Со времен Древней Греции общепризнанной была точка зрения Аристотеля, считавшего, что естественным состоянием любого тела является состояние покоя, из которого оно выходит и начинает двигаться только под действием какой-нибудь силы или импульса. После того, как это действие прекращается, тело обязательно должно вновь вернуться в состояние покоя. А значит, у каждого тела (например, у Земли, которую Аристотель считал покоящейся) есть некоторое абсолютное положение в пространстве. Абсолютным Аристотель считал и пространство, и время.
«Московские новости» продолжают серию публикаций под кодовым названием «… или …?». Какими бы образованными мы ни были, всегда найдется тема, в которой мы «плаваем», хоть и виду не подаем. Проект «МН» — попытка ответить на вопросы из разных областей знания, которые интеллигентный человек порой и задать-то стесняется.
В 1687 году Исаак Ньютон публикует книгу «Математические начала натуральной философии», в которой, опираясь на результаты опытов Галилео Галилея, формулирует три основных закона классической механики. Согласно этим законам, тело может равномерно и прямолинейно двигаться даже если на него не действуют внешняя сила. К тому же, если взять два таких тела, то можно на абсолютно равных основаниях утверждать как то, что первое тело находится в покое, а второе движется относительно первого с постоянной скоростью, так и то, что второе покоится, а движется первое. Поэтому невозможно говорить об абсолютном движении или об абсолютном покое — тело движется или покоится только относительно какого-нибудь другого тела.
Представьте себе, что вы едете в вагоне метро с ватагой первоклассников, отправляющихся, к примеру, на экскурсию. Один из школьников стоит на месте (что само по себе удивительно) и развлекается тем, что бросает в стену мячик и ловит его. Для вас мячик будет раз за разом стукаться о стену в одном и том же месте, а человеку, оставшемуся на платформе, будет казаться, что точки соприкосновения мячика со стеной разделены между собой расстоянием, которое поезд прошел за время между бросками. Получается, что невозможно определить, произошли ли два события в одной и той же точке пространства, если они имели место в разные моменты времени. Абсолютного положения в пространстве, о котором говорил Аристотель, не существует.
Однако время в рамках классической физики по-прежнему представлялось абсолютным, то есть существующим отдельно от пространства и никак от него не зависящим. Считалось, что промежуток времени между двумя событиями можно однозначно измерить, и не важно, кто это измерение производит — результат все равно будет одинаковым (конечно, если при измерении пользовались исправными часами).
Кроме того, считалось, что все моменты времени в прошлом, настоящем или будущем равноправны между собой. Но это значило бы, что время обратимо. С появлением термодинамики и ее второго закона у времени возникает выделенное направление. Согласно этому закону, энтропия (или беспорядок) в замкнутых системах со временем не может уменьшаться, а может только возрастать или оставаться прежним. Превращение, например, упавшей чашки в кучу обломков на полу соответствует переходу от меньшего беспорядка к большему, а значит, отвечает второму закону термодинамики. Обратное же превращение приводит к уменьшению беспорядка и запрещено этим законом, а значит, запрещено и движение времени в обратном направлении, от будущего к прошлому.
Мы не ставим перед собой цель дать всеобъемлющее изложение той или иной научной проблемы. Мы ищем интересные факты и пытаемся излагать сложные темы максимально просто с минимальными потерями. Приятного чтения!
В 1676 году датский астроном Оле Рёмер, наблюдая за спутниками Юпитера, доказал, что свет распространяется с конечной скоростью, а в 1865 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что эта скорость должна быть постоянна. Через два года американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли экспериментально подтвердили выводы Максвелла. Это противоречило теории Ньютона, согласно которой время прохождения света из одной точки в другую должно быть одинаково для всех наблюдателей (потому что время абсолютно), а вот пройденный им путь у разных наблюдателей может оказаться разным (потому что пространство не абсолютно). Из всего этого следует, что скорость света может быть разной.
Объяснение результатам Майкельсона и Морли дала специальная теория относительности, сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Согласно этой теории, абсолютна как раз скорость распространения света, а время, как и пространство, относительно. У каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, которое измеряется с помощью его часов, причем показания часов разных наблюдателей не обязаны согласовываться между собой. Разные наблюдатели, перемещающиеся друг относительно друга, припишут одному и тому же событию разное время и положение в пространстве, причем невозможно сказать, что кто-то из наблюдателей прав, а остальные — нет.
В 1915 году Эйнштейн создает теорию гравитации, согласующуюся со специальной теорией относительности — общую теорию относительности. Из нее следует, что на свет, который распространяется вблизи массивного тела, действует гравитационное поле этого тела, из-за чего изменяется энергия света, а следовательно, и его частота, поскольку частота и энергия света связаны определенным соотношением, которое должно всегда соблюдаться. Например, если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию и его частота (то есть число световых волн в единицу времени) уменьшается. Наблюдателю, который находится на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее, чем наверху, что и было подтверждено в 1962 году экспериментом с двумя высокоточными часами, одни из которых находились на большой высоте над земной поверхностью. «Нижние» часы действительно шли медленнее.
Интересно, что у инков не было отдельного представления о времени, и отдельного — о пространстве. В их представлениях, задолго до Эйнштейна, время и пространство совмещались друг с другом в одном слове «пача», это время-пространство было бесконечным, шло по кругу и делилось на «пача», означавшее «настоящее», и «ньавпа-пача», что означало как прошлое или будущее время, так и пространство впереди.
Не видели разницы между пространством и временем индейцы хопи. Познакомившись с ними, Альберт Эйштейн как-то заметил, что эти люди как никто способны понять теорию относительности.