Как физики определяют пространство и время
Важный вывод из ньютоновской физики: пространство и время реально существуют вне зависимости от материи и энергии, которые существуют внутри них. Однако философы размышляли об этом задолго до Ньютона. Например, Аристотель считал, что пустое пространство само по себе не существует – где нет материи, там нет и пространства. Гораздо позже Декарт утверждал, что пространство – это не более чем расстояние (или «протяженность») между телами. Согласно этим двум мыслителям пространство внутри пустой коробки существует только благодаря стенкам этой коробки – убери их, и объем внутри уже теряет всякий смысл.
Давайте рассмотрим этот пример поподробнее. А если бы оказалось, что первая коробка заключена в другую, большую по размеру? И можно ли тогда сделать заключение, что это пространство и раньше было «реальным»? А теперь представим, что маленькая пустая коробка – и я действительно имею в виду «пустая», в смысле «ничего не содержащая», с вакуумом внутри – движется в вакууме, содержащемся в большей коробке. Остается ли пустое пространство внутри маленькой коробки неизменным во время ее движения, или коробка занимает различные пространства внутри большей коробки? На этот вопрос легко ответить, если мы заменим «пустое пространство» внутри герметичной маленькой коробки водой. Когда коробочка движется внутри большего объема воды, можно утверждать, что внутри нее сохраняются все те же молекулы воды, причем по мере движения она вытесняет воду снаружи. А что, если там нет воды? И что, если теперь мы уберем физические стенки обеих коробок и все остальное в воображаемой Вселенной так, что останется только пустота? Будет ли эта пустота чем-то значимым? Существует ли пустота для того, чтобы быть заполненной материей, или для того, чтобы быть ограниченной стенками коробки? Возможно, я задаю один и тот же вопрос, просто меняя формулировки, но это только потому, что он совсем не тривиальный.
Исаак Ньютон полагал, что пространство должно существовать для того, чтобы в нем содержалась материя и энергия, чтобы в нем происходили события. Он утверждал: пространство – это пустое ничто, независимо от законов физики, которые управляют поведением материи и энергии внутри этого пространства. Для Ньютона пространство – это холст, на котором написана реальность. Ибо как без пространства – и, конечно же, времени, к которому можно прикрепить события, – приписать событиям координаты, по которым их удалось бы определить? Безусловно, они должны случаться «в определенной точке» пространства и «в определенный момент» времени. Как «застолбить» реальность, если у вас нет абсолютного пространства и времени?
Но прав ли был Ньютон? Сегодня мы можем сказать: и да и нет. (Простите.) Прав в том смысле, что пространство реально – это больше, чем просто расстояние между предметами, как утверждал Декарт. И не прав в том смысле, что пространство существует абсолютно, независимо от того, что оно содержит.
Кажется, что эти два утверждения противоречат друг другу… но это только пока вы не узнаете об эйнштейновской относительности. Эйнштейн доказал, что абсолютное время и абсолютное пространство не существуют как отдельные субстанции. И чтобы разобраться, зачем это следует понимать, я должен познакомить вас с первой из двух теорий относительности.
Специальная теория эйнштейна
Пока Ньютон не завершил работу о законах движения, считалось, что споры о природе времени относятся к области философии и метафизики, а не к настоящей науке. Ньютон описал, как движутся и ведут себя предметы под влиянием разных сил, а поскольку всякое движение или изменение длится во времени, оно должно было стать неотъемлемой частью математического описания мира. Однако ньютоновское время носит абсолютный и неизбежный характер: оно течет с постоянной скоростью, как будто существуют некие воображаемые космические часы, отмеряющие секунды, часы, сутки и года независимо от событий и процессов, происходящих в пространстве. В 1905 году Эйнштейн с треском разрушил ньютоновский мир, показав, как время связано с пространством на глубинном уровне.
