Путешествие на скорости света
Давно интересуюсь теоретической физикой, хотя плохо понимаю её математику. Регулярно смотрю видео про квантовую физику, теорию относительности, скорость света, лекции Семихатова и прочее, но у меня всегда оставалось какое-то непонимание, пазл не складывался. Всегда казалось, что проблема во времени, в том, как мы его воспринимаем и считает. Вроде бы как оно эквивалентно пространству, но мы двигаемся в нём иначе, воспринимаем не так как пространство, приходится пересчитывать. Хотя, как говорило одно инопланетное существо: «Что может быть проще времени?»(в одноимённом романе Саймака «Time Is the Simplest Thing»).
Я не один раз писал о свои попытках разобраться со временем, но даже на лингвистическом уровне это крайне сложная задача: у нас нет слов для описания перемещения во времени, так как движение — это изменение координаты относительно времени, а как назвать и описать изменение положения во времени… изменение относительно чего?
В том числе из-за этой лингвистической затыки, не забывая, конечно, математические сложности и проблемы визуализации четырёхмерных процессов в псевдоевклидовом пространстве, меня не устраивали ответы целый ряд вопросов:
1) Почему нельзя двигаться быстрее скорости света?
2) Почему время замедляется на больших скоростях?
3) Как объяснить парадокс близнецов?
То есть я знаю как математически решаются эти задачки (самостоятельно решить не могу), как физики подсчитывают всё и вся, видел не один ролик про красоту преобразований Лоренца, но всё равно что-то у меня не сходилось. Теория относительности, которую я совершенно не хочу опровергать, которую считаю совершенно правильной, объясняет, как посчитать то или иное изменение, сдвиг пространства или времени, но не объясняет почему это происходит, какая причина у этих точно просчитанных закономерностей.
И вдруг я неожиданно понял две вещи, из которых уже стало выкристаллизовываться всё остальное:
1) Скаляр 4-вектора моментальной скорости любого объекта неизменен, постоянен и равен скорости света.
2) Совершенно не понимаю, как объяснить первый тезис другим людям.
В момент самого инсайта не знал термин «4-вектор», лишь сейчас, продвинувшись во втором пункте, почитав на интересующую тему, смог точнее сформулировать первый. Так что попробую объяснить в той мере, в которой понял сам и в той, в которой я придумал объяснение. Начну сначала с самого вектора, а потом попробую разобрать как же нам это изобразить?
4-вектор — это всего-навсего «вектор в четырёхмерном пространстве Минковского». То есть такой же вектор движение, как мы привыкли рисовать на обычных диаграммах, только для четырёх пространственно-временных осей. И это уже не интуитивно понятно. Как нарисовать вектор перемещения во времени, что он показывает?
Наверное, через событие, которые в теории относительности понимается как»моментальное локальное явление, происходящее в уникальном времени и месте, то есть точка в пространстве-времени». То есть то, у чего можно померить моментальную скорость, если мы знаем предыдущее событие объекта. И, значит, можем померить как изменились координаты объекта: не только пространственные, но и временная.
И если мы каким-то образом умудримся померить такой вектор, то у нас окажется, что его скаляр, численное значение всегда равно скорости света… ну то есть скаляру 4-вектора фотона, как-то так.
Тут нужно сделать отступление и заметить, что моя попытка описания никак не противоречит теории относительности, даже не пытается это делать. Это попытка иным способом, менее математическим, описать наш мир и понять/объяснить как же на самом деле устроен наш мир, что такое время на самом деле. У нас явно существует глобальная когнитивная ошибка в отношении восприятия времени, связанная с тем, что время мы видим в моменте, в одной точке, которую называем «сейчас», а пространство — континуально, сразу существенный промежуток. И с тем, что мы движемся (?) во времени, причём только в одном направлении.
Так вот. Моя попытка объяснение — это скорее дополнение к теории относительности, частично взгляд с другой стороны: физики объясняют как именно всё работает, как рассчитать и предсказать. Я же хочу получить ответ на вопрос «почему», который не совсем даже относится к физики. Однако, я хочу найти такую гипотезу, которая была бы научной, в том смысле, что объясняла бы научные факты. Чаще всего у нас нет возможности проверить саму гипотезу, некое предположение, она доказывается через следствия: если следствия проверяются и доказываются, то высока вероятность, что гипотеза верна. Если не найдётся другая гипотеза, которая даёт больше точных следствий.
Мой тезис, что скаляр 4-вектора всегда равен скорости света, невозможно проверить напрямую, мне так кажется, но можно посмотреть какие из него следуют выводы, изучить следствия. Но сначала отвечу на вопрос, который, скорее всего, уже давно висит у вас в голове: как же я двигаюсь со скоростью света, если сижу на стуле?
Неподвижный в пространстве объект (ну и субъект тоже) перемещается во времени, его 4-вектор параллелен оси времени. И, забегая вперёд, потому у него быстрее всего идёт время. Как только объект начинает двигаться, 4-вектор поворачивается, не меняя длину и… время замедляется, как раз то, о чём говорит теория относительности, что доказано экспериментально. Время замедляется, так как проекция 4-вектора на ось времени становится меньше — чем быстрее движется объект, чем короче проекция. А у кого эта проекция самая короткая? Правильно.
Фотон, беспокойный объект, движется со скоростью света, то есть его 4-вектор расположен перпендикулярно оси времени. Для света времени нет, точнее, как говорил Семихатов: для фотона нет категории времени. Как для плоского, двумерного объекта, добавлю я, нет объёма. Моя гипотеза просто и наглядно объясняет почему у фотона нет времени: вся скорость ушла в пространство.
И именно по этому мы не можем разогнаться быстрее света: наша скорость неизменна и равна скорости света, если всё уходит в пространство, то проекция на ось времени превращается в точку, больше неоткуда взять дополнительную скорость. Но это только для не массивных объектов, как известно, массивные тела не разогнать до скорости света. А почему?
Потому, что у нас нет возможности приложить силу так, чтобы до конца повернуть 4-вектор. Мы прикладываем силу только в пространственных измерениях, а потому, когда 4-вектор, почти параллелен вектору прикладываемой силы, эффективность стремится к нулю. Всё, как и описывается сложной математикой.
По той же причине мы не можем двинуться в обратную сторону: нет силы, которая бы повернула 4-вектор в другую сторону по оси времени, так чтобы проекция вектора на ось времени стала бы иметь знак «минус». Другой вопрос в том, почему (и что) движется по оси времени? Какая сила движет нас (?) по оси времени? Эти вопросы выходят за рамки данного эссе, что не делает их менее интересными или важными.
Пока все известные явления, связанные со временем, красиво и стройно описываются моей моделью. Конечно, остаётся ещё много вопросов, на которые я так и не знаю ответы, например:
1) Почему рядом с массивными телами время течёт медленнее?
2) Почему радиоактивный распад не зависит от температуры?
Однако, я слишком плохо понимаю физику этих процессов, чтобы пытаться объяснить их наглядно в своей модели постоянного 4-вектора.
Я постарался объяснить, что понимаю под скаляром 4-вектора, теперь можно перейти ко второй проблеме, тесно связанной с объяснением времени: как наглядно изобразить перемещение по оси времени на диаграмме. И тут возникает ряд трудностей.
Первое, что мне никогда не нравилось, что свет на диаграмме как-то движется. Даже в диаграммах Минковского свет какое-то непрямой, изохроны изогнуты. Хотя логично, и наглядно, было бы представить свет в виде прямой линии, перпендикулярной оси времени — ведь, как мы уже говорили, у фотона нет времени. Довольно долго я придумывал какую же нужно сделать ось, ось относительного времени, чтобы получить желаемое. В диаграммах Минковского одна ось чисто пространственная, а вторая представляет собой произведение скорости света на время, то есть тоже пространственная ((м/с)*с=м) — мне же хотелось показать не это. Хотя пространство эквивалентно времени, но для наглядности хочется иметь диаграмму, где по горизонтали привычное время, а по вертикали — пространство.
Так у меня получились приключения точки на прямой: проще всего нарисовать две оси координат, избавившись от двух лишних пространственных осей, которые ничего содержательного не добавляют. Близнец-путешественник (терминология из парадокса близнецов) может быть точкой, которая по прямой улетает и возвращается к точке брату-домоседу — и проживает другое время, меньшее, чем домосед.
Как же сделать временную ось так, чтобы свет на ней получался вертикальной линией (точнее отрезком)? Я долго подбирал переменные пока не вспомнил о преобразованиях Лоренца и не взял самую простую его формулу, то есть одна ось пространственная, а вторая — время, но относительное, с учётом скорости. Она отлично подошла! С её помощью получилось, что мировые линии (путь объекта в 4-мерном пространстве-времени) света и неподвижного объекта перпендикулярны. Идеально!
Тут ещё нужно вспомнить световой конус. В Википедии он определяется следующим образом:
гиперповерхность в пространстве-времени (чаще всего в пространстве Минковского), ограничивающая области будущего и прошлого относительно заданного события. Образуется изотропными векторами в пространстве-времени, то есть, ненулевыми векторами нулевой длины.
(Кто бы мне ещё объяснил, что такое ненулевой вектор нулевой длины, но да ладно — в евклидовом пространстве они не встречаются и хорошо. А ещё что такое гиперповерхность настоящего времени, которую рисуют на некоторых изображениях? Такое ли уж оно настоящее на всём протяжении пространства?)
Световой конус, думаю, знаком очень многим, часто используемая картинка даже в научно-популярных фильмах. В моей диаграмме конус растягивается до всего пространства — все, что больше нуля по оси времени, представляет будущую часть конуса, а то, что меньше нуля, — конус прошлого. Мне потеря того пространства-времени, что находится вне конуса, не кажется страшной, так нагляднее и всё равно мы обычно говорим именно о том, что внутри него.
На моей диаграмме получается наглядно показать, что из начала координат можно двигаться в любом направлении пространства (в рамках одного измерения), но не быстрее скорости света. Наглядность в нашем случае главное — если без нарушения физических законов. Однако, на такой диаграмме не показать адекватно чем отличается перемещение по оси времени двух точек — подвижной и неподвижной: начальные и конечные координаты у них одинаковые (x,t), то есть перемещение они совершили одинаковое (пути разные), но изменения личного времени (dt) при этом у них разные. Как свести две кривых в одной точки, если одна из координат у них получается разная?
Никак, нужна другая система координат. Но какая? Вот тут у меня и случился ступор, на этом закончился инсайт, но размышления продолжились.