Зададимся простым вопросом: как нам вообще становится известно, что нас окружает пространство? Мы видим, чувствуем предметы на ощупь, воспринимаем акустические колебания, ощущаем запахи. То есть наши органы чувств с самого рождения сообщают нам, что за пределами нашего Я есть нечто внешнее. Рождаясь, ребёнок кричит. Не от того ли, что он испытывает шок от обрушивающегося на него потока внешних сигналов, которые он не может воспринять как нечто упорядоченное и потому вызывающее более спокойную реакцию чем истерика? Постепенно мы учимся различать эти сигналы, упорядочивая их в своём сознании в некоторую систему. На опыте мы проверяем её. Ошибки заставляют нас постоянно исправлять эту свою внутреннюю виртуальную систему, приводя её к наилучшему виду, который в конечном итоге даёт нам возможность как-то ориентироваться в окружающем мире. Так внутри нашего Я формируется представление об упорядоченности предметов и событий, которое и приводит нас к представлениям о пространстве и времени.
В любой системе упорядоченного знания (это относится и к первичным знаниям, таким как знание о пространстве и времени) неизбежно присутствуют элементы сравнения. Для упорядочивания элементов мы должны иметь критерии сравнения (в физике их называют степенями свободы). В самом начале жизненного пути мы узнаём, что элементы внешнего мира могут быть дальше или ближе. Это первая степень свободы, которую мы осознаём. Также мы обнаруживаем, что есть верх и низ, в чем нам помогает гравитационное притяжение Земли. И узнав, что есть выше и ниже, мы обнаруживаем, что есть ещё право и лево. То есть для ориентации во внешнем мире нам нужно уметь различать дальность и два взаимосвязанных направления. Причём эта связь не такая и простая. Она некоммутативная (то есть зависит от того, какое направление считать первым, а какое вторым).
Но как мы получаем сигналы? Благодаря каким физическим силам мы их можем воспринимать и реагировать на них? И ответ на этот вопрос однозначен - это силы электромагнитной природы. Никаких других сигналов от природы мы получить не можем. И запахи, и звуки, и прикосновения мы ощущаем исключительно благодаря взаимодействию молекул и атомов, а точнее - их электронных оболочек. Кроме электромагнитных нам известны ещё слабые, сильные и гравитационные силы. Но их мы ощутить можем только опосредованно и опять только через электромагнетизм. Слабые взаимодействия отвечают за распад ядер и элементарных частиц, сильные - за формирование адронов. Непосредственно наблюдать эти процессы невозможно. Все они изучаются по "следам" в электромагнитном мире.*
- * все приборы для изучения частиц, такие как пузырьковые камеры, фотопластины, электронные детекторы в конечном итоге регистрируют возбуждение электронных оболочек в атомах и молекулах этих приборов.
Материалистическая философия говорит, что мир дан нам в ощущениях. Но все доступные нам ощущения имеют электромагнитную природу. А значит всё наше восприятие внешнего мира возможно только посредством обмена с ним электромагнитными сигналами. Все остальные силы природы (силы - в широком, а не в физическом понимании) могут восприниматься нами лишь опосредованно, через обмен фотонами. Мы не можем непосредственно увидеть или почувствовать каким-то другим образом изменение структуры ядра атома или гравитацию. Для этого нам нужен посредник - фотон, универсальный и единственный проводник в нашем познании природы.
Вы можете возразить. Например, мы же чувствуем гравитационное притяжение Земли! Мы ощущаем давление тяжёлого мешка на своём плече или боль от удара при падении. Но это давление и импульс от удара передают именно фотоны. Если бы не было электромагнитного обмена между атомами вещества, то мы практически свободно проходили бы сквозь стены и падали бы под землю, не встречая никакого сопротивления, ничего не ощущая.
Конечно, существуют процессы, происходящие без участия фотонов, но приводящие к изменению структуры вещества. Например, в бета-распаде нейтрона на протон и электрон участвуют ещё промежуточный W-бозон и нейтрино. Это пример слабого взаимодействия. Но мы никак не могли бы узнать, что нейтрон превратился в протон, если бы не вылетевший при этом энергичный электрон. Именно он, попадая в дальнейшем в какой-нибудь атом, взаимодействует с его электронной оболочкой уже электромагнитным образом, производя цепь событий молекулярного свойства, которые уже и доступны для наблюдения, регистрации и, конечно, для ощущения в виде запахов, щелчков или вспышек в глазах.
Итак, все, что мы можем непосредственно узнать об окружающем нас мире, мы узнаем от фотонов. В этом смысле можно согласиться с библейскими представлениями о сотворении Мира, в которых первым из тьмы появился свет.
Но для человека, знакомого с теорией относительности, это наблюдение должно дать подсказку для ответа на резонный вопрос: почему это вдруг скорость света оказалась такой особенной среди всех возможных и невозможных скоростей? Попробуем и мы воспользоваться этой подсказкой.
Раз всё, что мы наблюдаем, мы так или иначе наблюдаем посредством света*, значит наше восприятие мира ограничено и должно быть в определённом смысле искажено. И даже сами понятия пространства и времени естественным образом должны базироваться на природе фотона.
- *в широком смысле, то есть посредством электромагнитных квантов.
Весь наш, так называемый, рациональный опыт основан на обмене световыми сигналами. Скорее всего мы воспринимаем пространство трехмерным и векторным, потому что такова природная сущность фотона. Он, как известно, является векторным бозоном. В природе может существовать больше степеней свободы, чем три, о которых мы упоминали выше (расстояние и два некоммутирующих угла поворота). Но мы их никогда не сможем "ощутить". У нас для этого нет "посредника", проводника, сигнальщика.
Пространство, каким мы его ощущаем, это лишь модель, нарисованная нашим сознанием на основе опыта "общения" с внешними фотонами. Вопрос, откуда возникает само сознание, оставим за скобками, иначе мы рискуем погрузиться в такие дебри, из которых не выбраться даже самым искушенным философам.
А теперь: ВНИМАНИЕ!!! Время мы тоже измеряем посредством фотонов. Это не так очевидно, но я попробую объясниться на этот счёт. Время, хотя и считается в теории относительности срощенным с пространством, его вряд ли можно назвать четвёртой степенью свободы. Эйнштейну при помощи Минковского, Пуанкаре и других новаторов удалось математически связать время и пространство в единый 4-вектор (хотя это лишь математическая модель). В этой модели время, хотя и имеет природу, отличную от пространства, но связано с ним. И связано оно с пространством именно через скорость света. А скорость и время, соответственно, связаны через пространство. Такая вот неразрывная троица. То есть мы можем дать определение скорости через понятие времени (скорость равна отношению длины пути между точками А и Б ко времени, затраченному на этот путь). Но так же мы можем дать определение времени через понятие скорости нашего посыльного-фотона (время равно отношению длины пути между точками А и Б к скорости движения нашего универсального курьера по этому пути).
Как бы мы не строили прибор для отсчета времени, он будет так или иначе привязан к скорости света. И дело не только в синхронизации часов. Эйнштейн показал, как часы можно универсально синхронизировать при помощи светового сигнала, но никто не смог пока объяснить, почему все-таки скорость света одинакова во всех системах отсчета.
Попробуем это сделать, основываясь на том факте, что мы "ощупываем" мир исключительно с помощью фотонов. Представим, что мы находимся в огромном грузовом отсеке гигантского межгалактического космического корабля, потерпевшего аварию, обесточенного и летящего по инерции в открытом космосе. Мы находимся в хорошо защищенной прозрачной диспетчерской кабине посреди отсека. Различные грузы и механизмы оторвались и беспорядочно перемещаются по отсеку, угрожая уничтожить каждого, кто окажется у них на пути (но внутри кабины мы в безопасности). У нас есть только переносной неисправный светильник, который время от времени вспыхивает в кромешной тьме хаотично (то есть мы не можем использовать его в качестве хронометра-метронома). Наша задача сориентироваться, составить подобие динамической карты отсека, чтобы попробовать пробраться через весь отсек к выходному шлюзу, не угробившись. Если бы у нас были часы, мы могли бы измерять время, которое проходит между вспышкой фонаря и отражением от предметов. Тогда, зная время задержки отраженного сигнала, мы бы могли высчитать расстояния до предметов (для определения направлений у нас есть глаз-алмаз-угломер). Но часов у нас нет.
Однако, кроме фонаря у нас есть ещё два маленьких зеркала. Мы можем закрепить одно зеркало рядом с фонарем, а другое - на некотором произвольном расстоянии от фонаря. Это расстояние может быть аршин, локоть или метр - но теперь это наша единица длины. Когда фонарь вспыхнет, начнем отсчитывать количество отражений луча света между зеркалами. Период отражения - наша единица времени. Теперь мы можем измерять задержку отражения вспышек от любого предмета, летающего в отсеке, выражая её в количестве периодов отражения, и, следовательно, знать, во сколько раз расстояние до того или иного предмета больше, чем расстояние между нашими зеркалами. И вот мы уже получили самодостаточный навигационный инструмент и связанную систему мер времени и расстояний. И связаны они естественным образом через свет.
Примерно таков принцип нашего восприятия пространства и времени, данного нам природой в ощущениях*. И ничего удивительного в том, что в рамках этой концепции скорость света оказывается не зависящей от системы отсчета. При таком принципе построения навигационной системы она (скорость света) по определению универсальна.
- *Правда, никто не говорит, что эти ощущения нас не обманывают, но об этом как-нибудь в другой раз :)