Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Кажется, вы были в воздухе в течение восьми часов.

– Могу ли я узнать, почему вы кричали? – спрашивает странный сосед.

– Где мы? Какой сейчас год? – недоуменно произносите вы в ответ.

– Простите?

– Какой сейчас год? – настаиваете вы довольно нервно.

– 2015-й! – отвечает сосед слегка удивленно.

Когда стюардесса объявляет, что самолет готов начать снижение, вы понимаете, что просто спали, что не летали в будущее и все еще здесь, на пути в прекрасный старинный нормальный родной город, с его бетонными дорогами и кирпичными зданиями.

– Температура воздуха за бортом 12 °C, – продолжает свою речь стюардесса, – и утренний туман обещает рассеяться к полудню…

2015 год.

Какое облегчение.

Но какой странный сон.

Впрочем, то, что вы только что испытали, не было чистым полетом фантазии.

Вы действительно получили общее представление о том, как будет выглядеть Вселенная, если перемещаться по ней нереально быстро. Ученые назвали скорости, за которыми испытанные вами странные эффекты больше нельзя игнорировать, релятивистскими, или околосветовыми, скоростями, и все, что вы только что воображали, повиновалось законам природы в их современном понимании, с релятивистской точки зрения.

Конечно, человек никогда не достигал таких скоростей, но окружающим нас частицам это действительно удавалось. На самом деле, они движутся так все время. Но тогда, в далеком 1905 году, когда Эйнштейн озвучил свои удивительные идеи, было затруднительно проверить поведение частиц на практике.

Прошло практически 66 лет после опубликования специальной теории относительности, когда двое американских ученых, Джозеф Хафеле и Ричард Китинг, провели эксперимент, продемонстрировавший странный эффект замедления времени, предсказанный Эйнштейном.

Мы – в 1971 году.

Хафеле и Китинг приобрели трое лучших на то время атомных часов. После синхронизации они продолжают работать на чрезвычайном уровне точности: отставая не более одной миллиардной секунды в течение миллионов лет. Действительно, весьма надежные часы.

Так вот, у Хафеле и Китинга было трое таких часов. Работающих синхронно.

И они взяли их с собой в аэропорт.

Одни часы оставили на земле, в аэропорту, а для двух других забронировали отдельные места на двух самолетах, выполнявших регулярные коммерческие авиарейсы.

Воображая себе реакцию других пассажиров самолетов, я начинаю невольно улыбаться…

Как бы то ни было, оба самолета отправились в полет. Один полетел на восток, а другой – на запад. Облетев, таким образом, вокруг Земли, часы в конечном итоге приземлились в аэропорту вылета, чтобы присоединиться к оставшемуся на земле собрату. Поскольку Земля оборачивается вокруг своей оси с запада на восток, то между полетами в обоих направлениях существует небольшая разница в общей скорости самолетов относительно Земли.

Теперь, если бы природа вела себя так, как полагает наша интуиция, то трое атомных часов должны были оставаться синхронизированными независимо от движения самолетов. Секунда на то и секунда, и на универсальных часах на тумбочке у кровати господа бога одна секунда должна тикать ровно одну секунду. Все часы, которые вы когда-либо видели или использовали, будь то механические часы или нет, полностью согласны с вами в этом вопросе. И так оно и есть. За исключением случаев… нет, не так. Природу не слишком заботит то, что считает наша интуиция, и здесь эта интуиция как раз не права. Обычные часы просто недостаточно точны, чтобы сообщить нам о разнице. Наша интуиция может ошибаться, но теория Эйнштейна – нет.

После приземления двух самолетов в аэропорту Хафеле и Китинг обнаружили, что трое атомных часов больше не идут синхронно.

Часы, путешествовавшие в летевшем на восток самолете, отставали на 59 миллиардных долей секунды по сравнению с оставшимися в аэропорту часами. Часы, совершившие перелет на запад, забегали на 273 миллиардные доли секунды вперед.

Если бы часы оставались стоять рядом друг с другом, такого несоответствия пришлось бы дожидаться более 300 миллионов лет.

* * *

Согласно сделанным Хафеле и Китингом выводам существуют две причины возникшей разницы.

Первая связана со скоростью, со специальной теорией относительности: как догадался Эйнштейн, относительные скорости трех часов действительно должны приводить к некоторым крошечным, но измеримым эффектам замедления времени.

Вторая причина, хотя и не имеет ничего общего со скоростью, зато касается гравитации и общей теории относительности Эйнштейна. Так же как катящийся тяжелый мяч прогибает резиновую поверхность больше обычного, так и воздействие Земли на пространство-время, как утверждал Эйнштейн, должно быть более выражено вблизи ее поверхности, чем высоко в небе, где летают самолеты, а следовательно, влиять на протекание времени на различных высотах.

Эти две независимые друг от друга причины были рассчитаны еще до проведения эксперимента Хафеле и Китинга.

И суммированы.

В целом теории Эйнштейна предсказали, что в сравнении с оставленными на земле часами часы, полетевшие на восток, отстанут в конечном итоге вплоть до 60 миллиардных долей секунды, а летящие на запад забегут на 275 миллиардных долей секунды вперед.

Эксперимент доказал его правоту.

Возможно, вас это не так впечатлит, потому что разница во времени крошечная. Но она есть. И помните, что самолет не летает так быстро, а Земля не столь большой космический объект. Если лететь быстрее и (или) приближаться к гравитационно гораздо более мощному объекту в космосе, разница во времени может стать огромной, что вы уже испытали во сне, летя в самолете с околосветовой скоростью.

Само собой разумеется, верность эксперимента Хафеле и Китинга с 1971 года была доказана, подтвердив результат с увеличенным уровнем точности. Так что пространство-время действительно означает то, что означает, – сочетание пространства и времени. Во Вселенной отсчитываемое часами время зависит от того, кто смотрит на их стрелки: от того, где вы и что находится рядом (немного гравитации), и от вашей скорости. В начале двадцатого века эта мысль звучала очень абстрактно. Сегодня она – экспериментально доказанный факт. Нам всем придется принять ее.

Во Вселенной время и расстояние не являются универсальными понятиями. Они зависят от наблюдателя, от того, кто их на себе испытывает и кто на них смотрит. Оба понятия относительны. В противном случае скорость света не будет ни фиксированной, ни ограниченной.

И что человечество извлекло из данного знания? Изменит ли оно нашу повседневную жизнь? Часть его, связанная именно со скоростью, – да, намного. Мало того что наши технологии сплошь и рядом используют быстро движущиеся частицы для передачи информации всеми возможными способами, специальная теория относительности, таким образом, помогает нам понять, как работает вся материя, из которой мы созданы. Как вы скоро увидите, электроны внутри составляющих ваше тело атомов и почти все остальное в микромире действительно двигаются очень быстро.