Симметрия пространства обладает свойствами однородности и изотропности: все точки и направления во Вселенной равны. Это верно для трехмерного пространства. И одно из наиболее важных открытий Эйнштейна состоит в том, что пространство и время — это единое целое. Более абстрактное понятие пространства-времени сложно для понимания: хотя мы и чувствуем течение времени, наши глаза видят не четыре измерения одновременно, а только три.

Равенство всех точек в пустом пространстве-времени — это и есть относительность. Параллельный перенос работает не только в пространстве, но и во времени. Есть также понятие своеобразной изотропности в пространстве-времени. В каком-то смысле тот факт, что все направления в пространстве-времени равны, объясняет, что такое относительность. Представьте, что вы сидите в поезде, который отправляется со станции прямолинейно, без ускорения и с постоянной скоростью. Если вы увидите другой поезд, вы не сразу сможете сказать, который из них движется: тот, в котором сидите вы, или состав на другой стороне платформы. Чтобы это определить, нужно видеть другие неподвижные объекты и ориентироваться относительно них.

Принцип относительности принадлежит не только Эйнштейну. Галилей приводил похожий пример: если вы, находясь на движущемся с постоянной скоростью корабле, кинете мяч, он упадет так же, как это происходило бы на земле.

Симметрия всегда говорит об инвариантности, это касается и законов физики: свойства пространства и времени в результате трансформаций остаются неизменными. Например, перенос: независимо от того, где вы находитесь в пространстве-времени, его свойства остаются одинаковыми.

«Относительный» значит, что, если вы движетесь в пространстве-времени в определенном направлении, законы физики будут одинаковыми. В этом случае говорят об инерциальных наблюдателях, которые движутся одинаково, прямолинейно друг относительно друга, видят одни и те же законы физики. Скорость — это относительный концепт: вы движетесь относительно меня, а я движусь относительно вас. Как и расстояние, которое всегда отсчитывается между двумя точками, скорости всегда рассчитываются между двумя наблюдателями — с какой скоростью один движется относительно другого. Эйнштейн показал, что это не совсем так.

В принципе относительности, который восходит к Галилею, все скорости равны и относительны, так как у них нет внутреннего смысла. Но если инвариантность — важная характеристика симметрии, возникает вопрос, что инвариантно в относительности Галилея. В данном случае это разделение пространства и времени. Мы привыкли, что знаем, каково пространство в данный момент, и знаем, сколько сейчас времени, взглянув на часы, но у нас нет априорного концепта пространства-времени как чего-то единого. В принципе относительности Галилея разделение пространства и времени абсолютно.

Величайшее открытие Эйнштейна, которое предвосхитили Пуанкаре и Лоренц, касалось законов электромагнетизма и уравнений Максвелла, известных к концу XIX века. Только из этих уравнений и законов мы можем вывести существование электромагнитных волн, и люди обнаружили, что скорость распространения электромагнитных волн будет равняться скорости света. Так мы пришли к выводу, что свет — это частный случай электромагнитных волн.

Как ни странно, законы электромагнетизма дают скорость, которая неравна другим, — скорость света. Это отличается от принципа относительности Галилея, где все скорости равны и одна абсолютная скорость одинакова для всех наблюдателей. Это полностью подрывает концепцию разделения пространства и времени.

Если есть одна скорость, которая кажется одинаковой для всех наблюдателей, то примирить это с обычным способом, описывать движение, измерять расстояние и время можно, только создав концепт относительного пространства-времени. Другими словами, длины и временные интервалы между двумя событиями будут зависеть от наблюдателя, который их измеряет. В этом был прорыв Эйнштейна: найти в себе достаточно дерзости, чтобы примирить механику и электромагнетизм, уничтожив разделение пространства и времени и заявив, что оба понятия относительны.

Эта лекция была опубликована в рамках проекта Serious Science, созданного командой ПостНауки. Здесь можно посмотреть оригинальную версию.