Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

Рис. 3

Есть и другие законы эвклидовой геометрии, которым не подчиняется то, что происходит на поверхности Земли. Например, сумма внутренних углов треугольника больше не равна 180 градусам, а направленные с севера на юг линии, которые параллельны на экваторе, пересекаются на полюсах. Но если эвклидова геометрия больше не используется, то как рассчитать расстояния в искривленном пространстве, например на поверхности Земли? Один из способов – работать непосредственно с глобусом и измерять расстояния с помощью веревки. При этом выполняется корректный учет кривизны Земли. Пилот может натянуть кусок веревки между двумя городами на глобусе, измерить его длину линейкой, а затем вычислить ответ, учитывая отношение размеров глобуса и Земли. Но у нас под рукой может и не быть глобуса, или нам нужно написать компьютерную программу для управления самолетом. В любом случае требуется инструмент получше, чем веревка, так что следует вывести уравнение, показывающее, чему равно расстояние между двумя точками на земной поверхности, если известны только их широта и долгота, а также размеры и форма Земли. Такое уравнение вывести несложно, и если вы немного знакомы с математикой, то можете попробовать сделать это самостоятельно. Нам не нужно записывать здесь это уравнение – главное, что оно существует и имеет мало общего с эвклидовой геометрией плоского пространства. Тем не менее оно позволяет вычислить кратчайшее расстояние между двумя точками на сфере почти так же, как теорема Пифагора дает возможность определить кратчайшее расстояние между двумя точками (гипотенузу) на плоскости, если мы знаем расстояние между точками, измеренное вдоль координатных осей. Поскольку термин «прямая линия» относится к эвклидовой геометрии, введем новый термин для кратчайшего расстояния между двумя точками, применимый независимо от того, о каком пространстве идет речь – плоском или искривленном. Такая линия называется геодезической . К категории геодезических линий относится как большая окружность на поверхности Земли, так и прямая линия на плоскости. То же самое касается и расстояний в трехмерном пространстве. Теперь нам нужно решить, как измерять расстояния в пространстве-времени, так что давайте пойдем дальше и добавим к пространству время.

Мы уже ввели необходимые концепции, когда приводили пример с утренним пробуждением и завтраком на кухне. Расстояние в пространстве от кровати в спальне до стола на кухне составляет 10 метров. Можно также сказать (как бы странно это ни звучало), что расстояние во времени между пробуждением и окончанием завтрака равно одному часу. При обычных обстоятельствах мы рассуждаем о времени не так, поскольку не привыкли описывать его на языке геометрии. Мы скорее сказали бы следующее: «От момента, когда я проснулся, до окончания завтрака прошел один час». Точно так же мы говорим: «Встав с кровати, я должен пройти 10 метров до стула на кухне». Пространство есть пространство, время есть время, они не сомкнутся нигде [20]. Но мы поставили перед собой задачу объединить их, потому что предполагаем, что это единственный способ обеспечить соответствие Максвеллу и Эйнштейну. Так что давайте действовать и посмотрим, куда это нас приведет. Если вы не относитесь к числу ученых, то, возможно, эта часть книги окажется для вас наиболее сложной, поскольку мы рассуждаем сугубо абстрактно. Абстрактное мышление обеспечивает силу и мощь науки, но при этом придает ей репутацию очень непростого занятия, ибо в повседневной жизни данный подход требуется крайне редко. Мы уже сталкивались с довольно сложной абстрактной концепцией электромагнитного поля, и по сравнению с ней абстракция, которая необходима для объединения пространства и времени в одно целое, гораздо проще.

Говоря о «расстоянии во времени», мы неявно вводим дополнительное измерение. Мы привыкли к слову «трехмерный», как в выражении «трехмерное пространство», поскольку оно отображает тот факт, что обычное пространство имеет три измерения: вверх-вниз, влево-вправо, вперед-назад. Добавляя в эту схему время, для того чтобы определить расстояние в пространстве-времени, мы, по сути, создаем четырехмерное пространство. Безусловно, размерность времени ведет себя не так, как размерность пространства. Мы обладаем полной свободой перемещения в пространстве и только одним способом перемещения во времени. Кроме того, наше ощущение времени никак не связано с ощущением пространства. Но это не должно быть для нас непреодолимым препятствием. Думать о времени как «еще об одном измерении» – очередной уровень абстракции, который мы должны принять. Если это звучит для вас слишком сложно, попробуйте представить себя плоским созданием, передвигающимся только вперед, назад, вправо и влево. Вы живете в плоском мире, и для вас не существует понятий «вверх» и «вниз». Если кто-то попросит вас представить третье измерение, ваш плоский ум будет неспособен это сделать. Но если у вас математический склад ума, вы можете это принять. В любом случае, даже если вы не в состоянии мысленно представить себе это дополнительное измерение, вы сможете описать его математически. Точно так же люди воспринимают четвертое измерение. По мере прочтения книги вы все больше привыкнете думать о времени как об «еще одном измерении». Когда студенты, планирующие изучать физику, впервые приходят в Манчестерский университет, мы стараемся объяснить им, что каждый может запутаться и увязнуть в каком-то вопросе. Мало кто понимает сложные концепции с первого раза, поэтому единственный способ разобраться в них – двигаться вперед небольшими шажками. То есть, как сказал бы Дуглас Адамс: «Без паники!» [21]