Знакомство с теорией относительности естественно начать с выяснения вопроса, что это такое, чем она отличается от ньютоновой механики. Думаю, вы знаете, что при переходе к теории относительности преобразования Галилея заменяют преобразованиями Лоренца (см. примеч. 37) и рассматривают четырехмерное пространство-время [(З+1) - мерное пространство Минковского]. Не останавливаясь на этих известных вещах, я хочу поговорить о моем личном восприятии теории относительности, моем собственном представлении о ней.
В теории относительности считают, что классическая (не квантовая) частица, так же, как в теории Ньютона, движется, оставаясь всегда сама собой. При движении она описывает мировую линию в четырехмерном пространстве-времени (мире), т. е. в пространстве Минковского. Таким образом, мировая линия характеризует материальную точку, или объект, имеющий массу.
Другое важное понятие теории относительности — точечное событие, под которым имеют в виду следующее. Слово событие вообще означает, что что-то произошло. Его определяют указанием, когда и где это произошло. Когда означает время, где — пространственную область, что — содержание события. Сказанное иллюстрирует рис. 3, где изображены момент времени и пространственная точка. Под событием можно понимать какую-нибудь реакцию с элементарными частицами. Но пока мы не пользуемся квантовым языком, а говорим о теории относительности в ее понимании, событие может длиться в течение конечного интервала времени и происходить сразу во многих пространственных точках, а его содержание может быть совсем простым, например событие может означать, что в некоторой пространственно-временной точке изменилась напряженность поля, которым эта точка помечена.
Полем можно метить также и четырехмерные линии, задавая во всех пространственно-временных точках, например, электромагнитное поле Е, Н. Его изменения при ускоренном движении заряженных частиц будут событиями в данной точке четырехмерного пространства.
Вместо электромагнитного можно рассматривать гравитационное поле, например поле Солнца, действующее в свободной от тел пространственной области. Дополнив ее временным интервалом, получим пространственно-временную область, характеризуемую действующим в ней полем. Изменение поля играет роль события, а поскольку такое событие происходит в четырехмерной области, поле—существенно четырехмерное, а не трехмерное понятие.
Если событие (состоящее, например, в изменении электромагнитного поля) рассматривать в трехмерном пространстве, как это делалось в ньютоновой механике, то его содержание будет зависеть от выбора системы отсчета, в которой оно фиксируется. Можно, сохраняя трехмерность, попытаться придать событию объективный смысл, вводя абсолютную систему отсчета, но для этого необходим эфир, проблематичность существования которого придает трехмерному пространству внутреннюю неопределенность. Поэтому в теории относительности рассматривают не трехмерное пространство, а четырехмерное пространство-время, имеющее ясную структуру, предложенную Минковским. Чем это не абсолютное пространство-время? Если в нем ввести декартовы координаты и установить часы, то окажется, что в любой инерциальной системе отсчета физические законы имеют одинаковую форму, т. е. инвариантны относительно преобразования Лоренца.
Таким образом, мы имеем единое четырехмерное многообразие, точки в котором помечены полем, а события имеют смысл изменений поля-метки. Поле может удовлетворять уравнениям Максвелла или уравнениям гравитационного поля, связывающим его значения в некоторый момент и в близкий к нему следующий момент времени. Некоторые из уравнений Максвелла связывают значения поля в пространственных направлениях. Итак, в каждой пространственно-временной точке задано поле, а его значения связаны соответствующим законом. Это обычная формулировка, даваемая в книгах по теории относительности.