Дэйв Голдберг - Вселенная.Руководство по эксплуатации
Время и пространство на самом деле зависят от того, как вы двигаетесь. Это не оптическая иллюзия, не психологический парадокс — так устроена Вселенная.
III. Если летишь в звездолете со скоростью, близкой к скорости света, какие ужасы ждут тебя по возвращении?
Казалось бы, это пустое любопытство, однако ученые нашли способ провести интересные исследования на основе этого феномена. В качестве примера грандиозных открытий, касающихся устройства Вселенной, приведем скромный мюон. Никогда о таком не слышали? Не ваша вина. Если разживетесь мюоном, дорожите временем, которое вы сможете провести в его обществе, поскольку в среднем мюоны живут около миллионной доли секунды (за это время луч света проходит меньше километра, а актерская карьера рэпера по имени Ванилла Айс достигает пика и завершается), а затем они распадаются на что-то совершенно другое.
Учитывая то, откуда они берутся и как долго пребывают с нами, нельзя сказать, чтобы мюонов было так уж много. Формируются они так: сначала космические лучи входят в верхние слои атмосферы и создают частицы под названием пионы (не путать с садовыми цветами), которые живут еще меньше и распадаются на мюоны. Все это происходит примерно в 15 километрах над поверхностью Земли. Поскольку двигаться быстрее света невозможно, а ближайшие мюоны пробегают за свою жизнь меньше километра, здравый смысл подсказывает, что до Земли они не добираются.
Здравый смысл снова вас обманывает11.
*Зато вы пойдете домой с этой книгой в качестве утешительного приза. И никто, кроме вас, не узнает, какой вы мастер догадываться, если, конечно, не заглядывает сейчас в книгу вам через плечо.
Энергия мюонов так высока, что многие из них двигаются со скоростью 99,999% скорости света, а значит, что для нас, наблюдателей, стоящих на земле, «часы» внутри мюонов — то самое, что подсказывает им, когда пора распасться, замедляются раз в 200 или около того. Вместо того чтобы до распада пролететь меньше километра, они способны до распада пробежать почти 200 километров — а этого с избытком хватает, чтобы достичь Земли.
Быть может, более понятным примером станет так называемый парадокс близнецов. Так вот, позвольте представить вам близняшек Эмили и Бонни, которым 30 лет. Эмили решает отправиться к далекой звезде, садится в звездолет и улетает со скоростью 99% скорости света. Год спустя ей становится скучно и одиноко, и она возвращается на Землю — опять же со скоростью 99% от с.
Однако, с точки зрения Бонни, часы Эмили (и стенные, наручные, и пульс, и все прочее) все это время были замедленны. Эмили отсутствовала не два года, а целых 14!
Как ни верти, это правда. Бонни стукнет 44, а Эмили — 32. Можно даже считать движение со скоростью, близкой к Скорости света, своего рода путешествием во времени, только путешествовать вы все равно будете в будущее, а не в прошлое.
Будут и другие, не такие яркие последствия. Например, поскольку, с точки зрения Бонни, Эмили Летела прочь от Земли в течение семи лет со скоростью, близкой к скорости света, значит, она должна была пролететь семь световых лет от Земли и только потом передумала и вернулась. Значит, она пролетела почти всю дорогу до звезды Wolf-359, пятой по близости к нашему Солнцу. Однако, с точки зрения Эмили, нельзя двигаться быстрее света, так что за год она прошла только расстояние в 99% светового года. Иначе говоря, в пути она оценивает расстояние между Солнцем и Wolf-359 всего в один световой год.
Это явление известно как, «сокращение длины». Как и замедление времени, сокращение длины — не оптическая иллюзия. Двигаясь со скоростью 99% скорости света, Эмили наблюдает, что все, что расположено вдоль направления ее движения, сокращается в длину в семь раз. Земля покажется ей сплющенной, а Бонни — тощей, как щепка, но при этом она будет нормального роста и, так сказать, глубины.
В повседневной жизни мы не замечаем этого явления так же, как и сокращения времени. Если наш друг-пилот решит взглянуть, что делается внизу, улицы, над которыми он будет пролетать, будут несколько уже, чем обычно, но даже при полете на скорости 1000 километров в час разница составит примерно 0,04% величины атома. При помощи теории относительности легко объяснять диковинные явления, происходящие на очень высоких скоростях, однако очевидно, что здорового питания и физкультуры она не заменит.
Замедление времени и сокращение длины наблюдаются симметрично, когда Бонни смотрят на Эмили и когда Эмили смотрит на Бонни. Тут и таится парадокс. Когда Эмили спускается с трапа своего звездолета, вернувшись на Землю после полета на Wolf-359, все единодушно говорят о том, что она постарела всего на два года, а Бонни — на целых 14. Это категорически противоречит чуть ли не всему, что мы с вами только что обсуждали, потому что мы сразу понимаем, что «двигалась» именно Эмили, а не Бонни, а первое правило, которое нам внушают, заключается в том, что невозможно различить, кто двигался, а кто был неподвижен. Как же нам разрешить этот парадокс?
Мы уже познакомили вас с одним правилом, которое говорит, включились ли в действие законы специальной теории относительности или нет: чтобы специальная теория относительности заработала, нужно двигаться равномерно и прямолинейно. А чтобы расставить все по местам, мы вам скажем с определенностью: нет, Эмили двигалась иначе. Чтобы улететь от Земли, ей нужно было взлететь и набрать скорость (подвергнувшись при этом чудовищным перегрузкам из-за ускорения), а добравшись до Wolf-359, ей пришлось сбросить скорость и развернуться, а затем — еще раз сбросить скорость, когда она садилась на Землю.
Если учитывать все эти ускорения, ничего нельзя утверждать с определенностью, и для описания происходящего нужна гораздо более сложная теория. Это видно даже из истории вопроса: Эйнштейн выдвинул специальную теорию относительности (без учета ускорений) в 1905 году, а общую теорию относительности (которая учитывает гравитацию и другие разновидности ускорения) разработал лишь к 1916 году.
IV. Можно ли развить скорость света
(и поглядеть на себя в зеркало)?
Мы ушли страшно далеко от первоначального вопроса, и это никуда не годится, потому что это очень хороший вопрос — настолько хороший, что его задавал себе сам Эйнштейн. Однако вам, наверное, кажется, что мы ничуть не приблизились к ответу на него.
Au contraire!1
* Не трогайте эту кнопку! (фр.)
Ответ будет состоять из двух частей, и одну из них вы уже готовы сформулировать (и даже уже сформулировали). Вспомним старину Рыжего и его поезд. Теперь представим себе, что поезд Рыжего едет со скоростью 90% скорости света (или с любой другой скоростью на ваш выбор). Однако Рыжий ничего вокруг не замечает, потому что лихорадочно прихорашивается перед свиданием с красоткой Лили по прозвищу Окорочок. Не заметит ли он, глядя в зеркало на свою симпатичную физиономию, что чего-то не хватает? Нет, не заметит. Поскольку в его вагоне нет окон, а движется он равномерно и прямолинейно, нет никакого эксперимента, который показал бы ему, что он движется, а не стоит на месте. Пока зеркало движется вместе с Рыжим, он выглядит совершенно так же, как если бы никуда не ехал.
Все это прекрасно и правильно, пока Рыжий движется медленнее света, но что будет, если он движется со скоростью света? Да-да, мы понимаем, мы сами говорили, что двигаться со скоростью света никому не удастся, поэтому, вероятно, вы могли бы поверить нам на слово и тем удовлетвориться. Но зачем?
Поясним на примере. Пачкуля, завидуя успеху, который Рыжий имеет у дам, наблюдает за тем, как тот готовится к свиданию. Конечно, ему надо следить очень внимательно, ведь поезд Рыжего несется со скоростью 90% скорости света. Трагедия происходит в тот момент, когда у Рыжего звонит мобильник (только не спрашивайте, каким образом прошел сигнал) — это Лили сообщает, что не придет. Лили говорит очень ласково, но Рыжий все равно ужасно расстроен — он хватает еще тепленькую банку фасоли и швыряет ее в переднюю стенку вагона со скоростью 90% скорости света (с его точки зрения).
Вероятно, Пачкуля вне себя от радости, точнее, от злорадства, но это не мешает ему отметить, с какой скоростью летит банка фасоли. В годы беспечной юности он бы предположил, что фасоль летит со скоростью 1,8 с — скорость поезда (0,9 с) плюс скорость банки (0,9 с). Но он давно оставил подобные глупости.
Вспомним два факта.
1. Пачкуля видит, что часы Рыжего замедлились (в данном случае в 2,3 раза).
2. Пачкуля видит, что поезд Рыжего сжался (в данном случае опять же в 2,3 раза).
Конечно, детали тут не так уж важны, но вот что Пачкуле представляется существенным:
