Устранение мгновенных процессов заставляет расстаться с классическим представлением о соотношениях пространства и времени. Если в природе может существовать мгновенный процесс, т. е. процесс, развертывающийся только в пространстве в ноль времени, то понятие трехмерного пространства обладает физическим смыслом. Но в релятивистской физике, т. е. в физике, исходящей из теории относительности, это понятие теряет подобный физический смысл. Все, что происходит в мире, — это движения с конечной скоростью, движения в пространств и во времени. Физическим эквивалентом обладают не пространство и время в отдельности, а только четырехмерное пространство-время. Каждое элементарное событие— пребывание частицы в данной точке в данный момент — характеризуется четырьмя координатами: тремя пространственными координатами точки и четвертой временной координатой, т. е. временем указанного события.
Четыре числа (три пространственные координаты и четвертая временная) образуют мировую точку, они определяют пространственно-временную локализацию частицы. Смена таких локализаций — движение частицы — изображается четырехмерной мировой линией, совокупностью мировых точек. Эти понятия уже упоминались и первой части книги.
Таким образом, «углубление разума самого в себя», конструирование новых логико-математических форм (в данном случае многомерной геометрии) получило физический смысл, слилось с объяснением новых фактов, с «продвижением разума вперед».
Эйнштейн показал, что скорость света — это предельная скорость, к которой может приблизиться и с которой может совпасть скорость движущегося физического объекта — того, что Эйнштейн назвал сигналом. Через подобные сигналы осуществляется причинная связь в природе. Цепи причин-следствий — это процессы в пространстве-времени, они обладают предельной скоростью, равной скорости света. Эти замечания дают представление о релятивистской причинности.
Как только что было сказано, частица не может двигаться быстрее света. Если частица получает все новые импульсы одной и той же интенсивности, эффект их становится все меньше по мере приближения скорости частицы к скорости света. Это можно выразить и так: по мере приближения скорости частицы к скорости света и соответственного возрастания энергии частицы ее масса растет и стремится к бесконечности, когда скорость стремится к скорости света. Масса тела пропорциональна его энергии. Эйнштейн распространил эту пропорциональность и на покоящуюся частицу. В.уже известном нам уравнении, связывающем энергию и массу, содержалась в зародыше релятивистская цивилизация — атомная энергетика и ее энергетические, технологические, культурные, экономические и научные резонансы.
Пора, однако, попросить у читателя прощения. Вместо прогнозов мы надолго занялись популярным изложением теории относительности — теории, появившейся в начале столетия, конец которого является объектом прогнозов. Однако определение XX столетия в целом невозможно без знакомства с идеями Эйнштейна — они остаются важнейшей опорой научных прогнозов не только на конец XX в., но и на XXI век. Но если речь идет об идеях Эйнштейна, то неизбежно хотя бы самое беглое знакомство с теорией относительности: давно известно, что, отправившись на спектакль «Гамлет», не следует удивляться, увидев на сцене датского принца.
Все сказанное о теории относительности следует еще дополнить следующим замечанием.
Каждая физическая теория не может быть исчерпывающим описанием природы и в этом смысле полной. Но теория относительности была одной из первых теорий, заведомо указавших на свою незавершенность и, мало того, на пункты, где следует искать пути дальнейшего, более полного (но опять-таки не исчерпывающего) объяснения. Таков стиль неклассической физики. По поводу теории относительности Эйнштейн говорил, что в ней существует явный пробел. Это сказано в автобиографическом очерке, написанном в 1949 г., — в очерке, который стал научным завещанием Эйнштейна. Здесь определяется понятие системы отсчета: тело, которое может быть неограниченно продолжено во все стороны и состоит из перекрещивающихся линеек, так что каждое тело, движение которого мы изучаем, может соприкоснуться с линейками. Такое соприкосновение определяет пространственное положение тела. Система четырехмерного пространственно-временного отсчета содержит, кроме того, часы — какой-то периодически повторяющийся процесс, необходимый для отсчета времени. Часы могут быть помещены возле каждого скрещивания трех линеек, и тогда можно определить не только пространственное положение, но и положение во времени — четырехмерную, пространственно-временную локализацию описываемого тела.
Пространственно-временная система отсчитывает различные пространственно-временные интервалы, т. е. отрезки мировых линий, в зависимости от того, как движутся в пространстве тела, из которых состоит мир. Структура мира распадается на мировые линии составляющих его частиц. Но само тело отсчета оказывается в этом мире государством в государстве. Оно как бы не состоит из частиц; внутри тела отсчета, внутри линеек и часов не проходят мировые линии, во всяком случае теория относительности ничего не говорит о них, она закрывает глаза на дискретную структуру линеек и часов. В своих автобиографических заметках Эйнштейн писал о теории относительности, что она вводит два рода физических предметов: 1) масштабы и часы и 2) все остальное. «Это в известном смысле нелогично, — говорил Эйнштейн, — собственно говоря, теорию масштабов и часов следовало бы выводить из решений основных уравнений (учитывая, что эти предметы имеют атомистическую структуру и движутся), а не считать ее независимой от них»[30]. Об этом же говорил впоследствии Гейзенберг. По его мнению, масштабы и часы «построены, вообще говоря, из многих элементарных частиц, на них сложным образом воздействуют различные силовые поля, и поэтому непонятно, почему именно их поведение должно описываться особенно простыми законами» [31].
Связать поведение масштабов и часов с их дискретной структурой — значит вывести макроскопические законы движения тел, как их рисует теория относительности, из существования и поведения мельчайших частиц.
Такова весьма широкая научная задача, которую поставила физика первой половины XX в. перед следующим периодом. Об этом — дальше. Сейчас следует только сказать, что теория относительности сама указывала на свои границы, рассматривая их не как абсолютные границы познания, а как выходы к новой, более общей теории. Критика теории относительности в автобиографии Эйнштейна была по существу прогнозом будущего развития теории. Она указывала на незамкнутую сторону теории и тем самым определяла некоторые абрисы новой, будущей теории, обладающей большим «внутренним совершенством» и большим «внешним оправданием». Поэтому приведенное замечание так важно для научного прогноза в наши дни.
Его важность станет яснее, если мы вспомним о другой незамкнутой грани специальной теории относительности, о другом подходе к более общей («внутреннее совершенство»!) и более точной («внешнее оправдание»!) теории. О подходе, реализованном самим Эйнштейном в 1916 г.
Речь идет об общей теории относительности. Теория, выдвинутая Эйнштейном в 1905 г., называется специальной теорией относительности потому, что она справедлива только для одного специального вида движения — для движения по инерции, без ускорения, с неизменной скоростью, т. е. для прямолинейного и равномерного движения. Только равномерное и прямолинейное движение нельзя зарегистрировать по внутренним процессам в движущейся системе. Если эта система, например корабль, о котором писал Галилей, испытывает ускорение, находящиеся в системе тела получают толчок. Этот толчок связывают с силами инерции. Если система начнет вращаться, в ней появятся центробежные силы инерции. Здесь, по-видимому, уже нет равноценности координатных систем. Ньютон приводил в защиту абсолютного характера ускоренного движения следующий эксперимент. Ведро с водой вращается на закрученной веревке. Центробежные силы заставляют воду подниматься к краям ведра. Если бы ведро висело неподвижно, а все остальные тела вращались вокруг него, вода бы не поднялась. Значит, дело не во взаимном относительном движении ведра и других тел; значит, причина центробежных сил не вращение ведра с водой относительно других тел, а его вращение по отношению к самому пространству, т. е. абсолютное вращение.
