От пространства и времени — к пространству-времени
В привычной картине мира пространство и время существуют отдельно: есть трёхмерное пространство (длина, ширина, высота) и отдельно «текущее» время. Теория относительности показала, что разделять их нельзя. Время и пространство «перемешиваются» при движении: то, что для одного наблюдателя — чистое расстояние, для другого частично оказывается промежутком времени. Поэтому физики объединили их в единый объект — пространство-время (его ввёл математик Герман Минковский в 1908 году).
Четыре координаты
Чтобы полностью задать событие — что-то, случившееся в определённом месте в определённый момент, — нужно четыре числа: три пространственные координаты (x, y, z) и одна временна́я t. Например: «вспышка молнии на углу улицы в 14:30». Без любой из координат событие не описано полностью. Поэтому говорят, что пространство-время четырёхмерно: три измерения пространства плюс одно времени.
Мировые линии
Тело не существует «в один миг» — оно тянется во времени. Если изобразить путь тела в пространстве-времени, получится мировая линия: непрерывная цепочка событий «где было тело в каждый момент». Покоящийся предмет всё равно имеет мировую линию — она просто идёт строго вдоль оси времени (тело «движется в будущее», оставаясь на месте в пространстве). Движущееся тело даёт наклонную линию, а луч света — линию под определённым «фирменным» углом.
Интервал — то, что абсолютно
В обычной геометрии расстояние между точками не зависит от поворота осей. В пространстве-времени аналог расстояния — пространственно-временной интервал:
Главное: хотя по отдельности промежуток времени Δt и расстояние Δx у разных наблюдателей разные, сам интервал s у всех одинаков. Это «скелет» теории: время и пространство относительны, а интервал — абсолютен. Обратите внимание на минус перед пространственной частью — именно он отличает геометрию пространства-времени от обычной.
Прошлое, будущее и «где нельзя побывать»
Из-за конечной скорости света не до любого события можно добраться. Если интервал «временно́го типа» — события можно соединить медленнее света, одно может быть причиной другого. Если «пространственного типа» — пришлось бы лететь быстрее света, такие события причинно не связаны, и их порядок зависит от наблюдателя. Граница между этими областями — световой конус: поверхность, которую описывают лучи света, выходящие из события. Внутри конуса — доступное прошлое и будущее, снаружи — «недосягаемое».
ОТО: пространство-время гнётся
В специальной теории относительности пространство-время плоское, как ровный лист. Общая теория относительности добавляет главное: масса искривляет пространство-время. Возле тяжёлых тел «лист» прогибается, мировые линии искривляются — и это искривление мы воспринимаем как гравитацию. Планеты не «притягиваются силой», а движутся по самым прямым из возможных путей в искривлённом пространстве-времени. Так абстрактная четырёхмерная конструкция превращается в инструмент, объясняющий падение яблока, орбиту Земли и свет, огибающий чёрную дыру.
