Нерелятивистская классическая механика рассматривает время как универсальную величину измерения, которая едина повсеместно, и при этом отделена от пространства. Классическая механика предполагает, что время имеет постоянную скорость течения (что бы это ни значило), не зависящую от состояния движения наблюдателя или чего-либо внешнего. Более того, она предполагает, что пространство является евклидовым; она предполагает, что пространство, так сказать, следует геометрии здравого смысла.

В контексте специальной теории относительности время не может быть отделено от трёх измерений пространства, поскольку наблюдаемая скорость прохождения времени для объекта зависит от скорости объекта относительно наблюдателя. Общая теория относительности также объясняет, как гравитационные поля могут замедлять течение времени для объекта, наблюдаемого наблюдателем вне поля.

В обычном пространстве положение задаётся тремя числами – измерениями, которые в декартовой системе координат обычно называются x, y и z. Положение в пространстве-времени называется «событием» и требует указания четырёх чисел: трёхмерного положения в пространстве и положения во времени. Событие представлено набором координат x, y, z и t. Таким образом, пространство-время является четырёхмерным.

Путь частицы через пространство-время можно рассматривать как последовательность событий. Ряд событий может быть связан между собой и образовать линию, которая представляет собой движение частицы в пространстве. Эта линия называется мировой линией частицы.


С математической точки зрения, пространство-время является многообразием, т.е. вблизи каждой точки оно локально «плоское», подобно тому как при достаточно малых масштабах земной шар кажется плоским. Масштабный коэффициент c (условно называемый скоростью света) связывает расстояния, измеренные в пространстве, с расстояниями, измеренными во времени. Величина этого масштабного фактора (почти 300 000 км в пространстве эквивалентны одной секунде во времени), а также тот факт, что пространство-время является многообразием, подразумевают, что при обычных, нерелятивистских скоростях и на обычных для человека расстояниях человек мало что может наблюдать, что заметно отличается от того, что он мог бы наблюдать, если бы мир был евклидовым. Только с появлением в середине 1800-х годов чувствительных научных измерений, таких как опыт Физо и опыт Майкельсона-Морли, стали отмечаться озадачивающие расхождения между наблюдениями и предсказаниями, основанными на неявном предположении о евклидовом пространстве.

В специальной теории относительности под наблюдателем в большинстве случаев понимается система отсчёта, из которой измеряется набор объектов или событий. Представим, что рассматриваемая система отсчёта снабжена плотной решёткой часов, синхронизированных в этой системе отсчёта, которая простирается неограниченно по всему трёхмерному пространству. Конкретное местоположение внутри решётки не имеет значения. Решётка часов используется для определения времени и положения событий, происходящих в рамках всей системы отсчёта. Термин «наблюдатель» относится ко всему ансамблю часов, связанных с одной инерциальной системой отсчёта. В этом идеализированном случае с каждой точкой пространства связаны часы, и поэтому часы регистрируют каждое событие мгновенно, без временной задержки между событием и его регистрацией. Однако реальный наблюдатель будет видеть задержку между излучением сигнала и его обнаружением, обусловленную скоростью света. Для синхронизации часов при редукции данных после эксперимента время получения сигнала корректируется таким образом, чтобы отразить реальное время его регистрации идеализированной решёткой часов.


Физики различают то, что измеряют или наблюдают (после учёта задержек распространения сигнала), и то, что видят визуально без таких поправок. Непонимание разницы между тем, что измеряют/наблюдают, и тем, что видят, является источником многих ошибок.

Однако мы можем задаться вопросом – а какова физическая природа пространства-времени? Является ли оно реальной, физической вещью, как атомы, или это всего лишь расчётный инструмент, который мы используем для получения правильных ответов о движении и поведении материи во Вселенной?

На фундаментальном уровне мы долгое время предполагали, что если взять всё, что есть во Вселенной, и разрезать его на всё более мелкие составляющие, то, в конце концов, получится нечто неделимое. В буквальном смысле именно это означает слово «атом»: от греческого ἄτομος — неразрезаемый. Первое упоминание об этой идее относится к Демокриту Абдерскому, но вполне возможно, что она возникла ещё раньше, примерно 2400 лет назад. Такие «неразрезаемые» сущности действительно существуют; каждая из них известна как квантовая частица. Несмотря на то, что мы взяли название «атом» для элементов периодической таблицы, на самом деле неделимыми являются субатомные частицы — кварки, глюоны, электроны (а также частицы, которые вообще не встречаются в атомах).

Эти кванты, соединяясь друг с другом, образуют все известные нам сложные структуры во Вселенной — от протонов до атомов, молекул и человека. И всё же, с какими бы типами квантов мы ни имели дело — веществом или антивеществом, массивными или безмассовыми, фундаментальными или составными структурами, в субатомных или космических масштабах, — эти кванты существуют только в рамках той же Вселенной, что и мы.

Это очень важно, поскольку для того, чтобы «вещи» в вашей Вселенной могли взаимодействовать друг с другом — связываться, образовывать структуры, передавать энергию и т.д., — необходимо, чтобы различные вещи, существующие во Вселенной, могли влиять друг на друга. Это похоже на пьесу, где все персонажи прописаны, все актёры готовы их сыграть, все костюмы готовы, все реплики написаны и заучены. Единственное, чего не хватает, но очень необходимо для постановки пьесы, — это сцена.

Что же это за сцена в физике?

Когда-то правила сцены были заложены Ньютоном. Все «действующие лица» во Вселенной можно описать набором координат: местоположение в трёхмерном пространстве (позиция) и момент времени (мгновение). Это можно представить себе как декартову сетку: трёхмерная структура с осями x, y и z, где каждый квант может также иметь импульс, описывающий его движение в пространстве как функцию времени. Само время предполагалось линейным, всегда протекающим с одной и той же скоростью. В представлении Ньютона и пространство, и время были абсолютными.

Однако открытие радиоактивности в конце XIX века заставило учёных усомниться в правильности этой картины. Тот факт, что атомы могут испускать субатомные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, позволил нам узнать нечто интересное: когда частица движется со скоростью, близкой к скорости света, она воспринимает пространство и время совершенно не так, как медленно движущаяся или находящаяся в состоянии покоя частица.

Нестабильные частицы, которые в состоянии покоя распадались бы очень быстро, жили тем дольше, чем ближе к скорости света они двигались. Те же частицы, прежде чем распасться, преодолевают большие расстояния, чем можно было бы предположить по их скоростям и времени жизни. А если попытаться вычислить энергию или импульс движущейся частицы, то разные наблюдатели (т.е. люди, наблюдающие за частицей и движущиеся относительно неё с разными скоростями) вычислят значения, не согласующиеся друг с другом.

Видимо, что-то было не так с ньютоновской концепцией пространства и времени. При скоростях, близких к скорости света, время удлиняется, длины сокращаются, а энергия и импульс зависят от времени. Короче говоря, восприятие Вселенной зависит от вашего движения сквозь неё.


Эйнштейн был ответственен за замечательное открытие концепции относительности, которая определила, какие величины являются инвариантными и не меняются при движении наблюдателя, а какие зависят от системы отсчёта. Например, скорость света одинакова для всех наблюдателей, так же как и масса покоя любого кванта материи. Но пространственное расстояние, которое вы воспринимаете между двумя точками, очень сильно зависит от вашего движения вдоль направления, соединяющего эти точки. Точно так же скорость хода часов при перемещении из одной точки в другую также зависела от вашего движения.

Пространство и время не были абсолютными, как полагал Ньютон, а воспринимались разными наблюдателями по-разному: они были относительными. Более того, между тем, как каждый конкретный наблюдатель ощущает пространство, и тем, как он ощущает время, существовала определённая взаимосвязь, которую через несколько лет после создания Эйнштейном специальной теории относительности установил его бывший профессор Герман Минковский, создавший единую математическую структуру, охватывающую пространство и время вместе: пространство-время. Как выразился сам Минковский,

«Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены превратиться в тени, и только некое их объединение позволит сохранить независимую реальность».

Сегодня это пространство-время по-прежнему используется в качестве сцены, на которой мы пренебрегаем гравитацией: пространство Минковского.

Но в нашей реальной Вселенной существует гравитация. Гравитация — это не сила, действующая мгновенно на любом расстоянии, а воздействие, распространяющееся с той же скоростью, с которой движутся все безмассовые кванты: со скоростью света. Все правила, сформулированные в специальной теории относительности, по-прежнему применимы к Вселенной, но для того, чтобы ввести гравитацию, потребовалось нечто дополнительное: представление о том, что само пространство-время имеет внутреннюю кривизну, зависящую от наличия в нём материи и энергии.

В определённом смысле всё просто: когда на сцену выходят несколько актёров, сцена должна выдержать вес самих актёров. Если актёры достаточно массивны, а сцена не является идеально жёсткой, то сама сцена будет деформироваться под воздействием актёров.

Аналогичное явление происходит и с пространством: наличие материи и энергии искривляет его, и эта кривизна влияет как на расстояния (пространство), так и на скорость хода часов (время). Более того, она влияет на оба этих явления сложным образом: если подсчитать, как материя и энергия влияют на пространство-время, то окажется, что «пространственный» эффект и «временной» эффект связаны. Вместо трёхмерных линий сетки, которые мы представляли себе в специальной теории относительности, в общей теории относительности эти линии сетки теперь искривлены.

При желании можно представить пространство-время, как чисто вычислительный инструмент и остановиться на этом. С математической точки зрения любое пространство-время может быть описано метрическим тензором — формализмом, позволяющим вычислить, каким образом могут быть определены любое поле, линия, дуга, расстояние и т.д. Пространство может быть плоским или искривлённым произвольным образом; пространство может быть конечным или бесконечным; пространство может быть открытым или замкнутым; пространство может содержать любое число измерений. В общей теории относительности метрический тензор — четырёхмерный (с тремя измерениями пространства и одним измерением времени), а кривизна пространства-времени определяется веществом, энергией и напряжённостями, присутствующими в нём.

Говоря простым языком, содержимое вашей Вселенной определяет, как искривлено пространство-время. Затем вы можете взять кривизну пространства и использовать её для предсказания того, как каждый квант материи и энергии будет перемещаться и эволюционировать в вашей Вселенной. Правила общей теории относительности позволяют нам предсказать, как материя, свет, антиматерия, нейтрино и даже гравитационные волны будут перемещаться по Вселенной, и эти предсказания прекрасно согласуются с тем, что мы наблюдаем и измеряем.

Но что мы не можем измерить, так это само пространство-время. Мы можем измерять расстояния и временные интервалы, но это лишь косвенные признаки лежащего в основе пространства-времени. Мы можем измерить всё, что взаимодействует с нами — наши тела, наши приборы, наши детекторы и т.д., — но взаимодействие происходит только тогда, когда два кванта занимают одну и ту же точку пространства-времени: когда они встречаются в «событии».

Мы можем измерить все эффекты, которые искривлённое пространство-время оказывает на материю и энергию во Вселенной, в том числе:

• красное смещение излучения вследствие расширения Вселенной,
• искривление света из-за наличия массы на переднем плане (гравитационное линзирование),
• увлечение инерциальных систем отсчёта вращающимся телом,
• дополнительная прецессия орбит из-за гравитационных эффектов, выходящих за рамки предсказанных Ньютоном,
• как свет приобретает энергию при углублении в гравитационное поле и теряет её при выходе из него,

и многие, многие другие. Но тот факт, что мы можем измерить только влияние пространства-времени на материю и энергию во Вселенной, а не само пространство, говорит о том, что пространство-время ведёт себя неотличимо от чисто расчётного инструмента.


Но это не означает, что само пространство-время не является физически реальной сущностью. Если у вас есть актёры, играющие спектакль, то вы с полным основанием назовёте место, где происходит спектакль, «их сценой», даже если это будет просто поле, площадка, голая земля и т.д. Даже если бы спектакль происходил в невесомости космоса, вы бы просто отметили, что в качестве сцены они используют свою свободно падающую систему отсчёта.

В физической Вселенной, по крайней мере, в том виде, как мы её понимаем, не может быть квантов или взаимодействий между ними без пространства-времени, в котором они существуют. Там, где существует пространство-время, существуют и законы физики, и фундаментальные квантовые поля, лежащие в основе всей природы. В некотором смысле «небытие» — это вакуум пустого пространства-времени, и говорить о том, что происходит в отсутствие пространства-времени, также бессмысленно — по крайней мере, с точки зрения физики, — как говорить о «где», находящемся вне границ пространства, или о «когда», находящемся вне границ времени. Такая вещь может существовать, но у нас нет физического представления о ней.

Пожалуй, самое интересное, что в вопросе о природе пространства-времени очень много вопросов остаётся без ответа. Являются ли пространство и время по своей природе квантовыми и дискретными, и разделены ли они сами на неделимые «кусочки», или же они непрерывны? Является ли гравитация квантовой по своей природе, как и другие известные силы, или она каким-то образом не является квантовой, и остаётся классической и непрерывной вплоть до планковских масштабов? И если пространство-время чем-то отличается от того, каким оно должно быть согласно общей теории относительности, то чем оно отличается и каким способом мы сможем это обнаружить?

Но, несмотря на всё то, что пространство-время позволяет нам предсказывать и знать, оно не является реальным в том смысле, в котором реален атом. Вы не можете ничего сделать, чтобы «обнаружить» пространство-время напрямую; вы можете обнаружить только отдельные кванты материи и энергии, которые существуют в пространстве-времени. Мы вывели описание пространства-времени в форме общей теории относительности Эйнштейна, которое может успешно предсказать и объяснить все физические явления, которые мы когда-либо наблюдали или измеряли, но что именно это такое — и является ли оно «реальным» или нет — это вопрос, на который наука пока не нашла ответа.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх ????️