Специальная относительность была неизбежна; ученые не могли не задуматься о ней. Ее корни уходят в 1783 год, когда Джеймс Клерк Максвелл вывел свои уравнения электромагнетизма. Они имеют смысл в «подвижной системе координат» – когда наблюдения ведет движущийся наблюдатель, – и только если скорость света абсолютна. Несколько математиков, в числе которых были Анри Пуанкаре и Герман Минковский, поняли это и опередили Эйнштейна на уровне математики. Однако с точки зрения физики эти идеи были впервые серьезно рассмотрены уже Эйнштейном, который в 1905 году указал на странную природу физических последствий. По мере приближения к скорости света предметы уменьшаются, время замедляется, а масса становится бесконечной. Ничто (ну, или ничто материальное) не может перемещаться быстрее света, а масса способна превращаться в энергию.

В 1908 году Минковский обнаружил простой способ выражения релятивистской физики, ныне известной как пространство-время Минковского. В Ньютоновой физике пространство имеет три неподвижные координаты – влево-вправо, вперед-назад, вверх-вниз. Пространство и время считались независимыми друг от друга. Но в релятивистской физике Минковский принимал время за дополнительную, отдельную координату. Четвертую координату, четвертое независимое направление… четвертое измерение. Трехмерное пространство стало четырехмерным пространством-временем. Но понятие времени Минковского добавило новый виток в старые идеи Д’Аламбера и Лагранжа. Время и пространство могли в некоторой степени меняться местами. Равно как и пространство, время стало геометрическим.

Это видно из релятивистского описания движущейся частицы. В Ньютоновой физике частица находится в пространстве и перемещается с течением времени. Подход Ньютона к природе движущейся частицы похож на просмотр кинофильма. А теория относительности рассматривает ее как последовательность неподвижных кадров, составляющую фильм. Это явно делает теорию относительности детерминистичной. К моменту, когда вы начинаете смотреть фильм, его кадры уже существуют. Прошлое, настоящее и будущее уже в нем. Время течет, фильм идет, мы узнаём, что нам уготовано судьбой – но на самом деле судьба неизбежна и неотвратима. Да, кинокадры, вероятно, могли бы возникать поочередно – так, чтобы самым новым из них всегда был текущий кадр, – но это невозможно делать последовательно для каждого наблюдателя.

Релятивистское пространство-время = геометрический рассказий.

С точки зрения геометрии траектория движущейся точки образует кривую. Представьте, будто частица – это кончик карандаша, пространство-время – лист бумаги, при этом пространство проложено горизонтально, а время – вертикально. Карандаш движется, оставляя за собой след на бумаге. Точно так же частица оставляет за собой в пространстве-времени кривую, называемую мировой линией. Если частица перемещается с постоянной скоростью, мировая линия получается прямой. Частицы, которые перемещаются очень медленно, преодолевают малое расстояние в пространстве за большой промежуток времени – поэтому их мировые линии почти вертикальны. Частицы, которые перемещаются очень быстро, преодолевают большое расстояние в пространстве за малый промежуток времени – поэтому их мировые линии почти горизонтальны. Между ними лежат диагональные мировые линии, которые соответствуют частицам, преодолевающим определенное расстояние в пространстве за равнозначный ему промежуток времени – если измерять его в правильных единицах. Такие единицы выбраны таким образом, чтобы соотноситься посредством скорости света – скажем, если для времени это годы, то для расстояния – световые годы. Что преодолевает расстояние в один световой год за один год времени? Конечно, свет. Тогда диагональные мировые линии соответствуют частицам света, фотонам, или еще чему-нибудь, что перемещается с такой же скоростью.

В рамках теории относительности тела не могут перемещаться быстрее света. Мировые линии таких тел называются времениподобными кривыми. Проходя через заданное событие, эти кривые образуют «световой конус». Хотя на самом деле это как бы два конуса, соединенных острыми концами так, что один направлен вперед, а другой назад. Конус, направленный вперед, описывает будущее события, все точки в пространстве-времени, на которые оно может повлиять. Конус, направленный назад, описывает его прошлое, события, которые могли повлиять на него. Все остальное – запретная территория, все где и когда, которые не имеют никакого отношения к заданному событию.

Пространство-время Минковского называют «плоским», так как оно описывает движение частиц при отсутствии сил, воздействующих на них. Силы влияют на движение, и наиболее значительная среди них – гравитация. Эйнштейн придумал общую теорию относительности, чтобы включить гравитацию в специальную теорию. В Ньютоновой физике гравитация – это сила: она притягивает частицы, не давая им описывать прямые линии, которым они естественно следовали бы, если бы на них не действовали никакие силы. В общей теории относительности гравитация – это геометрическое свойство вселенной, форма искривления пространства-времени.

В пространстве-времени Минковского точки представляют события, имеющие место и в пространстве, и во времени. «Расстояние» между двумя событиями должно отражать, как далеко они находятся друг от друга в пространстве и как далеко они находятся друг от друга во времени. Оказывается, добиться этого можно, если, грубо говоря, взять расстояние между ними в пространстве и вычесть из него расстояние между ними во времени. Полученная таким образом величина называется интервалом между двумя событиями. Если вместо этого сложить данные расстояния, что кажется более очевидным, то пространство и время будут иметь одну и ту же физическую основу. Только здесь есть очевидные различия: в пространстве легко перемещаться свободно, а во времени – нет. Вычет разницы во времени отражает это отличие; математически она представляет время как воображаемое пространство – пространство, помноженное на квадратный корень из минус единицы. Это производит поразительный эффект: если частица перемещается со скоростью света, то интервал между любыми двумя событиями вдоль ее мировой линии будет равен нулю.

Возьмем фотон, частицу света. Понятно, что он перемещается со скоростью света. За один год времени он преодолевает один световой год. Сумма двух единиц равна двум, но интервал вычисляется по-другому. Интервал – это разность 1 × 1, то есть 0. Отсюда следует, что интервал имеет отношение к темпу прохождения, воспринимаемому движущимся наблюдателем. Чем быстрее движется объект, тем медленнее, по его восприятию, движется время. Этот эффект называется замедлением времени. Двигаясь со скоростью, приближающейся к скорости света, вы ощутите, что течение времени замедляется. Если бы вы могли двигаться со скоростью, равной скорости света, время для вас замерло бы. Для фотона время вообще не идет.

В Ньютоновой физике движущиеся частицы, не подверженные воздействию каких бы то ни было сил, описывают прямые линии. Расстояние между точками в них имеет наименьшее значение. В релятивистской физике свободно перемещающиеся частицы имеют интервал с наименьшим значением и двигаются по геодезической линии. Наконец, гравитация действует не как дополнительная сила, а как искажение структуры пространства-времени, изменяющее размер интервала и формы геодезических линий. Этот переменный интервал между ближайшими событиями называется метрикой пространства-времени.

Обычно здесь говорят об «искривлении» пространства-времени, хотя этот термин легко может ввести в заблуждение. Так, это искривление необязательно должно происходить относительно чего-либо. С точки зрения физики кривизна – это сила притяжения, которая приводит к деформации световых конусов.

Одно из ее следствий получило название «гравитационная линза», то есть искривление света крупными объектами. Эйнштейн открыл ее в 1911 году и опубликовал статью об этом в 1915-м. Он предсказал, что гравитация должна искривлять свет вдвое сильнее, чем ей предписывают законы Ньютона. В 1919-м его предсказание подтвердилось, когда сэр Артур Стэнли Эддингтон возглавил экспедицию по наблюдению полного солнечного затмения в Западной Африке. Эндрю Кроммелин из Гринвичской обсерватории возглавил вторую экспедицию в Бразилию. Обе группы наблюдали за звездами, находившимися во время затмения возле края солнечного диска и свет которых не поглощался более ярким светом Солнца. В видимом расположении звезд были замечены небольшие отклонения, подтвердившие предсказания Эйнштейна. Тот на радостях отправил матери открытку: «Дорогая мама, сегодня пришло радостное известие… английская экспедиция действительно показала отклонение света от Солнца». «Таймс» вышла с заголовком: «РЕВОЛЮЦИЯ В НАУКЕ. НОВАЯ ТЕОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ. ИДЕИ НЬЮТОНА ОПРОВЕРГНУТЫ». В середине второй колонки напечатали подзаголовок: «ПРОСТРАНСТВО “ИСКРИВЛЯЕТСЯ”». Эйнштейн стал знаменитым за одну ночь.