Сабина Хоссенфельдер (1976 год — ) — немецкий физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований, специалист в области квантовой гравитации рассуждает о теории относительности и относительности восприятия: Тот факт, что течение времени не является универсальным, уже сбивает с толку, но это не все. Скорость света очень велика, но конечна, свету требуется время, чтобы добраться до нас.
Поэтому, строго говоря, мы всегда видим вещи такими, какими они выглядели немного раньше. Опять же, обычно мы не замечаем этого в повседневной жизни. Свет распространяется так быстро, что это не имеет значения на коротких расстояниях на Земле. Например, если вы посмотрите на облака, вы на самом деле увидите облака такими, какими они выглядели миллионную долю секунды назад. Это не имеет большого значения, не так ли? Мы видим Солнце таким, каким оно выглядело восемь минут назад, но поскольку Солнце обычно не меняется так сильно за несколько минут, время прохождения света не имеет большого значения. Если вы посмотрите на Полярную звезду, вы увидите ее такой, какой она была 434 года назад.
Этот временной лаг между моментом, когда что-то происходит и нашим восприятием реальности имеет далеко идущие последствия. Опять же, проблема в том, что течение времени не является универсальным. Если вы спросите, что произошло «в то же время» в другом месте — например, что именно вы делали, когда Солнце излучало свет, который вы видите сейчас, — на этот вопрос не будет осмысленного ответа.
Эта проблема известна как относительность одновременности (одновременными называют события, которые произошли в один и тот же момент времени) и ее хорошо проиллюстрировал сам Эйнштейн. Чтобы понять, как это происходит, полезно сделать несколько рисунков пространства-времени. Трудно нарисовать четыре измерения, поэтому я надеюсь, вы извините меня, если я буду использовать только одно измерение пространства и одно измерение времени. Объект, который не перемещается относительно выбранной системы координат, описывается вертикальной прямой линией на этой диаграмме (рис. 1). Эти координаты также называются системой покоя объекта. Объект, движущийся с постоянной скоростью, образует прямую линию, наклоненную под углом. Физики используют угол 45 градусов для скорости света.
Скорость света одинакова для всех наблюдателей и поскольку ее нельзя превысить, физические объекты должны двигаться по линиям, наклоненным менее чем на 45 градусов. Эйнштейн рассуждал следующим образом. Допустим, вы хотите осознать понятие одновременности, используя импульсы лазерных лучей, которые отражаются от зеркал, покоящихся относительно вас. Вы посылаете один импульс вправо и один влево и перемещаете свое положение между зеркалами до тех пор, пока импульсы не вернутся к вам в тот же момент (см. рис. 2а). Тогда вы знаете, что находитесь точно посередине и лазерные лучи попадают в оба зеркала одновременно.
Как только вы это сделаете, вы точно будете знать, в какой момент вашего собственного времени лазерный импульс ударит по обоим зеркалам, даже если вы не можете этого увидеть, потому что свет от тех событий еще не достиг вас. Вы можете посмотреть на часы и сказать: «Сейчас!» Таким образом, Эйнштейн проиллюстрировал понятие одновременности, которое, в принципе, может охватывать всю вселенную. На практике у вас может не хватить терпения ждать возвращения лазерного импульса десять миллиардов лет, но это теоретическая физика.
Теперь представьте, что ваша подруга Сью движется относительно вас и пытается сделать то же самое (рис. 2b). Допустим, она движется слева направо. Сью тоже использует два зеркала, одно справа и одно слева от нее и зеркала движутся вместе с ней с той же скоростью — следовательно, зеркала покоятся относительно Сью, как ваши зеркала относительно вас. Как и вы, она посылает лазерные импульсы в обоих направлениях и позиционирует себя так, чтобы импульсы возвращались к ней с обеих сторон в один и тот же момент. Как и вы, она знает, что импульсы попадают в два зеркала в один и тот же момент и она может рассчитать, какому именно моменту это соответствует. Проблема в том, что она получает другой результат, чем вы.
Два события, которые, по мнению Сью, произошли в одно и то же время, по вашему мнению, не произошли бы в одно и то же время. Это потому, что с вашей точки зрения импульсы движутся к одному из зеркал и от другого. Вам кажется, что время, которое требуется импульсу, чтобы достичь зеркала слева от нее, короче, чем время, которое требуется другому импульсу, чтобы догнать зеркало справа от нее. Просто Сью этого не замечает, потому что на обратных путях импульсов от зеркал происходит обратное.
Импульсу от зеркала слева от Сью требуется больше времени, чтобы догнать ее, в то время как импульс от зеркала справа приходит быстрее. Вы бы заявили, что Сью совершает ошибку, но, по словам Сью, вы совершаете ошибку, потому что для нее вы тот, кто движется. Она бы сказала, что на самом деле ваши лазерные импульсы не попадают в ваши зеркала одновременно. Кто прав? Никто из вас.
Этот пример показывает, что в специальной теории относительности утверждение о том, что два события произошли одновременно, бессмысленно. Стоит подчеркнуть, что этот аргумент работает только потому, что свету не нужна среда для движения, а скорость света (в вакууме) одинакова для всех наблюдателей. Этот аргумент не работает, например, со звуковыми волнами, потому что тогда скорость сигнала действительно не будет одинаковой для всех наблюдателей; вместо этого он будет зависеть от среды, в которой он перемещается. В этом случае один из вас будет объективно прав, а другой — нет. То, что ваше представление о настоящем может не совпадать с моим, — этим мы обязаны Альберту Эйнштейну.
Мы только что установили, что два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, не согласны с тем, что означает, что два события происходят одновременно. Это не только странно, но и полностью разрушает наше интуитивное представление о реальности. Чтобы убедиться в этом, предположим, что у вас есть два события, которые не находятся в причинно-следственной связи друг с другом, а это означает, что вы не можете послать сигнал от одного к другому даже со скоростью света.
Схематически «не в причинно-следственной связи» это просто означает, что если вы проведете прямую линию через два события, угол между линией и горизонталью будет меньше 45 градусов. Но посмотрите еще раз на рисунок 2b. Для двух событий, не находящихся в причинной связи, всегда можно представить себе наблюдателя, для которого все на этой прямой одновременно. Вам просто нужно выбрать скорость наблюдателя так, чтобы точки возврата лазерных импульсов находились на линии. Но если любые две точки, причинно не связанные между собой, происходят для кого-то одновременно, то каждое событие для кого-то происходит «сейчас».
Чтобы проиллюстрировать последний вывод, предположим, что одно событие — это ваше рождение, а другое — взрыв сверхновой. Взрыв причинно не связан с вашим рождением, что означает, что свет от него не достиг Земли в то время, когда вы родились. Затем вы можете представить, что ваша подруга Сью, космическая путешественница, видит эти события в одно и то же время, так что, по ее словам, они произошли одновременно. Предположим далее, что к тому времени, как вы умрете, свет от сверхновой еще не достиг Земли. Тогда ваш друг Пол мог бы найти способ путешествовать посередине между вами и сверхновой, чтобы увидеть вашу смерть и сверхновую одновременно. По словам Пола, они оба произошли одновременно.