Время, ощущаемое нами, людьми, кажется одинаковым для всех – «универсальным», – но мы воспринимаем его как таковое только в сравнении со светом: никто из нас (даже пилоты военных истребителей) не движется гораздо быстрее или гораздо медленнее остальных – крайне удачное стечение обстоятельств для часовщиков.
Но, несмотря на неспособность наших чувств ощутить это, факт остается фактом: если бы у всех людей, животных и предметов на поверхности нашей планеты имелись собственные часы, то время на каждых часах отражалось бы по-разному. Мы все имеем собственное, закрепленное исключительно за нами время. Эйнштейн додумался до этого за десять лет до опубликования своей теории гравитации, в общей теории относительности, с которой вы познакомились в предыдущей части.
Тогда, не в состоянии устроиться в какой-нибудь университет, потому что никто не хотел туда его брать, двадцатилетний Эйнштейн вынужден был зарабатывать на жизнь клерком патентного бюро (точнее, его помощником) в швейцарском городе Берн. Но это не мешало ему думать.
В перерывах между оценкой патентных заявок он пытался представить себе устройство мира движущихся объектов в зависимости от их скорости. Он надеялся вывести теорию движущихся тел. Он еще не был одержим гравитацией. Так же как и Вселенной в целом. Только тем, как объектам удается перемещаться внутри нее.
В возрасте всего двадцати шести лет, в 1905 году, он опубликовал свою работу, и все научное сообщество вскоре поняло, что неизвестно кто сделал необыкновенное заявление из-за затерянного где-то внутри офисов швейцарской интеллектуальной собственности стола о том, что часы не всегда идут синхронно. Вернее, ход часов зависит от того, как они перемещались относительно друг друга.
Или, что еще лучше, выдвинутая этим неизвестным молодым человеком теория могла вычислить ожидаемую фактическую разницу во времени у двух путешественников в зависимости от их относительной скорости.
Эта теория называется специальной теорией относительности.
Давайте представим себе близнецов.
Двоих, так как обычно рождается пара.
Через пару лет после публикации Эйнштейна французский физик Поль Ланжевен, используя специальную теорию относительности, рассчитал, что если отправить одного из близнецов на ракете в шестимесячное космическое путешествие со скоростью 99,995% от скорости света, то оставшемуся на Земле брату придется ожидать его возвращения пятьдесят лет. Таким образом, согласно теории Эйнштейна, проведенные путешественником в ракете полгода необходимо приравнять к пятидесяти прожитым как домоседом, так и всем человечеством годам: за время путешествия близнеца наша планета обернется вокруг Солнца пятьдесят раз. Несмотря на то что братья являются близнецами, у них в конечном итоге больше не окажется одинакового возраста: один из них будет на сорок девять лет и шесть месяцев старше другого. Довольно удивительное заявление.
Если разогревать на огне металлический прут, он расширяется и становится длиннее. То есть растягивается. Если целенаправленно направлять тепло, можно растянуть только стержень, а не, скажем, наковальню, на которой он находится, – то есть его окружение не меняется.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, подобный феномен происходит и со временем. В ракете, летящей на скорости 99,995% от скорости света, или в самолете, перемещающемся со скоростью 99,999999999% от той же скорости, ракета, самолет и все содержащееся в них движется на сверхскоростях. Но не окружающая их среда. Так что только их собственное, индивидуальное время подвергается влиянию чрезвычайной скорости по отношению к окружающему миру.
То, что пережили близнецы Ланжевена, то, что пережили вы, летя на сверхскоростном самолете, ученые называют замедлением времени. Чем быстрее движется кто-то или что-то, тем больше выражено замедление времени.
Весьма своеобразное явление.
Но специальная теория относительности Эйнштейна также предлагает что-то еще более сложное для восприятия: она гласит, что время растягивается, а длина объектов, напротив, сжимается…
...
Представьте себя на Земле, в скафандре, с парочкой прикрепленных к спине ракет, настолько замечательных, что в них никогда не заканчивается горючее. Вы говорите своей нынешней жизни «до свидания» и готовы к отправке в космос.
А теперь пора в путь, и понадеемся, что случайные метеориты не окажутся на вашем пути.
Вы не просто разум, путешествующий через историю Вселенной, но разум и тело, как в предыдущий раз, когда вы отправились в пустынный космос просто ради удовольствия.
Вы уже в космосе.
Вы сверяете часы.
Они тикают точно так же, как и всегда: кажется, секунды сменяют друг друга, что бы это ни означало.
Земля отдаляется от вас, но вы представляете себе, что над ней висят огромные часы, с которыми всегда можно свериться, где бы вы ни находились, отсчитывающие время, скажем, в доме двоюродной бабушки, говоря вам, который там час, день и год.
Ваши ракеты набирают мощность.
Вы достигли 87% от скорости света.
Секунды по-прежнему спокойно следуют друг за другом на часах на вашем запястье и в клетках вашего тела, но все вокруг начинает становиться странно искаженным.
Вы оборачиваетесь посмотреть на часы над Землей.
Пока на ваших часах тикает одна секунда, на родной планете проходит две.
Поразительно.
Ваше личное старение замедляется вдвое по сравнению со всеми остальными жителями Земли. Но пока ваше восприятие обеспокоено этим, секунды неумолимо продолжают свой бег. Часы Земли, кажется, движутся быстрее.
Вы продолжаете лететь.
Вы достигли 98% от скорости света.
Уже пять земных часов проходят за один ваш час.
Вы смотрите вперед, на далекие галактики.
Как ни странно, все эти блестящие сгустки света, казавшиеся бесконечно далекими мгновение назад, теперь представляются не такими уж недостижимыми. Как будто галактики совершили прыжок вам навстречу. Точнее говоря, пять прыжков.
Что, конечно же, невозможно.
Вы смотрите на часы и спидометр (устройство, измеряющее скорость точно так же, как в автомобиле). Вы летите со скоростью 99,995% от скорости света, скоростью, которую Ланжевен придал ракете одного из своих близнецов. Она пока не такая высокая, как у несущего вас самолета, но даже на скорости 99,995% от скорости света земные часы идут в 100 раз быстрее ваших. Целые сутки на родной планете занимают для вас всего одну минуту двадцать шесть секунд. Один ваш год здесь равен ста годам там, в доме двоюродной бабушки. И те далекие галактики впереди, галактики, предполагавшиеся быть в миллионах световых лет от нас, как они вдруг оказались так близко? Конечно же, они не могут стать такими близкими всего через пару часов путешествия!
И все-таки могут.
В сотни раз ближе.
Их расстояние до вас только что сжалось в том же размере, в котором ваше время замедлилось по сравнению с земным.
Хотя это совсем не похоже на расширение Вселенной. Расширение происходит одинаково в любом выбранном направлении.
Здесь же все по-другому. Это происходит только в направлении вашего движения.
И зависит от вас и только вас.
Так что забудьте о Вселенной. Просто подумайте о себе и сосредоточьтесь на том, что видите вокруг.
Справа и слева, кажется, ничего не изменилось. То же самое происходит сверху и снизу, где далекие галактики все еще на том же самом месте, где они были перед началом вашего ускорения. Но галактики впереди вас определенно изменились. Если снова взглянуть на них, практически не остается сомнений, что происходит что-то подозрительное: кажется, замедлению подвержено не только время. В свою очередь, длина и расстояние явно… укоротились? сжались?
Похоже, именно так. Вся Вселенная выглядит так, словно вы рассматриваете ее сквозь искаженное увеличительное стекло, сужающее расстояние впереди, но не по бокам.
Вы проверяете часы.
Секунды все еще следуют друг за другом. А вы все ускоряетесь, и все кажется еще более искаженным. Ваша озадаченность и страх вполне понятны, так что вы совершаете полный разворот, чтобы вернуться на Землю, которая, как предполагается, находится чрезвычайно далеко… но она оказывается прямо перед вами! Оглянувшись, вы видите, что галактики, к которым вы приближались буквально мгновение назад, оказались снова там же, где и были, – очень далеко! Независимо от направления, в котором вы путешествуете на этой удивительной скорости, все впереди вас, как бы далеко ни находилось, кажется очень близким, в то время как расстояния в других направлениях не меняются…
Через несколько минут, все еще в полном смятении, вы пролетаете мимо Международной космической станции, вращающейся вокруг Земли на совершенно безумной скорости. Вы сверяете часы: одна секунда по-прежнему проходит ровно за секунду… Пролетаете мимо космонавта, чьи движения ускорены в 100 тысяч раз. Стрелки его наручных часов вращаются как сумасшедшие. Вы видите разницу между его временем и вашим! Перед вами разворачивается его жизнь. За десять часов на часах космонавта на ваших часах проходит лишь крошечная доля секунды… И он движется соответствующим образом… То же самое происходит с космической станцией, Землей и всем вокруг… А ваши ракеты по-прежнему изрыгают огонь, пронося вас мимо Земли. Все быстрее и быстрее. На пути к бесконечности и...
Через полсекунды на ваших часах космонавт снова оказывается на Земле, спустя пару секунд он умирает, вырастают его дети и дети его детей, на Земле пролетают тысячи дней, ночей и лет, и вы теперь слишком далеко, чтобы разглядеть что-нибудь еще.
Для вас проходит еще несколько секунд.
Вы продолжаете ускоряться.
Сейчас больше нет смысла возвращаться на Землю. Вы приземлитесь в будущем настолько отдаленном, что, вероятно, ощутите себя ископаемым и, безусловно, будете считаться таковым.
Вся Вселенная перед вами продолжает становиться все более близкой и плоской.
Сбоку по-прежнему ничего не меняется. Искажения происходят только впереди, по направлению вашего движения.
Вы все еще разгоняетесь.
Вы все ближе и ближе к скорости света, но что-то опять идет не так: хотя ваши ракеты по-прежнему успешно несут вас все быстрее и быстрее сквозь пространство и время, ваша скорость за последнее время не сильно увеличилась.
Более того, энергия ваших ракет, кажется, превращается в… массу.
Да, вы уверены в этом. Вы становитесь тяжелее с каждой минутой.
Годы мучительных диет разрушены ракетами.
Кто бы мог подумать?
– СТОП! – кричите вы, раздраженные этим более остального, и все застывает.
Сейчас вы где-то там, наверху, далеко в космосе, вероятно, в миллионах лет в будущем, но замерли на месте. Легко и непринужденно, как и вся Вселенная. Ничто не движется.
Можно на минуту расслабиться.
Ладно.
Давайте вместе поразмышляем о трех противоречащих здравому смыслу аспектах совершенного вами сверхскоростного путешествия.
Во-первых, время текло по-разному для вас и живущих на Земле, в том числе для космонавта (чье время так близко к времени огромных часов, зависших в небе над домом двоюродной бабушки, что их можно считать здесь идентичными). Обычные механические часы, которые и вы, и космонавт носили на руке, тикали совсем не с одинаковой скоростью, и чем быстрее вы летели, тем более заметно было различие. Это первое изменение. Странно, я согласен, но так и есть.
Вторая испытанная вами вещь – то, что расстояние до объектов впереди вас сжималось: то, что казалось очень далеким, пока вы не двигались быстро, становилось очень близким, как только вы начинали так перемещаться. Что также странно, соглашусь с вами. Но тем не менее тоже факт. Он называется релятивистским сокращением длины движущегося тела или масштаба.
И третье – то, что вы становились все тяжелее и тяжелее. Что, мягко говоря, раздражает, хотя, возможно, не столь же неожиданно, как два других аспекта, принимая во внимание, что теперь вы знаете, что E = mc2 – так что давайте, не откладывая в долгий ящик, рассмотрим этот особый побочный продукт быстрого перемещения.
Ничто, обладающее любой массой, не может достичь скорости света, не говоря уже о превосхождении этой скорости. Это закон. Так что чем быстрее движется что-то, имеющее массу, тем труднее становится его ускорить. Чтобы понять, что означает это на практике, представьте себя летящим так быстро, что добавление всего 1 километра в час к скорости на вашем спидометре будет означать достижение скорости света.
Затем вы достаете из кармана теннисный мяч и бросаете его впереди вас. Для определенности уточним, что вы бросите его со скоростью 20 километров в час.
На Земле это было бы легко. Но именно сейчас – нет. И по существу невозможно. Ничто не может двигаться быстрее света. Так что если вы летите со скоростью, лишь на 1 километр в час отстающей от скорости света, то мяч физически не мог лететь на 20 километров в час быстрее.
Ничто не мешает вам бросить мяч, это правда, – но если мяч не может двигаться быстрее скорости света, то ясно, что придется сделать что-то еще, чтобы зашвырнуть его в пустоту перед вами. И ответ дается нашим старым другом E = mc2 – дополнительная энергия, придаваемая мячу при броске, превращается в массу, так как не может превратиться в скорость.
Вы уже знаете, что массу можно превратить в энергию (внутри звезд, например), а здесь вы имеете пример противоположного явления: энергия превращается в массу. И вот объяснение: вы только что узнали благодаря специальной теории относительности Эйнштейна, почему вы становились все тяжелее до вашего крика и застывания всего вокруг.
...
Метр – это всегда метр, должно быть, думаете вы?
И снова ошибаетесь. В зависимости от того, как посмотреть.
Пространство и время связаны друг с другом: если меняется время, расстоянию тоже придется измениться.
Почему должно происходить именно так, спросите вы?
Почему расстояния и длины обязаны сокращаться, когда время замедляется?
Ответ на этот вопрос заключается в существовании абсолютного, нерушимого предела скорости природы: скорости света.
Если бы расстояния не сжимались, то вы бы уже нарушили этот предел.
В космическом пространстве свет распространяется со скоростью около 300 тысяч километров в секунду.
Наблюдатель на Земле, заметивший вас летящим на скорости 87% от скорости света, увидит вас на скорости 260 тысяч километров в его секунду.
Летя на такой скорости, вы, впрочем, должны помнить, что секунды, переживаемые сейчас вами, отличаются от его восприятия времени. На скорости 87% от скорости света одна ваша секунда приравнивается к двум секундам на Земле – и за эти две секунды наблюдатель видит, что вы пролетели 520 тысяч километров. Это видимое им расстояние в два раза больше расстояния, покрываемого вами за одну секунду.
Ничего особенного, не так ли?
Неправильно. Потому что, даже если бы вы пролетели 520 тысяч километров за две его секунды, прошла только одна ваша.
Это 520 тысяч километров в секунду, насколько вы помните.
Так как скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, то вы побили бы универсальный рекорд…
Но это запрещено. Не полицией, но природой. Запомните: ничто не может двигаться быстрее света. Уже в начале двадцатого века многочисленными экспериментами был установлен как данный факт, так и то, что в космическом пространстве свет всегда передвигается с данной скоростью (не большей и не меньшей). Ньютон никогда бы не смог объяснить это с помощью своего видения мира. Но Эйнштейн справился. С помощью своей теории.
В его теории движущихся тел, специальной теории относительности, время и расстояние должны замедляться и сжиматься таким образом, что, как ни смотри, ни один объект никогда не сможет пересечь пределы скорости света с любой точки зрения.
Время земного наблюдателя проходит в два раза быстрее вашего? Тогда проделанное вами расстояние является, с вашей точки зрения, половиной того, что видит наблюдатель.
Летя на скорости 87% от скорости света, вы за секунду преодолеваете не 520 тысяч километров, а 260 тысяч. То, что кажется километром с Земли, на самом деле полкилометра для вас.
Ваша скорость всегда одинакова, кто бы ни измерял ее – вы или кто-то другой.
Скорости не зависят от наблюдателя. От него зависят только время и расстояния.
Если с прибавлением скорости далекие галактики покажутся вам гораздо ближе, это потому, что они стали гораздо ближе. Объективно. И это относится не только к расстояниям: сами объекты тоже сжимаются вместе со скоростью. Как видно тому, кто не движется вместе с объектом, любая ракета и все ее пассажиры сжимаются. Даже вы. Летя, подобно Супермену, на скорости 87% от скорости света, с вытянутым вперед кулаком, вы сжались до половины вашего роста, измеренного рулеткой на Земле. А летящие с вами пассажиры не заметили бы этого, так как их рост тоже бы уменьшился…
И все это является следствием установления фиксированной, конечной и непревзойденной скорости света. Все это содержится в открытой Эйнштейном в 1905 году специальной теории относительности: теории, указывающей на законы природы для тех, кто решает путешествовать на (исключительно) высоких скоростях.
Странно? Да.
Противоречит здравому смыслу? Определенно.