вспомнить пространство-время классической механики, то там таких невозможных событий в принципе не существует.

Время, его течение увлекает нас за собой: мы можем стоять в пространстве, но остановиться и стоять во времени невозможно. Наша мировая линия неуклонно продолжается, что бы мы ни делали. Она продолжается гладко и непрерывно — у нее нет разрывов и она не делает петель. Мы не можем перепрыгнуть в будущее, минуя то, что отделяет нас от него. И мы не можем дважды побывать на одной вертикали, то есть в одном и том же моменте времени.

Мировая линия не может из будущего повернуть назад в прошлое или настоящее. Что было, то уже произошло и больше не вернется. События прошлого и будущего выстроены вдоль мировой линии раз и навсегда, и их порядок, их следование одного за другим никак не изменить, не перевернуть, не перепутать. И это с любой точки зрения: в любой системе отсчета ни одно событие не выпадет из нашей мировой линии, и все они сохранят неизменной свою очередность.

Порядок следования событий вдоль нашей мировой линии не относителен, он абсолютен. Абсолютно поэтому и разделение событий нашей истории на прошлое и будущее. И то же относится вообще к любому физическому телу.

Машина времени

Можем ли мы видеть прошлое? Способны ли мы проникнуть в будущее?

Недолго думая, кто-то, возможно, на оба эти вопроса сразу ответил бы «нет».

Но не будем торопиться и в поисках ответа снова обратимся к диаграмме, представляющей нам пространство-время с тремя его различными областями.

Только не стоит, пожалуй, ограничиваться и дальше лишь одним пространственным измерением. Если включить в нашу картину все три пространственных измерения, в ней, собственно, ничего особенно не изменится. Но только вместо треугольников нужно будет говорить о конусах в четырехмерном про– пространстве-времени. Все прошедшее лежит в конусе прошлого, все грядущее — в конусе будущего. И есть область вне этих ко-

нусов — это то, что с нами прежде не случалось и никогда после не случится.

Конус, очерченный мировыми линиями света, называют световым конусом.

Поверхность конуса прошлого для нас сейчас особенно интересна. На ней лежит все то, что мы в данный момент можем видеть. Действительно, видеть — значит принимать глазом световые лучи. Но лучи распространяются с конечной скоростью. Значит, мы можем видеть только то, что уже произошло.

Можно сказать и сильнее: если мы что-то и видим, то только прошлое.

Вот ответ на первый из наших вопросов.

Но что доступно нашему зрению? Зрительные образы создаются у нас теми лучами, которые достигли нас именно сейчас. И несут они нам то, что, так сказать, собрали по дороге, проходя через точки-события, расположившиеся вдоль мировых линий этих лучей. Эти точки события могли, конечно, и сами испустить свет. В любом случае все эти точки и в самом деле образуют поверхность конуса прошлого.

Те лучи, которые достигли нас в данный момент, прошли разный путь. Одни шли всего мгновение, а другие путешествовали по дороге к нам очень долго. Это может быть луч от настольной лампы на нашем столе и луч от звезды на ночном небе за окном. Первый шел к глазу всего несколько миллиардных долей секунды, а другой многие годы.

Лучи скользили вдоль поверхности конуса прошлого и принесли нам разные картины прошлого. Картину настольной лампы, какой она была миг назад, и картину звезды, какой она была многие годы назад.

За время распространения света от настольной лампы с этим источником света вряд ли что-нибудь успеет произойти. А за время, затраченное светом от звезды на свое путешествие, она сама могла, например, уже потухнуть.

Мы видим разное прошлое. Картину Солнца мы видим с запаздыванием на восемь минут. А далекие квазары мы наблюдаем такими, какими они были почти десять миллиардов лет назад. Тогда не было еще ни Земли, ни Солнца — возраст Солнечной системы «всего» около пяти миллиардов лет.

Чем дольше путешествовал свет, чем дальше от нас находится его источник, тем дальше вглубь времен проникаем мы взором.