Для наблюдателя А зонтик находится слева от него в слегка наклоненном положении, так что ближе к нему верхний конец. Наблюдатель Б видит зонтик справа от себя, и верхний конец кажется ему расположенным дальше. Если мы переведем этот пример из двумерного в трехмерное пространство, то увидим, что обозначения «слева», «справа», «вверху», «внизу», «под наклоном» и т. д. будут определяться положением наблюдателя в пространстве, а значит, окажутся относительными. Это было известно задолго до теории относительности. А вот в том, что касается времени, в классической физике ситуация была иная. Считалось, что последовательность событий во времени не зависит от наблюдателя. Такие понятия, как «до», «после» и «одновременно», рассматривались как абсолютные, не зависящие от системы координат.

Эйнштейн обнаружил, что все временные характеристики тоже относительны и зависят от наблюдателя. Мы привыкли думать, что последовательность событий универсальна. Это убеждение порождено тем, что скорость света (около 300 000 км/с) в сравнении с любыми другими знакомыми нам скоростями настолько высока, что мы можем считать, будто наблюдаем явления в тот момент, когда они происходят. Но это неверно. Свету требуется время, чтобы преодолеть расстояние между объектом и наблюдателем. Как правило, оно очень мало, и распространение света можно считать мгновенным; однако если наблюдатель движется с высокой скоростью относительно наблюдаемых явлений, промежуток времени между событием и его наблюдением играет решающую роль при определении последовательности событий. Эйнштейн понял, что тогда наблюдатели, движущиеся с различными скоростями, будут упорядочивать события во времени по-разному[153]. Два явления, кажущиеся одновременными одному, могут происходить в различной последовательности для других. При обычных скоростях различия так малы, что выявить их практически невозможно, но, если скорости приближаются к световой, возникают эффекты, которые можно измерить. В физике высоких энергий, где событиями являются взаимодействия движущихся почти со скоростью света частиц, относительность времени подтверждена многочисленными экспериментами[154].

Относительность времени тоже заставляет отказаться от ньютоновского абсолютного пространства. Ранее считалось, что пространство в каждый момент содержит каким-то образом распределенную материю. Но сейчас, когда мы знаем, что одновременность событий относительна и зависит от местоположения наблюдателя, невозможно определить такой момент для Вселенной. Отдаленное в пространстве явление, которое происходит для одного наблюдателя в один момент, для другого может произойти раньше или позже. Поэтому мы не можем говорить о «моментальном состоянии Вселенной» в абсолютном смысле. Не существует и абсолютного пространства, независимого от наблюдателя.

Теория относительности показала, что все измерения в пространстве и времени утрачивают абсолютное значение. Важность этого открытия показана в словах Менделя Cакса[155].

Это утверждение физика XX в. показывает близкое сходство представлений о времени и пространстве в современной науке и древней восточной философии, утверждавшей, что пространство и время — «всего лишь названия, формы мышления, общеупотребительные слова».

Поскольку пространству и времени теперь отводится субъективная роль элементов языка, которыми наблюдатель пользуется при описании явлений природы, все люди будет интерпретировать явления по-своему. Чтобы вывести на основании их слов универсальные законы природы, нужно, чтобы законы были преподнесены в форме, которая будет общей во всех системах координат, т. е. для всех наблюдателей, занимающих произвольное положение и находящихся в движении по отношению друг к другу. Это требование, известное как принцип относительности, послужило отправной точкой для всей теории относительности. Интересно, что ее основой стал парадокс, на который Эйнштейн обратил внимание в возрасте 16 лет. Он попытался представить себе, каким бы увидел луч света наблюдатель, продвигающийся к нему со скоростью света, и пришел к выводу, что этот наблюдатель увидел бы электромагнитное поле, двигающееся вперед-назад и не продвигающееся никуда, т. е. не образующее волны. Но такое явление в физике неизвестно. Юный Эйнштейн понял: то, что предстанет для одного наблюдателя знакомым электромагнитным явлением, а именно световой волной, для другого должно оказаться загадкой, противоречащей законам физики. Принять это Эйнштейн не мог. Позже ученый осознал, что принцип относительности можно успешно применить для описания электромагнитных явлений только тогда, когда относительно не только пространство, но и время. Законы механики, которые управляют явлениями, связанными с движением тел, и законы электродинамики, теорию электричества и магнетизма можно будет сформулировать в общих «релятивистских» рамках, которые добавляют время в качестве четвертой (также относительной) координаты к трем пространственным.

Чтобы проверить, удовлетворяет ли описание принципу относительности, т. е. выглядят ли уравнения теории одинаково во всех системах координат, нужно иметь возможность переводить пространственно-временные координаты из одной системы координат в другую. Такие преобразования были хорошо известны и широко использовались в классической физике. На рисунке 19 мы видим пример одного из них. Оно выражается в том, что каждая из двух координат наблюдателя А (горизонтальная и вертикальная, обозначенные линиями со стрелками) может быть представлена в виде комбинации двух координат наблюдателя Б и наоборот. Их точные значения могут быть получены с помощью элементарной геометрии.

В релятивистской физике ситуация иная: к трем пространственным координатам добавляется время — четвертое измерение. Поскольку переход из одной системы координат в другую предусматривает, что каждая координата одной системы выражается в виде комбинации координат в другой, пространственная координата одной системы предстает в общем случае в виде комбинации пространственных координат и времени. Это новая ситуация. Такое преобразование смешивает пространство и время точно определяемым математически образом. Их уже нельзя отделить друг от друга: то, что для одного наблюдателя оказывается пространством, для другого будет соединением пространства и времени. Теория относительности показала, что пространство не трехмерно, а время не самостоятельно. Будучи тесно и неразрывно связаны, они образуют четырехмерный пространственно-временной континуум. Эта концепция была впервые введена Германом Минковским[157] в 1908 г. в его знаменитой лекции.