Текст книги "Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса"

Автор книги: Дэйв Голдберг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 20 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

Глава пятая. Теория относительности

В которой нам так и не удается создать межгалактический ансибль

Признайтесь: вы так любите популярную физику во многом за то, что она дарит надежду, что вам когда-нибудь удастся применить полученные знания для создания «ТАРДИСа» или гиперпространственного двигателя. Мы уже вкратце поговорили о множественной вселенной, высших измерениях, обращении стрелы времени. Еще один расхожий мотив научно-фантастических произведений впервые упомянула Урсула ле Гуин в своем романе «Планета Роканнона» – это устройство под названием ансибль. Вот как она сама о нем говорила:

Ансибль не требует ни радиоволн, ни какой бы то ни было формы энергии. Принцип, по которому он действует, – постоянство одновременности – в какой-то мере аналогичен гравитации… Он порождает сообщение в любых двух местах одновременно. Где угодно.

Забавно, что это определение полагается на одно из самых популярных заблуждений, касающихся гравитации: что она будто бы распространяется мгновенно. На самом деле гравитационные сигналы перемещаются со скоростью света. Но даже и без этого – возможно ли вообще создать ансибль?

Одним словом – нет.

Я понимаю, что выступаю в точности как тот зануда, который вечно поправляет вам ошибки в клингонском, но что есть, то есть. Предел скорости света – это не просто настоятельная рекомендация, это закон. Впрочем, предположим, вы настойчивы и зададите следующий вопрос: а почему?

Ответ «Потому что я так сказал» не был для вас веским доводом и в глубоком детстве, и – представьте себе – с тех пор ничего не изменилось. Чтобы понять, почему нельзя создать ансибль, нам придется – вы верно догадались – углубиться еще в одну фундаментальную симметрию пространства и времени.

Откуда у нас такое чувство, будто мы центр вселенной?

Еще в третьей главе мы обнаружили – и это никого не удивило – что Земля расположена не в центре вселенной. Мы вращаемся вокруг Солнца, Солнце – вокруг галактики Млечный Путь, галактика – вокруг местного сверхскопления Девы. Если все суммировать, получится, что мы рассекаем пространство со скоростью примерно полтора-два миллиона километров в час. Вы что-нибудь заметили? Я – нет.

Не то чтобы я хотел давать вам очередной повод для беспокойства, но если вдуматься, и в самом деле леденит душу, что мы так стремительно мчимся по вселенной. Этак недолго и вовсе перестать выходить на улицу, чтобы не смело́ в глубокий космос. Примерно такой же экзистенциальный ужас обуял Галилея почти 400 лет назад. Он потратил массу сил на опровержение доводов всяких профанов, которым мысль, что Земля вращается вокруг Солнца, была как нож острый. В своем «Диалоге о двух главнейших системах мира» Галилей уговаривает очернителей играть с мухами и бабочками и скакать на месте, будто сумасшедшие:

Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит.

(Пер. А. Долгова)

Пока скорость и направления не меняются, нет никакого объективного способа разобраться, двигаетесь ли вы со своими тараканами. Вот почему, если возникнет желание, можете поиграть в бильярд или в пятнашки на борту самолета – и если не будет турбулентности, выглядеть вы будете точно так же, как во время игры на твердой почве.

Хотя при слове «относительность» вы, вероятно, сразу думаете «Эйнштейн», Галилей до многого додумался первым. Галилеева относительность утверждает, что надо учитывать лишь относительное движение. Вы мчитесь сквозь пространство со скоростью миллион километров в час, и я тоже, но поскольку мы движемся вместе, то вполне можем выстроить мировоззрение вокруг идеи, что мы все сидим неподвижно.

Эта стройная картина распадается – по крайней мере с практической точки зрения – когда речь идет о вещах масштабных. Когда просыпаешься, долго проспав на заднем сиденье во время дальней поездки, не станешь глядеть в окно и предполагать, что все это время стоял, а горы просто сами собой приблизились, чтобы тебя порадовать. Подобный эгоцентризм – это глупо, однако если вам приятно представлять себе, будто вы сидите на месте, а вся вселенная мчится мимо, то и Галилею это очень нравилось.

Практическую роль играет только одно – относительное движение двух тел. Если мы с вами находимся в звездолетах, которые мчатся друг другу в лоб со скоростью 1000 километров в час, столкновение будет ощущаться точно так же, как если бы вы сидели сиднем, а я решил протаранить ваш звездолет на скорости 2000 километров в час. Скорости складываются: 1 + 1 = 2.

Представьте себе, что я не собираюсь вас таранить, а решаю не разбивать собственный звездолет – и вместо этого стреляю в вас из лазерной пушки. Буква L в слове laser означает light – «свет», а это значит, что отдельные фотоны перемещаются – ну, готовы? – со скоростью света. Однако, если верить Галилею, скорость света зависит от скорости источника. Если я лечу на вас со скоростью 1000 километров в час, разумно ожидать, что фотоны будут лететь в сторону вашего звездолета со скоростью (c + 1000) километров в час – а не со скоростью света, как предполагает их название.

В чем дело? Разве скоростей света много, а не одна?

О мировом эфире и обязательности насмешек над древними

Вплоть до XIX века казалось вполне разумным предполагать, что если, скажем, далекам взбрело в голову вас ис-ко-ре-нить, лучи их лазеров будут двигаться быстрее, если вы полетите им навстречу, чем если вы – что было бы мудрым решением – броситесь удирать.

В конце концов, Гюйгенс доказал, что свет – это волна, а все волны, которые изучались до того момента, распространялись в какой-то среде. Сейсмические волны (землетрясения) должны распространяться в камне. Водяные волны – по воде. Звуковые – в воздухе. Логично предположить, что какая-то среда должна быть и у звуковых волн. Существование среды играет очень важную роль, поскольку волны, распространяющиеся в среде, будут двигаться быстрее, если перемещаются по течению, а не против.

Почти весь XIX век господствовала теория, что вся вселенная пронизана неосязаемой жидкостью под названием светоносный эфир, а световые волны – это рябь в этой жидкости. Если бы эфир действительно существовал, скорость света от конкретной звезды зависела бы от относительного движения наблюдателя и звезды, а также от течения самого эфира.

Сейчас мне стыдно и неловко. Я попал в накатанную колею: традиция велит сначала рассказать об эфире – идея которого едва ли пришла бы вам в голову независимо, – а затем тут же объяснить, почему эта гипотеза оказалась ошибочной. После чего все от души смеются над тем, какие дурачки были ученые прошлого, не то что мы.

Да, теория эфира действительно ошибочна, но я скажу несколько слов о том, откуда нам, собственно, известно, что она ошибочна. Аргументировать это куда проще, чем измерить. Основной довод – то, что мы движемся вокруг Солнца в разных направлениях в разное время года. Если бы гипотеза об эфире была верна, скорость света зависела бы от направления и летом и зимой была бы разная.

В целом общепринято, что окончательный крест на теории эфира поставил опыт Альберта Майкельсона и Эдварда Морли в 1887 году, хотя похожие эксперименты многократно проводились и до, и после. Майкельсон и Морли использовали устройство под названием интерферометр, при помощи которого можно было измерять отклонения скорости света в зависимости от времени года, времени суток и ориентации устройства. И не обнаружили решительно ничего. Вообще никаких отклонений. Как писал об этом английский физик сэр Джеймс Джинс полвека спустя:

Развитие событий было одинаковым независимо от того, находился мир в покое в предполагаемом эфире или же сквозь него дул эфирный ветер со скоростью миллион миль в час. Складывалось такое впечатление, что предполагаемый эфир не играет особой роли в ходе вещей… и им, таким образом, вполне можно пренебречь.

Если нет никакого эфира, значит, свет перемещается не на чем-то, а сам по себе, а следовательно, не похож на ранее известные волны. Это явление – как и очень, очень многие другие – объяснил в 1905 году Эйнштейн[59]. Речь идет, само собой, о специальной теории относительности.

Как построить защитное силовое поле

Эйнштейн был в полном восторге от единых законов электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Еще бы! Уравнения Максвелла – образец простоты и элегантности и описывают почти все: от того, почему игла компаса указывает на север, и того, почему, если потереть воз59 Нет, серьезно – потрясающий же был человек!

душный шарик, он прилипнет к стене, до устройства атомов.

Одно из уравнений – так называемый закон Фарадея – описывает, как магнитное поле, меняющееся со временем, может генерировать электрическое поле. Другое уравнение – закон Ампера[60] – показывает, в свою очередь, что меняющееся со временем электрическое поле генерирует магнитное поле. Это «туда-обратно» показывает, почему там, где нормальные люди говорят о свете, физики упоминают какое-то там электромагнитное поле. Эйнштейн обнаружил, что разделение электромагнетизма на электричество и магнетизм – это, в сущности, вопрос точки зрения.

Магнетизм в движущейся системе отсчета

60 Наверное, вы заметили, что все эти законы названы в честь кого-то другого. Вот почему говорят, что Максвелл объединил законы электромагнетизма, а не открыл их.

Рассмотрим два звездолета, капитаны которых (мы с вами) злобно глядят друг на дружку и всерьез подумывают, не пойти ли на таран. Миролюбивая инопланетянка Алиса хочет создать примитивное силовое поле, чтобы не дать нам претворить в жизнь худшие свои порывы. Устройство довольно простое: Алиса щедро поливает обшивку наших звездолетов электронами. Стоит звездолетам сблизиться, и электроны расталкивают нас в стороны.

Это силовое поле работает исключительно на электричестве, магнетизм в уравнении вообще не фигурирует.

Между тем мы с вами, осознав тщетность попыток уничтожить друг дружку, решили сформировать альянс и лететь через глубокий космос на своих покрытых электронами кораблях бок о бок. Алиса, предпочитающая держаться чуть позади, отмечает неожиданное явление. С ее точки зрения наши звездолеты по-прежнему отталкиваются друг от друга из электростатической силы, однако эта сила уже не так велика, как в состоянии покоя. Дело в том, что каждый из движущихся звездолетов создает электрический ток, и наши токи создают магнитное поле. Поскольку мой звездолет чувствует магнитное поле, генерируемое вашим звездолетом, и наоборот, звездолеты притягивают друг друга.

Краткий итог. Заряд сам по себе означает отталкивание. Заряд плюс ток означает и отталкивание, и притяжение, которое частично уменьшает отталкивание.

Но тут-то и начинается самое интересное. Единственная разница между первым случаем, когда налицо только электрическое отталкивание, и вторым, когда есть и электрическое отталкивание, и магнитное притяжение, состоит в том, считаете вы, что заряды движутся, или нет. Если Алиса решит лететь с той же скоростью, что и мы, и в том же направлении, то может сделать так, что магнитные поля и вовсе пропадут и, следовательно, изменит силы, действующие между нашими кораблями, не притронувшись к нам и пальцем.

Как Эйнштейн подправил Галилея

Эйнштейн не видел в этом проблемы. Он принял как данность и странное поведение электрических и магнитных полей, и постоянство скорости света, которое доказали Майкельсон и Морли[61], и разработал новую теорию 61 В разное время Эйнштейн сделал несколько противоречивых замечаний о – специальную теорию относительности. Эйнштейн исходил из двух простых предположений.

1. Для любых систем отсчета, для которых справедливы законы механики, справедливы и одни и те же законы электродинамики и оптики.

2. Свет всегда распространяется в пустом пространстве с определенной скоростью с, которая не зависит от состояния движения источника света.

Эйнштейн предположил, что во вселенной наличествует еще одна, причем очень важная симметрия. Что-то – скорость света и законы физики – остается инвариантом, даже когда наблюдатели движутся с разными скоростями. Эта симметрия не носит имени Эйнштейна, однако в ней суммированы его постулаты.

Лоренц-инвариантность. Физический закон записывается в таком виде, чтобы его результаты не зависели от ориентации и скорости системы.

В частности, первый постулат Эйнштейна означает, что все эксперименты должны приводить к одним и тем же результатам для наблюдателей, находящихся в инерциальных системах отсчета, – то есть всякого, кто в зависимости от вашей точки зрения находится в покое, либо движется с постоянной скоростью и никуда не сворачивает.

влиянии опыта Майкельсона-Морли (которому к моменту Чудесного года Эйнштейна было уже 18 лет) на второй постулат его специальной теории относительности. То он говорил, что ничего не знал об их опыте, то утверждал, что знал, но это на него не повлияло. Так или иначе, без экспериментальных свидетельств, которые обеспечивал опыт Майкельсона-Морли, создать специальную теорию относительности было бы очень трудно.

Внесу ясность и приведу несколько оговорок. Не всякому дано быть наблюдателем в инерциальной системе отсчета. Например, когда разгоняешь автомобиль, тебя вжимает в спинку сиденья – и прямо чувствуешь, что движешься не с постоянной скоростью. Специальная теория относительности потому и специальна, что полагается на наличие инерциальной системы отсчета.

Эйнштейн додумался до колоссальной идеи, симметрии, которой мы уже касались в контексте второго закона термодинамики: пространство и время совсем не так различны, как все раньше думали. В зависимости от того, как двигаешься, пространство и время с легкостью перемешиваются друг с другом. Мы еще не готовы заниматься искривлением пространства-времени, однако в качестве осознанной и продуманной разминки давайте рассмотрим идею, которая, как ни странно, с ним связана: повороты в обычном пространстве.

Теорема Пифагора

С теоремой Пифагора вы, несомненно, знакомы:

A2 + B 2= C 2

Это равенство обманчиво простое на вид. Переменные А и В – длины коротких сторон прямоугольного треугольника, а С – длина его большой стороны, гипотенузы.

Теорема Пифагора рассказывает нам отнюдь не только о быте и нравах треугольников как таковых. Она учит вычислять расстояние между точками. Наверное, подобные задачи вы помните еще со школьных лет: пройдите 3 километра на восток, потом 4 километра на север. Продеритесь через вычисления – и обнаружите, что вы в 5 километрах от начальной точки.

Чтобы связать это с реальной жизнью, рассмотрим маленький кусочек плана города Вашингтона.

Многие города удобно устроены так, что их улицы идут примерно в направлении основных сторон света. Вашингтон – идеальный тому пример: нумерованные улицы идут с севера на юг, а улицы с буквенными обозначениями – с востока на запад.

Итак, приведу пример, найденный в результате лихорадочных поисков в Google Maps. Если хочешь пройти от станции метро «Джудикери-север» на углу Четвертой и Е-стрит Северо-Западного квадранта до станции «Чайнатаун» на углу Седьмой и Джи-стрит, сначала надо пройти около 600 метров на запад по Е-стрит, а потом 250 метров на север по Седьмой.

Естественно, можно просто спуститься в метро и прокатиться по красной линии, и если проделать нужные вычисления, окажется, что продолжительность поездки составит около 650 метров. Вот вам практическое применение теоремы Пифагора, хотя мы слегка изменили названия переменных:

x 2+ y 2= расстояние2

Подобной традицией мы обязаны трудам математика и философа XVII века Рене Декарта. Декартова система координат позволяет наносить все события и предметы во вселенной на своего рода карту. Например, место предмета по направлению с запада на восток принято обозначать буквой х. По направлению с юга на север мы обычно помечаем его положение как у. Возможностью перемещаться еще и по вертикали, скажем, на лифте, я пренебрегаю, но если у вас есть к этому тяга, можете назвать это направление движения z.

План Вашингтона

С моей стороны было бы преступным упущением не указать на то, что на поверхности Земли декартова система координат терпит полный крах. Земля-то круглая, а значит, создать идеальную, без искажений карту, которая покрывала ее целиком, невозможно[62]. Ничего страшного, именно поэтому мы взяли для примера лишь крошечный фрагмент земной поверхности – несколько городских кварталов.

Предположим, вы спустились в метро на станции «Джудикери-сквер», и тут какой-то особо зловредный и предприимчивый специалист по городской планировке решил взять и повернуть все городские улицы, пока вы под землей. Он переставляет дома и перекладывает все мостовые, и теперь все улицы ориентированы на несколько градусов в сторону от первоначального направления. Зачем ему это понадобилось? Кто его знает.

Главное – то, что хотя сами станции метро никуда не сдвинулись, адрес у них стал другой. Улицы по-прежнему составляют сеть, только уже другую. Пешеход в этой новой версии Вашингтона по-прежнему хочет пройтись от «Джудикери-сквер» до станции «Чайнатаун». Он идет по улице, помеченной буквой, и сворачивает на нумерованную. То есть оба отрезка, составляющие путь от станции до станции, уже не те, что раньше, и тем не менее протяженность пути, который вы проделали на метро, в точности таков же, что и раньше!

62 Реплика в сторону из серии «это интересно»: в 2007 году мы с Дж. Ричардом Готтом математически доказали, что наилучшее сочетание минимальных искажений достигается при картографической проекции под названием «Тройная проекция Винкеля». Очевидно, журнал «National Geographic» пришел к тому же выводу, потому что они уже больше десяти лет применяют тройную проекцию Винкеля для своих карт мира.

С вращательной симметрией мы уже сталкивались неоднократно – от очевидной изотропии вселенной на крупном масштабе до экспериментального факта, что по микроскопическим взаимодействиям невозможно определить направление. Мы даже убедились в том, что эта самая вращательная симметрия непосредственно приводит к сохранению момента импульса.

Короче говоря, с теоремой Пифагора вы познакомились в глубоком детстве, однако это вовсе не игрушки.

Что такое расстояние в пространстве и во времени?

Пространство и время очень похожи друг на друга, но не идентичны. Если постулаты специальной теории относительности верны – а на данный момент они выдержали все мыслимые экспериментальные проверки, – то нам придется найти способ слепить пространство и время в единое пространство-время. Сам Эйнштейн предостерегал от опасностей, которые таятся в чересчур усердных попытках представить себе четыре измерения:

Думать в четырех измерениях не способен никто, разве что математически… Я думаю в четырех измерениях, но лишь абстрактно. Человеческий разум способен рисовать себе эти измерения не в большей степени, чем воображать электричество. Однако же они не менее реальны, чем электромагнетизм – сила, которая управляет нашей вселенной, сила, благодаря которой мы существуем.

Попробую пересказать это знакомыми словами – то есть словами, которые вам знакомы, если вы знаете наизусть весь канон «Звездного пути». Родная планета вулканцев находится примерно в 16 световых годах от Земли[63], и в данный момент[64] Солкар, прапрадед нашего мистера Спока – юный пилот звездолета. Поскольку мы отделены от Солкара в пространстве, но не во времени, вычислить расстояние несложно: 16 световых лет.

Промежуток во времени сам по себе тоже легко измерить. Вот вы сейчас читаете эти строки, а 10 секунд назад читали слова «попробую пересказать это знакомыми словами». Предположим, вы сидите совершенно неподвижно, тогда эти события разделены во времени примерно 10 секундами, а в пространстве не разделены вообще.

А если события разделены и в пространстве, и во времени? Если бы мы сейчас направили на Вулкан на диво мощный телескоп, то не увидели бы, как Солкар рассекает на своем звездолете. А увидим мы вулканские события шестнадцатилетней давности. Это потому, что сигналы, которые мы видим, распространяются со скоростью света. Световые сигналы всегда обеспечивают такое однозначное разделение пространства и времени.

Специальную теорию относительности Эйнштейн разработал в 1905 году, однако лишь в 1907 германский математик Герман Минковский адаптировал ее для того, чтобы показать, что пространство и время и в самом деле соединяются в одно целое – да так, что Пифагор бы гор63 Джин Родденберри, создатель «Звездного пути», утверждал, что Вулкан вращается вокруг звезды 40 Эридана А, довольно прохладной звезды в 16,4 световых годах от Солнца. Не надо ставить мне подножки и отнимать деньги на школьный завтрак.

64 Скоро мы поймем, что это «в данный момент» – выражение довольно-таки двусмысленное.

дился. Как он сам вспоминал не без пышности, зато точно:

Отсюда следует, что пространство как таковое и время как таковое обречены поблекнуть и обратиться в тени, и лишь своего рода союз того и другого [теперь мы называем его «пространство-время»] сохранит независимую реальность.

Минковский обнаружил, что в каком-то смысле пространство и время действуют в противоположных направлениях. В качестве конкретного примера возьмем Бетельгейзе – яркую красную звезду в созвездии Орион. По некоторым астрономическим данным Бетельгейзе может в любой момент превратиться в сверхновую[65]. От Земли до Бетельгейзе около 600 световых лет, что означает, что даже если мы увидим, как она взорвется, прямо завтра, на самом деле взрыв произошел еще 600 лет назад. Мы можем описать расстояние в терминах пространства (600 световых лет) или времени (600 лет), однако свести одно с другим уже сложнее.

Правда, у нас есть подсказка. Если свет от взрыва сверхновой только-только достигает нас, то взрыв в терминах реальности происходит здесь и сейчас. То, что скорость света конечна, не позволило нам узнать о нем раньше.

Минковский переформулировал теорему Пифагора так, что время ведет себя почти как расстояние – с точностью до знака:

65 На астрономическом жаргоне «в любой момент» означает «в ближайшие 100 000 лет».

расстояние2 – время 2 = интервал2

Здесь интервал[66] – это всего лишь хитрый способ объединить под одним словом и расстояние в пространстве, и промежуток во времени. А еще это здорово придумано. По определению интервал любого события, которое мы наблюдаем прямо сейчас – как бы далеко в пространстве оно ни происходило – равен нулю. А еще – и это для наших целей еще важнее – интервал между двумя событиями никак не зависит от точки зрения.

Астронавт, летящий с очень большой скоростью, может намерить разное расстояние между двумя событиями и разный промежуток времени, но насчет интервала у вас с ним разногласий не будет.

Мы убедились, что в случае теоремы Пифагора неважно, как вы повернете улицы относительно сторон света – расстояние между двумя станциями метро всегда останется прежним. Точно так же и с интервалом. Эйнштейн говорил, что все наблюдатели в инерциальной системе отсчета намеряют одну и ту же скорость света, а это означает, что интервал между любыми двумя событиями останется одинаковым, с какой бы скоростью вы ни перемещались в пространстве.

Вот как глубоко мы зашли. Абстрактные размышления о симметриях в конце концов выявили неожиданные 66 Математически подкованный читатель, вероятно, заметил, что если события разделены больше во времени, чем в пространстве, квадрат интервала оказывается отрицательным числом, и тогда интервал получается мнимым числом. Не беспокойтесь. Это просто математический прием, который позволяет нам понять, что два события разделены «времениподобно», а это всего-навсего означает, что одно событие может повлиять на другое. Если квадрат интервала положителен, они разделены «пространственноподобно», что означает, что причинно-следственные связи тут ни при чем. Если у вас от математики начинается дергунчик, проходите, не задерживайтесь. Тут не на что глазеть.

связи. С математической точки зрения поворот оси координат выявляет ту же самую симметрию в пространстве, что и движение на разной скорости – в пространстве-времени. И то, и другое преобразование оставляют что-то в качестве инварианта. При повороте прежним остается расстояние между двумя точками, а при разных скоростях – релятивисты называют это допплеровским усилением – прежним остается интервал. Вот это неожиданность!

Представьте себе астронавта-вулканца, который летит по маршруту «Земля-Бетельгейзе» со скоростью, составляющей заметную долю скорости света. Как мы вскоре увидим, он намерит дистанцию несколько меньше 600 световых лет. Но при этом он еще и обнаружит, что между тем, как Бетельгейзе взорвется, и тем, как мы это заметим, пройдет меньше 600 лет. В сочетании он намерит тот же самый нулевой интервал, что и мы, с какой бы скоростью ни летел.

Как можно растянуть время

Галилей сделал вполне понятный вывод – пожалуй, до того очевидный, что даже неловко его произносить вслух: время для всех течет с одной и той же скоростью. Но если принять, что свет тоже распространяется в одной и той же скоростью, постоянство течения времени – роскошь, которую себе уже не позволишь.

Ясно, что время как-то искажается и корежится, но до сих пор мы не представляли себе, как именно. Предположим, Солкар решил промчаться мимо Земли со скоростью, равной половине скорости света. Если он движется равномерно и прямолинейно, ощущение у него такое, словно он сидит на месте. Это такой способ представить себе первый постулат специальной теории относительности (законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета). Солкар спокойно занимается своими делами – читает газету, дремлет, читает новостную ленту в межгалактической Сети – и при этом, насколько ему кажется, движется во времени, но не в пространстве.

А мы с Земли видим, что он движется и в пространстве, и во времени. Если с нашей точки зрения Солкар приляжет поспать на 8 часов, то к тому времени, как он проснется, его звездолет преодолеет 4 световых часа.

Красота понятия интервала, которое ввел Минковский, состоит в том, что интервал одинаков для всех наблюдателей. Отношения между пространственной и временной дистанциями выражены знаком минуса, что означает, что они отчасти взаимоуничтожаются. В рамках теории относительности любой может с полным правом заявить, что неподвижен. Солкар знает, что пока он спал, прошло какое-то время, но поскольку ощущение у него такое, будто он неподвижен, он не чувствует перемещения в пространстве. Чтобы интервал, измеренный на его звездолете, оказался таким же, как и измеренный с Земли, Солкар должен проспать меньше восьми часов. Продеритесь через вычисления – и поймете, что на самом деле спал он только семь часов. Выходит, теория относительности может быть губительной для биоритмов почище перехода на летнее время!

Движущиеся часы начинают идти медленнее. Это не какой-то фокус, связанный со способом измерения – это осязаемый эффект, хотя в нормальной жизни он очень слаб. Чтобы вы могли оценить масштаб, упомяну, что даже в знаменитых сверхскоростных японских поездах время замедляется лишь меньше чем на одну триллионную. Если бы такой поезд ехал с начала времен и вдруг остановился, мы бы обнаружили, что его обитатели примерно на 13,5 часов моложе остальной вселенной.

Чем выше скорость, тем заметнее эффект. Часы, движущиеся на скорости в 90 % скорости света, замедляются с коэффициентом 2,3. К тому моменту, когда мы достигнем 99 % скорости света, мир сойдет с ума: часы замедлятся в целых 7 раз! Повторяю, это вам не какой-нибудь хитрый обман зрения, не механический эффект из-за разгона. С этим коэффициентом замедляется вообще все. Сердце Солкара будет биться медленнее обычного, все метаболические процессы затормозятся, компьютеры по привычным стандартам зависнут, любое устройство, способное измерять время, будет на наш взгляд ползти, как улитка. Однако с точки зрения самого Солкара все в корабле будет идти как обычно.

Хотя мы и не можем построить звездолеты, которые двигались бы с релятивистскими скоростями, измерить замедление времени здесь, на Земле, мы вполне способны – для этого нам нужны частицы под названием мюоны. Мюон практически идентичен электрону, только в 200 раз тяжелее. Как мы уже видели, тяжелые частицы при первой же возможности распадаются на более легкие, и мюоны не исключение. Примерно через две миллионные секунды мюон распадается на электрон и пару нейтрино-антинейтрино.

Поскольку мюоны распадаются так быстро, просто чудо, что их вообще удается зарегистрировать. К счастью, вселенная прилежно производит тяжелые частицы. Когда крайне высокоэнергичные частицы из космоса – космические лучи – попадают в верхние слои атмосферы, рожается каскад вторичных частиц, и кульминация этого процесса – возникновение мюонов. Это означает, что основное количество мюонов создается более чем в 10 километрах над поверхностью Земли. В этом бы не было ничего особенного, если бы не очень короткое время полураспада мюонов. Даже если типичный мюон будет лететь со скоростью света, можно ожидать, что он испустит дух уже через 600 метров. Разумно предположить, что до датчиков, расположенных на поверхности Земли, не долетит практически ни один мюон. И все же нам постоянно удается регистрировать атмосферные мюоны. Мы даже можем сказать, что они происходят именно из дальнего космоса, поскольку видим большое пустое место – мюонную тень – на том месте, где находится луна.