Таємниці походження всесвіту - Лоуренс Максвелл Краус

Так само, коли я фотографую чудовий краєвид, як щойно в Північній Ірландії, де я почав писати цей розділ, сцена, яку я зафіксував, тягнеться не лише в просторі, а радше в просторі і часі. Світло з віддалених приблизно на кілометр стовпоподібних скель Дороги Гігантів відбилося від них задовго (приблизно за тридцять мільйонних секунди) до того, як світло відбилося від людей на передньому плані, що видираються на шестикутні лавові плато, при цьому досягши моєї камери одночасно з ним.

Збагнувши це, Ейнштейн спитав себе, як дві події, які з точки зору одного користувача відбуваються у двох місцях одночасно, виглядатимуть для іншого спостерігача, який під час спостереження рухається щодо першого. У прикладі, який він розглядав, фігурували поїзди, оскільки він жив у Швейцарії в ті часи, коли майже щоп’ять хвилин із якоїсь швейцарської станції вирушали потяги практично в кожен інший куточок країни.

Уявіть собі зображену нижче картину, на якій блискавка вражає дві точки поблизу кінців поїзда, рівновіддалені від спостерігача А, який стосовно цих точок перебуває в стані спокою, та спостерігача Б, який сидить у поїзді, що рухається й проїжджає повз А в ту мить, коли, як пізніше встановлює А, відбулися удари блискавок:

Дещо пізніше А бачить два спалахи блискавки, що досягають його одночасно. Проте Б за цей час змістився. Тож світлова хвиля, що несе інформацію про правий спалах, уже встигла пройти повз Б, а світло, що несе інформацію про лівий спалах, іще до нього не дісталося.

Б бачить світло з обох кінців свого поїзда, і для нього спалах попереду відбувається до спалаху позаду. Оскільки він виміряв, що світло рухається до нього зі швидкістю с, а сам він перебуває посередині поїзда, він робить висновок, що правий спалах мав статися раніше за лівий.

Хто з них має рацію? Ейнштейну стало зухвалості стверджувати, що мають рацію обидва спостерігачі. Якби швидкість світла була подібна до інших швидкостей, Б, звісно, побачив би одну з хвиль раніше за іншу, проте він також побачив би, що вони прямують до нього з різними швидкостями (та, назустріч якій він рухався, наближалася б швидше, а та, від якої він рухався, – повільніше), і зробив би з цього висновок, що події трапилися одночасно. Проте оскільки згідно з вимірюваннями Б обидва промені світла наближаються до нього з однаковою швидкістю с, реальність, яку він собі вибудовує, зовсім інша.

Як зазначив Ейнштейн, для визначення того, що ми розуміємо під різними фізичними величинами, усе залежить від вимірювання. Можливо, уявити собі реальність, незалежну від вимірювання, було б цікавою філософською вправою, проте з наукової точки зору це безплідна лінія досліджень. Якщо А і Б обидва перебувають в одному місці в той самий час, вони обидва мають у цю мить виміряти те саме, проте якщо вони перебувають на відстані один від одного, майже все різко змінюється. Будь-яке вимірювання, яке може провести Б, каже йому, що подія в передньому кінці поїзда сталася раніше за подію в задньому, тоді як будь-яке вимірювання, яке виконує А, каже йому, що події сталися одночасно. Оскільки ані А, ані Б не можуть перебувати в обох місцях одночасно, їхні вимірювання часу в різних місцях залежать від спостережень у цих місцях, і, якщо ці спостереження ґрунтуються на інтерпретації того, що показує світло від цих подій, їхні визначення того, які з подій у різних місцях сталися одночасно, відрізнятимуться, при цьому вони обидва матимуть рацію.

«Тут» і «зараз» є універсальними лише для тут і зараз, проте не для «там» і «тоді».

Я не просто так написав, що різко змінюється «майже все». Хай як би химерно не виглядав наведений вище приклад, насправді все може бути значно химернішим. Інший спостерігач, В, що їде поїздом у протилежному до Б напрямку по третій колії, попри А та Б, дійде висновку, що подія ліворуч (у передній частині його поїзда) сталася раніше за подію праворуч. Іншими словами, спостерігачі Б та В побачать події в оберненому порядку. Що для одного було «до», для другого буде «після».

У зв’язку з цим постає очевидна велика проблема. У світі, у якому, на переконання більшості з нас, ми живемо, причини стаються перед наслідками. Але якщо «до» та «після» можуть мінятися залежно від спостерігача, то що відбувається з причиною та наслідком?

На диво, усесвіт має щось на зразок вбудованої пастки-22, яка гарантує, що, хоча нам слід тримати розум відкритим для сприйняття реальності, нема потреби, як любив казати видавець «New York Times», відкривати його настільки, щоб мозок випадав. У цьому випадку Ейнштейн продемонстрував, що обернення впорядкування часу віддалених подій, зумовлене сталістю швидкості світла, можливе лише тоді, коли події рознесені достатньо далеко, щоби променю світла знадобилося більше часу для подолання відстані між ними, ніж становить визначений часовий інтервал між цими подіями. Тоді, якщо ніщо не може рухатися швидше за світло (а саме таким виявляється ще один наслідок із зусиль Ейнштейна узгодити Галілея з Максвеллом), жоден сигнал від однієї події ніколи не зможе надійти так швидко, щоби вплинути на іншу подію, тож перша подія не може бути причиною другої.

Але як бути з двома різними подіями, що відбуваються в одному місці з певним часовим інтервалом? Чи виникнуть у різних спостерігачів суперечки стосовно них? Щоби проаналізувати цю ситуацію, Ейнштейн уявив собі встановлений у поїзді ідеалізований годинник. Годинник тікає щоразу, як промінь світла, що відбився від годинника на одному боці поїзда, відбивається від встановленого на протилежному його боці дзеркала та повертається назад до годинника на стартовому боці поїзда (див. нижче).

Припустімо, що кожен оберт променя (тік годинника) триває мільйонну частку секунди. Тепер розглянемо спостерігача на землі, який бачить цей самий оберт. Оскільки поїзд рухається,