Станислав Зигуненко - Как устроена машина времени?
За два столетия многое переменилось в окружающем мире. Скорости, в нем существующие, заметно возросли. Появились новые, отрасли знания — физики, в частности, вплотную занялись явлениями электромагнетизма. И потому на смену принципу относительности длился должен был прийти принцип относительности Эйнштейна. Он добавил в теорию одну важную аксиому: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Долгое время считали, что скорость света вообще равна бесконечности. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимите ночью голову к небу. Вы увидите звезды. Закройте глаза — звезды исчезнут. Откройте их снова — звезды тотчас появятся. Поскольку между мигом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка, то свет распространяется мгновенно».
А вот уже известный нам Галилей был по этому поводу другого мнения. Он предложил проделать эксперимент по измерению скорости света. Пусть два человека, снабженных сигнальными фонарями, станут подальше друг от друга, рассуждал он. Один из них открывает свой фонарь. Второй делает то же самое, как только видит свет фонаря первого. А наблюдатель, стоящий рядом с первым фонарщиком, пусть замерит промежуток времени, который пройдет между тем мгновением, когда первый фонарщик откроет свет своего фонаря, и тем мигом, когда наблюдатель увидит свет второго фонаря.
Галилей даже попытался провести такой эксперимент на практике, но вскоре убедился — скорость света чересчур велика, чтобы ее можно было было замерить вручную.
Опыты по схеме Галилея удалось провести в XVII и XIX веках. Сначала в 1675 году датский астроном Олаф Кристенсен Ремер провел наблюдения во время затмения открытых Галилеем спутников Юпитера. При этом впервые было подтверждено, что скорость света имеет конечную величину. А потом опыт Галилея был проведен в лабораторных условиях французским экспериментатором Ипполитом Физо в 1849 году с помощью сконструированного им простейшего механического устройства.
Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами шестеренки, распространялся на некоторое расстояние (в своих экспериментах Физо доходил и до дистанции в 9 км). На этом расстоянии стоит зеркало, отразившись. от которого световой луч идет обратно. Если зубчатое колесо неподвижно, этот луч попадет в глаз наблюдателя через тот же промежуток между зубцами. А вот если колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения световой луч попадет либо на зубец, либо — при дальнейшем повышении скорости — в следующий промежуток
Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно вычислить скорость распространения света. Физо получил в своих опытах значение скорости света, равное 313 тыс. км/с. (Для сравнения заметим, что в современных опытах, проведенных с помощью атомных часов, это значение равно 299 799 456 м/с с погрешностью ± 0,2 м/с.)
Так вот, разрабатывая свою теорию относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что скорость света в пустоте, вакууме абсолютна. Она равна примерно 300 тыс. км/с, и быстрее света не может двигаться ничто.
К этому выводу Эйнштейн пришел на основании логических рассуждений,4 основанных на известных ему экспериментах, связанных с изучением электромагнитных процессов. Особенно высоко ценил великий теоретик эксперимент голландского астронома де Ситтера, основанный на наблюдениях двойных звезд. Проведенные им исследования показали, что скорость света не зависит от скорости перемещения звезды, испускающей этот свет. Затем этот же факт неоднократно подтверждался и в других опытах.
Итак, скорость света постоянна. Так что же тогда меняется в этом изменчивом мире? Очень многое, в том числе и скорость… течения времени!
Чтобы понять, как это может быть, давайте вслед за Эйнштейном проведем мысленный эксперимент. Снова обратимся к двум лабораториям? одна из которых расположена в чистом поле, а другая в вагоне движущегося поезда.
Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Физик-наблюдатель движущейся лаборатории находится посредине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света.
Эксперимент построен так, что вспышки света от этих лампочек достигают «поездного» и «полевого» физиков строго одновременно, а именно в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы должен сделать из этого наблюдения каждый из экспериментаторов?
Физик в вагоне может рассуждать так: «Поскольку сигналы были посланы источниками, находящимися от меня на равных расстояниях и пришли одновременно, значит, и испущены они были строго одновременно».
Физик в полевой лаборатории имеет полное право прокомментировать описываемое событие несколько иным образом: «Когда середина вагона поравнялась со мной, обе лампочки были от меня на одинаковом расстоянии. Но свет был испущен несколько ранее момента, когда меня достиг — ведь как-никак световые лучи имеют пусть и огромную, но конечную скорость. Отсюда логично предположить, что в момент испускания света передняя стенка вагона была ко мне ближе, чем задняя. А так как свет от обоих источников распространяется с одинаковой скоростью, получается, что лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней…»
В итоге вслед за нашими физиками мы должны будем прийти к выводу: одновременно или неодновременно случилось некое событие, зависит от того, с какой точки зрения мы будем их рассматривать. Если с точки зрения двигавшегося физика, то лампочки вспыхнули одновременно; если с точки зрения физика, находившегося неподвижно, то нет.
А это, в свою очередь, неумолимо приводит нас к некому логическому парадоксу (по крайней мере таковым он кажется на первый взгляд): время в разных системах отсчета течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно не абсолютно, а относительно… С точки зрения теории относительности нельзя сказать просто «сейчас столько-то времени». Надо обязательно добавлять, в какой именно системе координат.
Парадокс близнецов
Из чисто логических построений Эйнштейна вскоре последовали и практические расчеты зависимости течения времени от скорости движения. Позвольте здесь опустить математические выкладки (как помните, их не очень жаловал и сам Эйнштейн) и сообщить вам сразу конечный результат. В движущейся системе координат время замедляется по отношению к неподвижной системе в зависимости от близости скорости движения нашего объекта к скорости света.
Это уже дает нам по крайней мере одну принципиальную возможность построить машину времени. Садитесь в ракету, отправляйтесь в длительное путешествие, разогнавшись до скорости, близкой к световой, и вы вернетесь на Землю значительно более молодым, чем ваши современники, провожавшие вас в полет.
В «Популярной физике» Дж. Орира даже приводится точный расчет, насколько вы будете моложе. Если один из близнецов в возрасте 20 лет отправится в космическое путешествие к звезде Арктур на корабле, летящем со скоростью 0,99 скорости света, то, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он вернется на Землю через 11,4 года по корабельному времени. На Земле же за это время пройдет 80,8 года. Так что брат, оставшийся на планете, должен очень постараться, чтобы дождаться возвращения межзвездного путешественника. Ведь ему к моменту возвращения корабля стукнет 108,8 года! Космический путешественник окажется моложе его на целую жизнь — 69,4 года!
Так что летайте субсветовыми звездолетами! Вы сэкономите себе массу времени! И был совершенно прав известный писатель В. Войнович, когда в одной из своих книг послал своего героя преодолевать 100-летний промежуток именно таким образом. Отправил его звездолетом в путешествие, а когда тот вернулся, на Земле прошло ровно столетие.
«Ну, фантасты способны еще и не на такие чудеса, — вполне справедливо скажете вы. — А вот нам-то, ныне живущим, какой прок от подобных машин времени? Субсветовых звездолетов пока нет, и рассчитывать, что они появятся при нашей жизни, знаете, как-то не приходится…»
Что верно, то верно. И потому на сегодняшний день единственные люди, которые могут воспользоваться выводами из теории Эйнштейна в своих практических целях, — это астрономы.
Расстояния во Вселенной не случайно измеряются световыми годами. Световой год — это тот путь, который световой луч может преодолеть, пока на Земле пройдет год. Стало быть, глядя на звезды, мы видим их не такими, какие они есть в настоящее время, а такими, какими они были 40, 50 и более световых лет назад.
«…Как свет умерших звезд доходит», — сказал В. Маяковский. Сегодня мы видим свет небесных объектов, которых на самом деле уже нет. А самое главное, таким образом мы можем заглянуть в собственное прошлое и прогнозировать отдаленное будущее!
