Текст книги "Физика времени"
Автор книги: Артур Чернин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 20 страниц)
Сверхсветовые скорости?
Не так давно произошло одно астрономическое открытие, которое поначалу необычайно всех изумило. Удивительные открытия в астрономии следуют в последние двадцать лет одно за другим*). Но это… Судите сами – открыты движения со сверхсветовыми скоростями.
*) Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрономии и астрофизики; о новейших открытиях в мире звезд и галактик можно прочитать в книгах: Чернин А. Д. Звезды и физика. – М.: Наука, 1984.– Вып. 38.—(Б-чка «Квант»); Ефремов Ю. Я. В глубины Вселенной.– М.: Наука, 1984.
Вот точные факты астрономических наблюдений.
В 1974 году в самом центре довольно далекой галактики, которая значится под номером 120 в 3-м Кембриджском каталоге, произошла яркая вспышка. Возникла светящаяся область, которая прямо, можно сказать, на глазах увеличивалась в размерах. Светящееся пятно разрасталось, и за полгода его радиус увеличился практически от нуля до 3-х световых лет. С какой же скоростью расширялось пятно?
Один световой год – это путь, который свет проходит за один год; но чтобы за полгода пройти расстояние в три световых года, требуется скорость, в шесть раз превышающая скорость света. Выходит, что с такой скоростью и расширялось пятно.
Другой пример. Одна из галактик в созвездии Ящерицы давно уже привлекла внимание астрономов своим необычным поведением. Наблюдая ее центральную область в декабре 1980 года, астрономы нашли там два ярких пятнышка, расстояние между которыми составляло 3 световых года. Было замечено, что эти светящиеся пятна удаляются друг от друга, и в июне 1981 года расстояние между ними составило уже 5,5 световых лет. За полгода расстояние увеличилось на 2,5 световых года. Следовательно, скорость удаления одного пятна от другого составляет пять скоростей света.
Вот явление, наблюдаемое в центральной области знаменитого квазара, который в 3-м Кембриджском каталоге значится под номером 273. Это был первый открытый квазар. С его обнаружения в 1963 году и начался настоящий каскад замечательных астрономических открытий 60—80-х годов.
Из центра этого квазара выбрасывается светящаяся струя. Ее яркий конец за четыре года удалился от центра на расстояние 20 световых лет. Выходит, он двигался со скоростью, в пять раз превышающей скорость света.
Есть и другие примеры такого рода сверхсветовых движений. Нужно сказать, что почти все они открыты по наблюдениям не в видимом свете, а в радиолучах, с помощью самых крупных современных радиотелескопов. Рекорд (на 1987 год) – скорость, превышающая скорость света в 21 раз!
Теория относительности учит нас, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превосходящей скорость света. Как же понимать тогда свехсветовые скорости в ядрах галактик и квазаров?
После первого удивления и даже растерянности астрономы все же догадались, как объяснить это явление. Теория относительности, как оказалось, нисколько не была поколеблена. Напротив, найденное объяснение целиком на ней основывается.
Вот самый простой пример такого объяснения.
Пусть тело движется навстречу нам, – но не строго по лучу зрения, а под небольшим углом к нему. Пусть объект испустил два сигнала по направлению к нам. сначала один, а затем, через определенный промежуток времени, другой. За время между испусканием сигналов тело прошло путь ОА на нашем рисунке. Видимое нами перемещение меньше – оно, очевидно, представляет собой проекцию этого пути на то, что астрономы называют картинной плоскостью. Это плоскость, перпендикулярная к лучу зрения. Проекция составляет отрезок ОВ.
Как астрономы получили свои оценки скорости? Они делили видимое перемещение (отрезок ОВ) на время между приемом первого и второго сигналов. Они брали именно время между приемом, а не между испусканием двух сигналов.
Но это разные промежутки времени. Когда источник движется на нас, промежутки времени, как мы знаем, сокращаются – в соответствии с эффектом Доплера. Промежуток между приемом сигналов меньше промежутка между их испусканием. И если скорость источника близка к скорости света, разница между ними может оказаться сколь угодно большой.
При вычислении видимой скорости перемещения мы, так сказать, проигрываем в пути (проекция ОВ меньше пути ОА), но зато можем очень сильно выиграть во времени. Из-за этого и получается пугающе большое отношение видимого пути к времени между приемом двух сигналов, посланных в начале и в конце этого пути. Это отношение и считали скоростью движения.
Такая «видимая» скорость вполне может оказаться больше скорости света. Но она не совпадает с реальной скоростью движения тела. Реальная скорость равна отношению пройденного пути (ОА на нашем рисунке) к промежутку времени между испусканием – а не приемом! – сигналов. Как показывают расчеты, она должна быть довольно большой, близкой к скорости света, но при этом никак ее не превышать.
Видимые сверхсветовые скорости – это иллюзия. Она возникает из-за относительности времени. Нельзя вычислять скорость делением пути, пройденного «там», на промежуток времени, измеренный «здесь». Стоило астрономам забыть об этом, и они натолкнулись на парадокс.
К счастью, загадка оказалась не такой уж трудной. Правильный ответ был вскоре найден. Теория относительности и, прежде всего, идея относительности времени в очередной раз восторжествовали.
ГЛАВА 7 МИРОВАЯ ЛИНИЯ
Герман Минковский (1864—1909), немецкий математик и физик, много сделавший для разработки математического аппарата теории относительности, разъясняя в 1908 году новые взгляды на пространство и время, заявил: «Отныне понятия пространства самого по себе и времени самого по себе осуждены на отмирание и превращение в бледные тени, и только своего рода объединение этих двух понятий сохранит независимую реальность».
Мы обсудим сейчас это решительное утверждение, постараемся разобраться, что на самом деле скрывается за «своего рода объединением» и «независимой реальностью», о которых говорит один из основоположников новейшей физики.
Далее мы коснемся таких важных тем как причинная связь явлений во времени и абсолютный характер различия между прошлым и будущим.
4 = 3 + 1
Чтобы изучить какое-то событие в мире физических явлений, нужно прежде всего знать, где и когда оно произошло. Ответить на вопрос где! – значит указать место происшествия; ответить на вопрос когда! – указать соответствующий момент времени.
Указать место в пространстве мы можем с помощью координат. Каждой точке на Земле отвечают, как известно, две географические координаты – широта и долгота. Это два числа. Например, 60 градусов северной широты, 40 градусов восточной долготы. По этим двум числам легко найти место на карте или на глобусе.
Если летит самолет, то для указания его положения в пространстве нужно задать уже не два, а три числа: географические координаты точки, под которой самолет пролетает, плюс еще высота его полета.
Неважно даже, какими координатами мы будем пользоваться, географическими или какими-либо иными, все равно в общем случае для определения места события нужно всегда знать три числа.
Четвертое число, которое к ним нужно добавить, – это момент времени. Момент задается одним числом.
Все это означает, что пространство трехмерно, а время одномерно. Мир физических событий, каждое из которых определяется четырьмя числами, является из-за этого четырехмерным: 3 + 1 = 4.
«Когда нематематик слышит о «четырехмерном», его охватывает мистическое чувство, подобное чувству, возбужденному театральными приведениями», – говорит в одной из своих статей Эйнштейн и добавляет, что «тем не менее нет более банального утверждения», чем утверждение о четырехмерности мира. Четырехмерность не означает ничего иного, кроме того, что мир физических явлений «складывается из отдельных событий, каждое из которых описывается четырьмя числами».
Четырехмерность не была изобретением теории относительности. Мир классической физики тоже, очевидно, четырехмерен. Поэтому четырехмерность не нужно было открывать или вновь вводить.
Время—движение—пространство
Уже классическая физика «объединила» время и пространство: она связала их через движение. Действительно, движение тела можно изобразить на диаграмме путь – время. Допустим, что по горизонтальной оси откладываются моменты времени, а по вертикальной – расстояние от данного тела до исходного пункта, с которого оно начинает свое движение. В простейшем случае тело движется равномерно по прямолинейно. Пусть его скорость составляет 2 метра в секунду. Тогда через секунду после начала движения тело продвинется на расстояние 2 метра от начала, через 2 секунды – на 4 метра, через 3 секунды – на 6 метров и т. д. Таков ряд событий в истории движения тела, за которым мы наблюдаем, событий, разделенных интервалом времени 1 секунда. На нашей диаграмме эти события изобразятся точками. А вся полная история движения тела будет очевидно, представляться совокупностью всех точек на прямой, проходящей через наш ряд событий-точек. Линия, образуемая всеми событиями-точками в истории тела, называется его мировой линией.
В простом примере равномерного прямолинейного движения мировая линия представляется прямой на двумерной диаграмме путь – время. Не слишком трудно представить себе, что будет, если тело совершает более сложное движение и может перемещаться не только по прямой, а по плоскости. Тогда каждое из событий в его истории будет описываться тремя числами – двумя пространственными координатами, соответствующими положению данной точке на плоскости, и третьим числом – моментом времени, когда тело находилось в этой точке.
Следующий шаг состоит в том, чтобы допустить движение тела во всем пространстве. Тогда каждой точке пространства придется сопоставить три числа, три пространственных координаты, а событие будет характеризоваться этими тремя числами плюс четвертое число – момент времени, когда тело находилось в данной точке. И это дает нам уже четырехмерное пространство-время.
Четырехмерное пространство-время нельзя изобразить в виде простой диаграммы, его нелегко представить себе наглядно. Но многие принципиальные черты событий в четырехмерном физическом мире можно успешно изучать и на двумерной диаграмме путь – время.
Пространство и время выступают на этой диаграмме совершенно равноправно, как равноправны оси координат – вертикальная и горизонтальная. В таком графическом представлении время и пространство очень похожи друг на друга. Никакой существенной разницы между ними как будто не видно.
Можно сказать, что движение, поскольку оно происходит сразу и в пространстве, и во времени, связывает и даже как бы уравнивает между собой пространство и время. Посредством движения время и пространство приобретают (или проявляют) общие черты и в результате становятся физическими качествами одной природы.
Это соображение распространяется, очевидно, и на общий случай, когда движение не одномерно, а трехмерно и нужно принимать во внимание все три координаты пространства.
События и лучи света
Как выглядит мировая линия света? Очень просто: свет распространяется с постоянной скоростью, значит, его мировая линия на диаграмме путь – время будет прямой. Допустим, луч света выходит из начала координат, из точки, которой отвечает начало отсчета расстояния и начало
отсчета времени в некоторой выбранной нами системе отсчета. Если луч распространяется в сторону положительных значений пространственной координаты, вверх по вертикальной оси, то его мировая линия прочертит прямую ОА на нашем рисунке. Если он идет в противоположном направлении, получится прямая ОВ. Пусть имеются два луча, которые одновременно вышли из начала координат и пошли в противоположных направлениях. В пространстве их пути будут просто двумя параллельными линиями: лучи идут вдоль одной прямой в противоположных направлениях. А на диаграмме путь – время их мировые линии будут представляться прямыми, наклонными друг к другу: они исходят из одной точки, но под углом друг к другу.
Треугольник АОВ, очерченный на рис. 16 мировыми линиями света, выделяется как особая область в пространстве-времени. Поскольку скорости всех физических тел меньше скорости света, для тел, вышедших вместе с лучами, одновременно с ними, из начала координат, все события их истории целиком уме– уместятся внутри этой области АОВ. Там проходят все возможные мировые линии этих тел. Тела могут двигаться в пространстве вдоль той же прямой, что и свет, но не обязательно равномерно. Поэтому их мировые линии могут быть и прямыми, если движение равномерно, и кривыми, если оно неравномерно. Но как бы тела ни двигались – равномерно или неравномерно, их мировые линии никогда не пересекут мировые линии света.
Представим себе теперь, что лучи не выходят из начала координат, а приходят в него. Тогда один луч может приближаться со стороны положительных значений пространственной координаты (то есть сверху на нашем рисунке), а другой – со стороны отрицательных (снизу). Первый изобразится мировой линией ВО, а второй – АО. Луч, пришедший снизу, может далее пойти вверх, минуя начало координат, – это даст ту же мировую линию ОА. А луч, пришедший сверху, продолжит свой путь вниз, по мировой линии ОВ.
Теперь на диаграмме изображена вся история лучей, до начального момента и после него. Их мировые линии разделяют нашу диаграмму на три области. Первая из них – это уже знакомая нам область АОВ. Вторая – новый треугольник BOA. А третья – это все остальное, что лежит вне этих двух треугольников.
Как и первая область, вторая представляет собой область всех событий в жизни любых тел, движущихся со скоростями, меньшими скорости света. Только теперь это – движения, про– происходившие не после, а до начального момента. Такие движения могут привести эти тела в начало координат.
Третья область сама состоит, как видно по рисунку, из четырех частей. Те две ее части, что лежат справа от вертикальной оси, вне треугольника АОВ, недоступны ни свету, ни любым телам, вышедшим из начала координат. Они в эти зоны никогда не попадут. Другие две части, лежащие слева от вертикальной оси, вне треугольника BOA,– это зоны движений, для которых, наоборот, недоступно начало координат. Ни свет, ни любые тела, если они начинают свой путь из любой точки этих зон, никуда не попадут в начало координат.
Итак, двумерная диаграмма, такая простая на вид, имеет, как оказывается, весьма глубокий смысл. Она обнаруживает, что пространство-время обладает своим особым строением – оно складывается из трех различных областей, каждая из ко– которых имеет свои собственные свойства и черты. Такая структура пространства-времени отражает в первую очередь тот важнейший физический факт, что в природе существует предельная максимальная скорость движений – скорость света, которая постоянна и конечна.
А что было бы в отсутствие этого предела, при допущении бесконечности скорости света? Тогда мировые линии света на нашей диаграмме «разогнулись» бы и совпали с вертикальной осью. Все пространство-время при этом перестроилось бы: оно разделилось бы не на три, а только на две области. Вся область правее вертикальной оси в этом случае становится доступной для движений, исходящих из начала координат. Точно так же, начало координат становится доступным для движений, начинающихся в любой точке слева от вертикальной оси. В пространстве-времени исчезают «запрещенные зоны».
Допущение бесконечных скоростей тел или света означает, как нам уже приходилось видеть, переход к представлениям классической механики. При этом исчезает относительность одновременности и вообще относительность времени. Итак, изучение двумерной диаграммы для пространства-времени открывает нам новую грань реального физического мира, ускользавшую от старой физики. Реальное пространство-время устроено совсем не так, как это представлялось в классической механике. Оно состоит в действительности не из двух, а из трех физических различных областей.
Прошлое, настоящее, будущее
Продолжая исследование двумерного пространства-времени на нашей диаграмме, давайте считать, что начало координат означает для нас здесь и сейчас в данной системе отсчета. Тогда все, что на диаграмме слева от вертикальной оси, – это прошлое, то, что было до настоящего момента, до сейчас. А все, что справа от вертикальной оси, – это будущее, то, что настанет после.
Пусть мы включили сейчас часы, а сами остаемся на месте. В пространстве мы не перемещаемся, путь равен нулю. Но и когда мы стоим на месте, с нами будут происходить события, которые образуют последовательность точек – нашу мировую линию. Эта линия совпадает, очевидно, с горизонтальной осью (ведь путь все время равен нулю) и продолжается вправо от начала координат. Мы остаемся на месте, но время течет, и потому мы движемся в пространстве-времени.
Если бы мы не стояли на месте, а перемещались в пространстве, то при любом способе движения наша мировая линия оставалась бы внутри треугольника АОВ. Любые события, которые с нами произойдут, лежат именно в этой области. Что бы с нами ни случилось, в ней найдется подходящая точка–событие, которая укажет место и время происшествия.
Коротко говоря, область правого треугольника – это для нас область достижимого будущего.
Но что происходило с нами прежде, до момента сейчас? Начала координат на нашей диаграмме мы можем достичь в том и только том случае, если все точки-события нашей предыстории лежат в области левого треугольника на этой диаграмме. Все, что уже произошло с нами, изображается определенными точками-событиями из этого треугольника. Область левого треугольника – это область нашего прошлого?
А что же такое для нас третья область, то есть область вне обоих треугольников? Там лежат события, которые наша мировая линия никогда не заденет. Это события, которые не случились с нами в прошлом и наверняка не случатся в будущем. Если вспомнить пространство-время классической механики, то там таких невозможных событий в принципе не существует.
Время, его течение увлекает нас за собой: мы можем стоять в пространстве, но остановиться и стоять во времени невозможно. Наша мировая линия неуклонно продолжается, что бы мы ни делали. Она продолжается гладко и непрерывно – у нее нет разрывов и она не делает петель. Мы не можем перепрыгнуть в будущее, минуя то, что отделяет нас от него. И мы не можем дважды побывать на одной вертикали, то есть в одном и том же моменте времени.
Мировая линия не может из будущего повернуть назад в прошлое или настоящее. Что было, то уже произошло и больше не вернется. События прошлого и будущего выстроены вдоль мировой линии раз и навсегда, и их порядок, их следование одного за другим никак не изменить, не перевернуть, не перепутать. И это с любой точки зрения: в любой системе отсчета ни одно событие не выпадет из нашей мировой линии, и все они сохранят неизменной свою очередность.
Порядок следования событий вдоль нашей мировой линии не относителен, он абсолютен. Абсолютно поэтому и разделение событий нашей истории на прошлое и будущее. И то же относится вообще к любому физическому телу.
Машина времени
Можем ли мы видеть прошлое? Способны ли мы проникнуть в будущее?
Недолго думая, кто-то, возможно, на оба эти вопроса сразу ответил бы «нет».
Но не будем торопиться и в поисках ответа снова обратимся к диаграмме, представляющей нам пространство-время с тремя его различными областями.
Только не стоит, пожалуй, ограничиваться и дальше лишь одним пространственным измерением. Если включить в нашу картину все три пространственных измерения, в ней, собственно, ничего особенно не изменится. Но только вместо треугольников нужно будет говорить о конусах в четырехмерном про– пространстве-времени. Все прошедшее лежит в конусе прошлого, все грядущее – в конусе будущего. И есть область вне этих ко-
нусов – это то, что с нами прежде не случалось и никогда после не случится.
Конус, очерченный мировыми линиями света, называют световым конусом.
Поверхность конуса прошлого для нас сейчас особенно интересна. На ней лежит все то, что мы в данный момент можем видеть. Действительно, видеть – значит принимать глазом световые лучи. Но лучи распространяются с конечной скоростью. Значит, мы можем видеть только то, что уже произошло.
Можно сказать и сильнее: если мы что-то и видим, то только прошлое.
Вот ответ на первый из наших вопросов.
Но что доступно нашему зрению? Зрительные образы создаются у нас теми лучами, которые достигли нас именно сейчас. И несут они нам то, что, так сказать, собрали по дороге, проходя через точки-события, расположившиеся вдоль мировых линий этих лучей. Эти точки события могли, конечно, и сами испустить свет. В любом случае все эти точки и в самом деле образуют поверхность конуса прошлого.
Те лучи, которые достигли нас в данный момент, прошли разный путь. Одни шли всего мгновение, а другие путешествовали по дороге к нам очень долго. Это может быть луч от настольной лампы на нашем столе и луч от звезды на ночном небе за окном. Первый шел к глазу всего несколько миллиардных долей секунды, а другой многие годы.
Лучи скользили вдоль поверхности конуса прошлого и принесли нам разные картины прошлого. Картину настольной лампы, какой она была миг назад, и картину звезды, какой она была многие годы назад.
За время распространения света от настольной лампы с этим источником света вряд ли что-нибудь успеет произойти. А за время, затраченное светом от звезды на свое путешествие, она сама могла, например, уже потухнуть.
Мы видим разное прошлое. Картину Солнца мы видим с запаздыванием на восемь минут. А далекие квазары мы наблюдаем такими, какими они были почти десять миллиардов лет назад. Тогда не было еще ни Земли, ни Солнца – возраст Солнечной системы «всего» около пяти миллиардов лет.
Чем дольше путешествовал свет, чем дальше от нас находится его источник, тем дальше вглубь времен проникаем мы взором.
Современный телескоп, позволяющий видеть далекое прошлое нашего мира,– это и есть настоящая машина времени.
А как же с путешествием в будущее?
Если мы куда-то и движемся, то только в будущее. Да мы и не можем не двигаться. Поток времени неудержим, и он увлекает за собой неизбежно все и вся. Мы можем проникнуть в будущее: именно это, только это мы постоянно и делаем.
