Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Теперь предположим, что космический путешественник покидает Землю и по прошествии некоторого времени удаляется от нас со скоростью, близкой к световой. Если бы мы могли наблюдать, как он путешествовал, мы бы видели, как его время проходит раз в сто медленнее, чем наше. Если бы он наблюдал нас, он бы видел, как наше время проходит в сто раз медленнее, чем его. Другими словами, если бы, поворачивая, он настаивал на том, что находится в покое, ему пришлось бы тогда признать, что вся Вселенная поворачивается вокруг него. Эффектом этого будет уменьшение промежутка времени для него, если речь идет и о нем, и о оставшихся дома землянах.

Путь туда-обратно может показаться ему длившимся всего год, но на Земле может пройти сто лет. Если бы у нашего космонавта был брат-близнец, оставшийся на Земле, этот брат давно мог умереть от старости, в то время как наш космонавт едва ли постарел бы. (Это называется парадоксом близнецов.) Однако важно понимать, что космический путешественник не обнаружил источника вечной молодости. Он мог состариться только на год за земной век, но он и прожил за этот земной век всего год. Более того, независимо от его скорости время ни для него, ни для его наблюдателей, находящихся на Земле, не повернет вспять. Моложе он никогда не станет.

Изменяемость времени в зависимости от изменений скорости разрушает наши представления об абсолютности времени. Из-за этого становится невозможным определить время события таким образом, чтобы все наблюдатели согласились с этим. Вдобавок к этому время ни одного события не может быть определено, пока информация об этом событии не дойдет до наблюдателя, а эта информация может распространяться только со скоростью света.

В качестве простого примера давайте представим, что космический путешественник возвращается на Землю, для него прошел один год, и он обнаруживает, что его брат-близнец умер пятьдесят лет назад по земному времени. Для путешественника это может показаться невозможным, ведь по его меркам пятьдесят лет назад его брат еще не родился.

На самом деле в математическом обосновании теории относительности нет смысла работать отдельно с пространством или отдельно со временем. Вместо этого уравнения описывают их объединение (обычно именуемое пространство-время). Чтобы разместить точку на прстранстве-времени, надо назвать координаты на каждом из трех пространственных измерений и значение времени; время при этом рассматривается как подобное (хоть и не в точности) трем обычным измерениям. Именно в этом смысле время называют «четвертым измерением».

Иногда утверждают, что существование относительного времени позволяет измерять скорости больше световой. Допустим, к примеру, что космический корабль летит от Земли до некоей планеты, находящейся на расстоянии десяти световых лет, и делает это так быстро, что вследствие растяжения времени команде кажется, что путешествие заняло всего год.

Поскольку корабль, путешествуя всего год, прошел расстояние, на преодоление которого свету требуется десять лет, не означает ли это, что он двигался со скоростью в десять раз больше световой?

Правильный ответ — не означает. Если бы члены команды начали отстаивать это мнение, они бы измеряли промежуток времени в один год в своей собственной системе отсчета, а расстояние от планеты до Земли (десять световых лет) — в системе отсчета Земли. Вместо этого им следовало бы спросить: каково расстояние от Земли до планеты в системе отсчета корабля?

В системе отсчета корабля корабль, разумеется, неподвижен, а Вселенная в то же время, включая Землю и планету-цель, проскакивает назад на огромной скорости. Вся Вселенная сокращена, как и следует ожидать из сокращения Фитцджеральда (см. гл. 6), и расстояние от Земли до конечной планеты гораздо меньше чем десять световых лет. На самом деле оно меньше одного светового года, так что корабль может преодолеть это расстояние за один год, не превышая скорости света.

Опять же, хотя кораблю потребовался всего год, чтобы добраться до цели, это не значит, что он обогнал свет, даже несмотря на то, что лучу света, вылетевшему с Земли одновременно с кораблем, потребуется десять лет на то, чтобы преодолеть расстояние в десять световых лет. Этот промежуток — десять световых лет — будет истинным только в рамках земной системы отсчета. В собственной же системе отсчета луча, поскольку он движется со скоростью света, затраченное время сократится до нуля, и луч света попадет на альфу Центавра (или любое другое место во Вселенной, сколь угодно удаленное), не тратя на это времени вообще.

Это нельзя использовать как аргумент в пользу того, что в системе отсчета светового луча его скорость в таком случае бесконечна, поскольку в собственной системе отсчета светового луча вся толща Вселенной сокращается до нуля в направлении его движения. Пересечение Вселенной нулевой толщины не займет у света времени, даже если скорость конечна и составляет всего 300 000 километров в секунду.

Одним из базовых допущений специальной теории является невозможность измерить абсолютное движение; допущение о том, что ни один наблюдатель не может присвоить себе привилегию считать себя находящимся в покое и что все системы отсчета равно действительны.

Если же рассмотреть неравномерное движение (вне сферы действия специальной теории), во всем вышеперечисленном могут возникнуть сомнения.

Допустим, два корабля движутся бок о бок на равной скорости. Члены экипажа на каждом корабле могут считать и себя, и другой корабль находящимися в покое. Затем внезапно корабль Y начинает двигаться вперед по отношению к кораблю X.

Экипаж корабля X может утверждать, что они были все еще в покое, пока корабль X начал двигаться вперед с ускорением. Экипаж корабля Y, однако, может, напротив, утверждать, что они все еще были в покое, когда корабль X начал двигаться назад с ускорением. Так есть ли способ выбрать одно из этих противоречащих друг другу наблюдений?

В случае такого неоднородного движения — может быть. Так, если бы корабль Y «действительно» ускорялся вперед, то люди в нем чувствовали бы, как инерция вдавливает их назад (как вас вдавливает в спинку кресла, когда вы жмете на педаль газа, сидя в своем автомобиле). С другой стороны, если бы корабль X двигался с ускорением назад, то люди в нем чувствовали бы, как инерция отбрасывает их вперед (как вас толкает в ветровое стекло, когда вы нажимаете на тормоза). Следовательно, экипажи кораблей могли решить, который из кораблей «действительно» двигался, по тому, какую инерцию члены экипажей испытывали.

Наверное, можно определить абсолютное движение по факту и силе эффектов инерции. В своей общей теории относительности Эйнштейн перечислил, какие качества должна проявить Вселенная, чтобы таким образом нельзя было определить абсолютность движения.

Ньютоновский взгляд на массу описывал в общем-то два вида массы. По второму закону Ньютона масса определяется через инерцию, имеющуюся у тела. Это «масса инерции». Также массу можно определить через силу вызываемого им инерционного поля. Это «масса гравитации». Со времен Ньютона считалось, что эти две массы полностью идентичны, но способа доказать это не предвиделось. Эйнштейн не пытался это доказать; он просто предположил, что масса инерции и масса гравитации идентичны, и дальше уже исходил из этого допущения.