Как же в рамках такой концепции можно использовать упомянутую ранее идею о взаимосвязи пространства, времени и материи? Ясно, что надо предположить существование особого рода материи, который является «носителем» и «создателем» пространственно-временных масштабов. Именно такое развитие получила ньютоновская (впоследствии ее стали называть "классическая") картина мира после включения в нее законов электромагнетизма. В XIX веке значительное распространение получила теория эфира – специальной среды, в которую погружен весь мир, движения частиц которой создают силы, действующие на электрические заряды. В частности, электромагнитные волны (свет, тепловое излучение, радиоволны и т.д.) тогда являются просто распространяющимися колебаниями частиц эфира. Естественно считать эфир пространственно-временной субстанцией – тогда абсолютной системой отсчета является та, относительно которой эфир в целом покоится. Теория эфира очень удачно описывала многие явления, но в начале ХХ столетия были обнаружены и некоторые проблемы. Дело в том, что отождествление в эфире светоносной среды и носителя геометрических свойств создает возможность с помощью наблюдения за светом обнаружить абсолютное движение любого тела (т.е. его движение относительно абсолютной системы отсчета). Для этого достаточно точно измерить скорость распространения света в разных направлениях: если эта скорость имеет фиксированное значение относительно эфира, то для движущегося по отношению к эфиру наблюдателя и поэтому минимум и максимум величины скорости света должны быть c-vн и c+vн соответственно. Однако экспериментально это различие обнаружить не удалось. Все эксперименты свидетельствовали о том, что скорость света относительно наблюдателя всегда имеет одно и то же значение! Необычность этого результата достаточно просто почувствовать: вообразите себе, что сделали один шаг навстречу кому-либо, он, в свою очередь, сделал три шага Вам навстречу, и в результате Вы с ним приблизились друг к другу … всего лишь на три шага. Ясно, что такое явление не согласуется с нашими представлениями о сложении длин перемещений: принятие постоянства скорости света в качестве постулата требует пересмотра представлений о пространстве и времени. Именно такой пересмотр Эйнштейн осуществил в специальной теорией относительности (СТО). Стартовав в факта постоянства скорости света в любой системе отсчета, он проследил за тем, как надо видоизменить уравнения физических теорий. Эти новые теории составили новую – релятивистскую – физику. Но значительно важнее было то, что впервые в истории науки в СТО надо было видоизменять и геометрию. Для начала пришлось признать, что течение времени и пространственные масштабы изменяются при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Одно из первых экспериментальных подтверждений такого изменения было обнаружено при изучении космических лучей. Так называют потоки частиц, летящих из космоса (большей частью от Солнца). При их взаимодействии с верхними слоями атмосферы Земли на высоте 8-10 км рождаются мюоны – элементарные частицы, время жизни которых в состоянии покоя равно примерно 2.2·10-6 с. На первый взгляд, эти частицы не должны долетать до поверхности Земли – ведь они движутся медленнее, чем свет (скорость которого около 3·108 м/с). Тем не менее их часто регистрируют в земных лабораториях. С точки зрения СТО объяснение этого факта состоит в том, что с точки зрения земного наблюдателя время для мюона течет медленнее, причем это замедление тем заметней, чем ближе скорость мюона к скорости света. В результате мы обнаруживаем, что движущийся относительно нас с околосветовой скоростью мюон живет намного дольше, чем покоящийся. Кроме того, при записи релятивистских законов физики оказалось, что пространственные и временная координаты некоторого события не являются независимыми: формулы пересчета координат при переходах между системами отсчета «перепутывают» их. Поэтому два события в разных точках пространства, одновременные с точки зрения наблюдателя из некоторой инерциальной системы отсчета, могут оказаться неодновременными для наблюдателя из другой инерциальной системы отсчета. Это означает, что в релятивистской геометрии надо рассматривать трехмерное пространство и одномерное время не по отдельности, а как разные координаты единого четырехмерного пространства-времени. В честь польского математика, первым обратившего внимание на этот аспект теории относительности, построенную на базе законов СТО геометрию теперь называют геометрией Минковского. Чтобы точнее представит себе устройство четырехмерного мира, разберем более простой двумерный пример. Рассмотрим двумерную поверхность текущей жидкости, по которой несет соломинку, лежащую поперек течения. Пусть на этой соломинке обитает гипотетическое существо, способное самостоятельно перемещаться только по соломинке и способное видеть только объекты, лежащие на прямой, проходящей через соломинку. Мир этого существа двумерен, но оно явно будет считать доступное его исследованию пространство (то есть соломинку) одномерным. Оно может выбрать эталон и ввести единицу измерения длины вдоль соломинки. Свое движение по второй координате наше существо вполне может заметить по некоторому изменению процессов в своем пространстве, связанному с изменением положения соломинки. Если в чередовании этих изменений будет некая периодичность, оно даже может установить связанный с обнаруженным периодом эталон и проводить измерения перемещений по второй координате. И хотя обе величины (расстояния по первой и второй координате) одной физической природы, единицы измерения могут быть разными, да и восприятие их существом тоже будет разным – просто потому, что оно вдоль одной координатной оси способно видеть и контролировать свои перемещения, а вдоль другой – нет. Мы же, наблюдая за этим детищем своей фантазии из своего трехмерия, видим условность разделения координат. С нашей точки зрения существо перемещается по некоторой двумерной кривой – мировой линии на поверхности потока. Но не будем излишне строги к нашему существу, ибо с точки зрения специальной теории относительности (СТО )мы очень на него похожи, только наша «соломинка» трехмерна и безгранична – это наше евклидово пространство. То, что свойства времени нам кажутся отличными от свойств пространства есть просто особенность нашего восприятия – мы не можем одновременно видеть разные моменты времени и не управляем своим перемещением по оси времени.
В этом месте я обязан сделать некоторое отступление от общей линии изложения. Я избегаю использования формул. Однако для правильного понимания ситуации читатель не должен забывать, что в соответствии со стандартами научности физика не может обходиться без формул. Никакая идея в физике не была принята только благодаря своей красоте. Красота может привлечь к себе внимание, но признание идея получает только тогда, когда на ее основе строится математический аппарат, позволяющий на языке чисел предсказывать результаты измерений. Может быть, идеи СТО покажутся Вам экзотическими или даже не понравятся. Но на основании ее формул было произведено огромное количество вычислений законов движения релятивистских частиц, результаты которых весьма убедительно подтверждались в экспериментах. Это отступление нужно помнить и в дальнейшем, когда я буду с помощью качественных образов рассказывать о еще более экзотических и сложных идеях.
Итак, СТО она произвела два важных изменения в нашем отношении к проблеме пространства и времени. Во-первых, она отказалась от отождествления светоносного эфира с пространственно-временной субстанцией и тем самым указала нам на необходимость поиска нового материального носителя для пространства-времени. Во-вторых, она заставила нас признать, что описание пространства и времени, построенное на базе «здравого смысла» (т.е. нашего повседневного опыта), может быть неверным. С точки зрения СТО наша привычная геометрия есть нерелятивистское приближение более точной геометрии Минковского. Своеобразное объединение этих идей стало отправной точкой для следующего шага Эйнштейна – построения общей теории относительности (ОТО). Отметим, что, несмотря на схожесть названий и отмеченную идеологическую связь, общая и специальная теории относительности радикально отличаются друг от друга.
В ОТО Эйнштейн предлагает вообще отказаться от поиска специальной пространственно-временной субстанции, и вместо этого считать, что ею является вся материя вообще. В этом случае известные нам пространство и время принадлежат всему нашему миру и неотделимы от него (как и в упомянутом выше рассуждении св. Августина). Кроме того, в ОТО предлагается считать, что в нашем мире не существует гравитационного взаимодействия, а все видимые его проявления – от падения яблока до обращения галактик вокруг общего центра масс – связать с геометрическими свойствами пространства и времени. Как же возможно заменить взаимодействие геометрией? Для ответа на этот вопрос еще раз обратимся к упрощенному примеру. Снова вообразим себе
существо, пространство-время которого двумерно. Но теперь будем считать, что это двумерное пространство-время является поверхностью сферы, причем поток времени несет существо от одного полюса к другому. Таким образом, пространственная координатная ось для каждого тела направлена по параллели, а ось времени – по меридиану сферы. Занявшись исследованием движения пробных тел, существо может построить механику, аналогичную ньютоновской (ввести понятия массы, силы и т.д.). Рассмотрим поставленный им эксперимент по наблюдению за движением двух покоящихся точечных пробных тел, начатый, например, при пересечении ими экватора сферы. Ясно, что в отсутствие внешних сил тела будут перемещаться с потоком времени по меридианам. Но при этом существу будет казаться, что они сближаются! Оно может измерить их относительное ускорение и считать, что оно связано с силой, действующей со стороны каждого из тел на другое. Взяв для удобства исследования одно из тел очень тяжелым (чтобы связать с ним почти инерциальную систему отсчета), а другое – легким и проводя эксперимент для разных легких тел, существо обнаружит, что ускорение не зависит от химического состава и массы тела (что вполне естественно, так как это ускорение на самом деле не связано ни с каким взаимодействием, а есть следствие геометрического устройства пространства-времени). Тогда, подобно Ньютону, наш воображаемый исследователь решит, что в его мире есть универсальная сила, пропорциональная массам тел (чтобы ускорение не зависело от массы) и притягивающая все тела друг к другу. И снова мы можем улыбнуться его рассуждениям, ибо нам известно подлинная причина появления ускорения. Но с точки зрения Эйнштейна мы тоже приняли искривленность нашего четырехмерного пространства-времени за универсальное гравитационное взаимодействие, то есть совершили ту же ошибку! И тогда, возможно, некое пятимерное существо может улыбнуться, слушая наши рассуждения о законе всемирного тяготения.