Не пространство и время, а пространство-время

Преобразования Лоренца для времени и для координаты очень похожи друг на друга. Математически этот факт выразил Г. Мин­ков­ский, предложивший трехмерное пространство и одномерное время рассматривать как единое четырехмерное пространство-время. «Еди­ное» означает, что координатная ось, по которой отсчитывается время t (точ­нее, произведение ct, имеющее размерность длины), равноправна с осями, по которым откладываются координаты x, y и z. Минковский показал, что в таком про­ст­ран­ст­ве-времени преобразования Лоренца описывают просто поворот координатных осей. Другими словами, переход от одной системы отсчета к другой эквивалентен изменению «на­прав­ления взгляда» в пространстве-вре­ме­ни, а парадоксальное сокращение длины и замедление времени не более загадочны, чем изменение вида здания при обходе вокруг него.

Концепция единого пространства-времени оказалась чрезвычайно плодотворной. В ее рамках стали очевидными многие глубокие взаимосвязи в природе, которые до того требовали изощренных доказательств. Например, в четырехмерном пространстве-вре­ме­ни оказывается практически неизбежной единая природа электрических и магнитных явлений.

2.5.5. Эквивалентность массы и энергии: соотношение Эйнштейна

На свойства пространства-вре­ме­ни как единого целого опирается знаменитое соотношение Эйнштейна, выражающее эквивалентность массы и энергии:

E = mc² .

Иногда говорят, что формула Эйнштейна описывает превращение массы в энергию. На самом же деле она устанавливает, что масса и есть энергия.

Если тело обладает массой m, то тем самым оно обладает энергией E = mc², которую можно, полностью или частично, превратить в другие формы энергии. Такое превращение происходит, например, в любой химической реакции: масса продуктов реакции отличается от массы исходных реагентов на величину, пропорциональную выделившейся или по­гло­щен­ной тепловой энергии. Коэффициент пропорциональности, правда, очень мал (1/c² » 0,00000000000000001 с²/м²), так что изменение массы в химических реакциях ничтожно. Поэтому Ломоносов и Лавуазье, установившие закон сохранения массы, были все-таки правы — в пределах точности тогдашних измерительных приборов. А вот в реакциях деления атомных ядер или, особенно, в реакциях термоядерного синтеза (с. 129), идущих с очень большим энерговыделением, изменение массы может достигать 1%.

Обратно, если энергия тела увеличилась на E, то тем самым его масса увеличилась на m = E/c^2[10]. Например, с ростом скорости тела растет его кинетическая энергия. Одновременно увеличивается масса тела — в b раз! Когда скорость тела приближается к скорости света, его масса становится бесконечно большой, что означает невозможность дальнейшего разгона. Со скоростью света могут двигаться только частицы, масса покоя которых равна нулю.

2.6. Общая теория относительности: основные положения