The fundamentals of space-time: Part 1 - Andrew Pontzen and Tom Whyntie

Основы пространства-времени: Часть 1 - Эндрю Понцен и Том Уинти

Переводчик: Вадим Гузик Редактор: Ростислав Голод

Space: it's where things happen.

Пространство — это там, где что-то происходит.

Time: it's when things happen.

Время — это тогда, когда что-то происходит.

We can measure where things are

Мы можем измерить то, где что-то происходит

and when things take place,

и когда что-то происходит.

but in modern physics,

Но в современной физике

we realize when and where

мы понимаем, что «когда» и «где»

are actually part of the same question.

являются частью одного и того же вопроса.

Because when it comes to understanding the universe,

Потому что как только нам надо понять,

we need to replace three-dimensional space plus time

как устроена Вселенная,

нам необходимо заменить трёхмерное пространство плюс время

with a single concept:

единым целым:

four-dimensional space-time.

четырёхмерным пространством-временем.

We'll explore and explain space-time

Мы подробно расскажем о пространстве-времени

in this series of animations.

в этой серии мультфильмов.

Animations?

Мультфильмов?

Yeah.

О да!

Well, we're not very animated are we?

Но мы ж не мультяшные герои?

Sure we are! Look, I can go from here to here.

А кто же ещё! Смотри, как я могу попасть отсюда сюда.

Whoa! How'd you get from here to there?

Ух ты! Как ты попал оттуда суда?

How fast did you go?

Как быстро ты двигался?

Did you run? Walk?

Ты бежал или шёл?

Did you even go in a straight line?

Ты шёл по прямой линии?

Ah! To answer that, you'll need to make our cartoon physics

Да уж! Чтобы ответить на все эти вопросы, нам нужно мультяшную физику

look more like physics physics.

сделать как бы «физической» физикой.

You'll need more panels.

Нам нужно побольше слайдов.

More panels, please!

Побольше слайдов, пожалуйста!

Okay, in each panel, Andrew's in a slightly different place.

Итак, в каждом слайде Эндрю находится в разных местах.

So I can see each one records

Поэтому я вижу, как на каждом слайде запечатлено,

where Andrew is at a different time.

где Эндрю в определённый момент времени.

That's great. But it would be easier to see

Отлично. Но было бы легче увидеть,

what's going on if we could cut out

что происходит, если бы мы могли вырезать

all the hundreds of panels and stack them up

сотни слайдов и сложить их стопкой,

like a flip book.

чтобы у нас получился блокнот.

Right, now let's flip through the book

Отлично. А теперь пролистаем блокнот так,

so that we can see one panel after another

чтобы мы видели, как слайды сменяют друг друга

getting through 24 in every second.

со скоростью 24 в секунду.

See! I told you it was an animation.

Видите? Я говорил, что это как в мультике.

Now you can see me walking along.

Сейчас вы видите, как я иду.

Drawing all those panels and putting them into a flip book

Рисунки на слайдах, сложенные стопкой в блокнот, —

is just one way of recording the way I'm moving.

один из способов запечатлеть, как я двигаюсь.

It's how animation, or even movies, work.

Таков принцип создания мультфильмов и даже кино!

As it turns out, at my walking speed,

Оказывается, что при моей скорости ходьбы

it takes two seconds to get past each fence post,

я прохожу за две секунды от одного столбика забора к другому,

and they're spaced four meters apart.

а расстояние между ними 4 метра.

So we can calculate my velocity --

Таким образом, мы можем рассчитать скорость,

how fast I'm moving through space - -

то есть как быстро я передвигаюсь в пространстве,

is two meters per second.

и она равняется двум метрам в секунду.

But I could've worked that out from the panels

Но я мог бы получить ответ из слайдов,

without flipping through them.

даже не листая их.

From the edge of the flip book,

Если посмотреть на стопку слайдов,

you can see all of the copies of the fence posts

вы видите все изображения столбиков забора

and all of the copies of Andrew

и все изображения Эндрю,

and he's in a slightly different place in each one.

и на каждом из слайдов он немного в разном месте.

Now we can predict everything that will happen to Andrew

А сейчас мы можем предсказать, что случится с Эндрю,

when we flip through 24 pages every second,

если мы пролистаем блокнот со скоростью 24 страницы в секунду,

including his speed of motion,

мы даже узнаем скорость его движения,

just by looking.

просто глядя на блокнот.

No need to flip through at all.

Его даже не надо листать.

The edge of this flip book

Стопка листов блокнота

is known as a space-time diagram

известна как пространственно-временная диаграмма

of Andrew's journey through, you guessed it,

путешествия Эндрю через — угадали —

space and time.

пространство и время.

We call the line that represents Andrew's journey

Линия, которая показывает путешествие Эндрю,

his world line.

называется мировой линией.

If i jog instead of walking,

Если я буду бежать, а не идти,

I might be able to get past a fence post every second.

то я смогу пробегать мимо каждого столбика за секунду.

He's not very athletic.

Спортсмен из него никудышный.

Anyway, when we look at this new flip book from the edge,

Как бы то ни было, если посмотрим на блокнот сбоку,

we can do the same analysis as before.

мы сможем проделать такой же анализ, как и раньше.

The world line for Andrew jogging

Мировая линия бегущего Эндрю

is more tilted over

более пологая,

than the world line for Andrew walking.

чем мировая линия идущего Эндрю.

We can tell he's going twice as fast as before

Мы можем увидеть, что он движется в два раза быстрее, чем раньше,

without flipping the panels.

даже не листая слайды.

But here's the clever bit.

Но здесь есть одна хитрость.

In physics, it's always good to view things from other perspectives.

В физике очень бывает полезно смотреть на вещи с другого ракурса.

After all, the laws of physics

Ведь как бы то ни было, законы физики

should be the same for everyone

едины для всех,

or no one will obey them.

иначе никто их не будет соблюдать.

So let's rethink our cartoon

Давайте по-другому взглянем на наш мультик:

and have the camera follow Andrew jogging along

сделаем так, чтобы камера следила за бе́гом Эндрю

as the fence posts approach and pass behind him.

по мере того, как он будет приближаться и пробегать столбики.

Still viewing it as a flip book of panels,

Представив это как блокнот слайдов,

we don't need to redraw anything.

мы не будем ничего перерисовывать.

We simply move all of the cutout frames slightly

Мы просто слегка переместим края слайдов,

until Andrew's tilted world line

и косая мировая линия Эндрю

becomes completely vertical.

станет абсолютно вертикальной.

To see why, let's flip it.

Чтобы понять, зачем, давайте полистаем блокнот.

Yes, now I'm stationery, just jogging on the spot,

Да, сейчас я бегу на месте

in the center of the panel.

в центре слайда.

On the edge of the flip book,

В стопке слайдов

my world line was going straight upwards.

моя мировая линия направлена по прямой вверх.

The fence posts are coming past me.

Мимо меня мелькают столбики забора.

It's now their world lines that are tilted.

Но сейчас косые мировые линии у них.

This rearrangement of the panels is known as a

Данная перестановка слайдов получила название

Galilean transformation,

Преобразования Галилея,

and it lets us analyze physics from someeone else's perspective.

она позволяет нам анализировать физику с чьей-то ещё точки зрения.

In this case, mine.

В нашем случае — с моей.

After all, it's always good to see things from other points of view,

Кроме того, не так уж и плохо иногда взглянуть на вещи с другой точки зрения,

especially when the viewers are moving

особенно когда зрители двигаются

at different speeds.

с разными скоростями.

So long as the speeds aren't too high.

Только если скорости не столь велики.

If you're a cosmic ray moving at the speed of light,

А вот если вы космический луч, двигающийся со скоростью света,

our flip book of your point of view falls apart.

наш блокнот с вашей точки зрения просто разлетится.

To stop that from happening,

Чтобы помешать этому,

we'll have to glue panels together.

нам надо склеить слайды вместе.

Instead of a stack of separate panels,

Вместо стопки отдельных слайдов

we'll need a solid block of space-time,

нам потребуется цельный блок пространства-времени,

which we'll come to in the next animation.

о котором мы вам расскажем в следующей серии.