Текст книги "Время - Назад XX век: Хроника необъяснимого"
Автор книги: Николай Непомнящий
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 24 страниц)
ПАРАДОКС БЛИЗНЕЦОВ
Продолжение рассказа А. Ансельма
В этом очерке мы попытаемся объяснить (к сожалению, крайне схематично), каким образом физики приходят к удивительному заключению, что время в неподвижной и движущейся системах отсчета, например на Земле и в ракете, улетающей от Земли, течет неодинаково. Пока же без объяснений примем этот фундаментальный вывод специальной теории относительности и покажем, что, хотя «здравый смысл» решительно восстает против этого утверждения, оно все же не содержит логических противоречий.
Итак, основное заключение теории относительности, относящееся к различному ходу времени в движущихся друг относительно друга системах отсчета: время в движущейся системе отсчета течет медленнее, чем время в неподвижной системе отсчета. Пример: радиоактивное ядро, летящее с большой скоростью относительно неподвижных приборов, установленных в лаборатории, живет дольше другого такого же ядра, неподвижного в лабораторной системе отсчета. Этот факт подтверждается ежедневно в сотнях экспериментов, проводимых во всем мире.
Повторим еще раз: "здравый смысл" очень хочет предположить, что что-то случилось не с самим временем, а с часами, в данном случае с радиоактивным ядром. В предыдущем очерке мы уже объяснили, что если замедляются любые часы: любое время распада различных частиц, любые колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами и т. д., – то остается сказать, что замедляется само время. Заметим между прочим, что замедляются и биологические процессы, ведь в конечном счете они связаны с различными химическими реакциями, которые замедляются точно так же, как радиоактивные распады или частота колебаний световой волны (Период колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами).
Действительно замедляется не что иное, как само время.
Представим себе улетающую от Земли ракету с пассажирами, лабораторными приборами и т. д. Поскольку абсолютно все процессы в ракете замедляются одинаково, пассажиры космического корабля не почувствуют никаких аномалий, связанных с необычным ходом времени. Они будут вставать, например, в 7 часов утра, ложиться в 12 ночи, в середине дня тратить час на обед и т. д. И стареть они будут совершенно нормально: за 10 лет тридцатилетний человек станет сорокалетним. И только если отслеживать происходящее в корабле по часам на Земле, мы обнаружим, что за 10 лет путешествия на ракете на Земле прошло, скажем, 20 лет. При всей парадоксальности этого вывода трудно немедленно указать на какое-нибудь логическое противоречие.
Кажущееся противоречие можно, однако, нащупать, если поместить в ракету одного из двух братьев-близнецов, а второго оставить на Земле. Из сказанного выше следует, что пока брат-путешественник проживет 10 лет, его брат на Земле состарится больше, скажем, на 20 лет. Если каждому из них отпущено строго определенное время жизни (конечно, эта гипотеза не вполне реалистична, но не так уж и дика – по отношению к близнецам), то к моменту смерти брата на Земле брат на ракете будет еще жив и даже относительно молод.
Парадокс состоит в том, что любые равномерно движущиеся друг относительно друга системы отсчета совершенно равноправны. Если мы до сих пор говорили о брате на Земле как о связанном с неподвижной системой отсчета, а о брате-путешественнике – с движущейся, мы с равным успехом можем считать «неподвижным» брата, находящегося в ракете, а брата на Земле – движущимся, удаляющимся от ракеты. Но тогда вывод об их относительном старении будет противоположным: брат на Земле будет стареть медленнее, чем на ракете, и к моменту смерти брата на ракете брат на Земле будет еще жив!
Какой же из братьев умрет раньше? Самое удивительное, что однозначно ответить на этот вопрос невозможно: по часам, связанным с Землей, раньше умрет брат на Земле, по часам, связанным с ракетой, – брат на ракете. Оба утверждения абсолютно правильны!
Несомненно, у человека, никогда ранее не слыхавшего о "парадоксе близнецов", возникает впечатление полного абсурда. Попробуем, однако, разобраться детальнее, в чем могло бы возникнуть действительное логическое противоречие. Суть дела состоит в том, что для обмена информацией о смерти каждого из братьев должно быть послано известие, скажем радиограмма, с Земли на ракету или наоборот. Между посылкой и получением этой радиограммы пройдет некоторое время, так как она движется с конечной скоростью – со скоростью света. Можно показать, что на Землю радиограмма придет лишь тогда, когда брат на Земле уже умрет, и аналогично – радиограмма, полученная на ракете. Ситуация в этом смысле остается симметричной, и противоречия не возникает.
Обратим внимание, что вся логика приведенного выше объяснения основана на конечности скорости распространения света и гипотезе, что никакой другой, более быстрой, возможности для передачи сигнала не существует. Это один из краеугольных постулатов (подтвержденный прямым образом и косвенно в сотнях экспериментов) специальной теории относительности. Скорость света – это больше, чем просто скорость распространения электромагнитной волны, которая и представляет собой свет, это вообще предельная скорость распространения любого сигнала. Некоторые поля (электромагнитное, гравитационное, возможно, поле, связанное с нейтрино) распространяются с этой предельной скоростью, все другие частицы или материальные тела всегда имеют меньшую скорость. Таким образом, скорость света – это вообще предельно большая скорость, возможная в природе, она называется скоростью «света» лишь по традиции.
На этом, однако, "парадокс близнецов" не кончается. Он может быть продолжен следующим образом. Представим себе, что после длительного путешествия ракета возвращается на Землю. Какой из братьев окажется старше: тот, который оставался на Земле, или брат-путешественник? Здесь, конечно, опять ответ должен быть однозначным, и таковым он и является – брат, оставшийся на Земле, будет старше.
Но как это примирить с декларированной выше эквивалентностью систем, равномерно движущихся друг относительно друга7 Ответ состоит в том, что во время какой-то части путешествия братья не движутся друг относительно друга равномерно. Путешествие неизбежно должно включать участки ускорения и замедления ракеты. На этих участках положение братьев-близнецов не будет эквивалентным. В то время как первый брат, на Земле, не почувствует ничего особенного (он может просто не знать, что улетевшая ракета где-то ускоряется), брат в ракете будет находиться в совершенно другой ситуации. Связанная с ним система отсчета – ракета окажется "ускоренной системой отсчета".
Среди различных возможных систем отсчета в природе выделены так называемые "инерциальные системы отсчета". Определение "ииерциальной системы" состоит в том, что в ней предоставленное самому себе тело, то есть тело, на которое не действуют никакие внешние силы, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
"Ускоренные системы" движутся с ускорением относительно инерциальных систем. Предоставленные самим себе тела в этих системах не сохраняют состояние покоя или равномерного движения. Все знают, что в ускоряющемся или тормозящем поезде чемоданы имеют тенденцию прыгать с полок!
Земля с очень хорошей точностью является инерциальной системой. Тормозящая и ускоряющаяся ракета – нет.
В этом и состоит несимметрия между братьями: брат-путешественник на некоторых участках траектории находится в ускоренном состоянии отсчета.
Специальная теория относительности имеет дело только с инерциальными системами и равномерным движением. Общая теория относительности описывает ускоренное движение.
Для нашего случая заключение общей теории относительности состоит в следующем.
В течение интервалов ускорения и торможения ракеты время в ракете течет медленнее, чем на Земле. При подведении окончательного баланса времени – определении полного времени путешествия этими промежутками пренебречь нельзя. На первый взгляд это может показаться странным, так как кажется, что эти промежутки времени могут быть сделаны сколь угодно малыми по сравнению с длительным временем путешествия с равномерной скоростью. Это, однако, не так, потому что, согласно обшей теории относительности, эффект замедления времени в ускоренной системе координат зависит от расстояния между часами, показания которых сравниваются друг с другом. Чем дальше ускоряемые часы от часов, находящихся в инерциальной системе, тем больше будет эффект.
В результате торможение и ускорение ракеты оказывается абсолютно критическим в удаленной от Земли части траектории, когда ракета поворачивает и начинает возвращаться на Землю. Замедление времени в ракете приводит к тому, что брат-путешественник стареет медленнее брата, оставшегося на Земле. Эта асимметрия приводит в конечном счете к однозначному заключению, что вернувшийся брат-путешественник всегда окажется моложе своего «земного» брата.
ВЕЧНЫЙ МАЯТНИК ВСЕЛЕННОЙ
Профессор Пулковской обсерватории Н. А. Козырев занимался этой проблемой свыше четверти века. И все эти годы стойко выдерживал и прямое отрицание, и замаскированный скептицизм, и намеки на «авантюризм», и… Впрочем, не стоит перечислять всего, что говорили о нем коллеги из близких и не очень близких областей науки. Даже сегодня, спустя почти два десятилетия после его смерти, прямых сторонников среди специалистов, насколько нам известно, у Козырева не густо.
Конечно, это его огорчало. Тем не менее он твердо верил, что истина в науке всегда восторжествует. И для такого оптимизма у него есть основания: достаточно вспомнить Луну…
Вулканы на Селене
Незыблемо считалось: Луна относится к планетам, потерявшим внутреннюю энергию. Мертвое тело, закончившее свою жизненную эволюцию, – вот что это такое. И вдруг Козырев заявляет: на Луне возможна вулканическая деятельность. Ох и доставалось же ему! А он ночь за ночью смотрел в телескоп. И высмотрел-таки: в 1958 году обнаружил вулканическое извержение в кратере Альфонс и получил его спектрограмму. Но только в декабре 1969 года Госкомитет по делам изобретений и открытий выдал ему диплом об. открытии лунного вулканизма. А в 1970 году Международная астронавтическая академия наградила его именной Золотой медалью с бриллиантовым изображением созвездия Большой Медведицы.
Но главное его дело, цель всей жизни – раскрыть самое, пожалуй, загадочное явление природы. Сам Козырев в одной из своих статей писал об этом явлении так: "Есть в природе тайны, на пороге которых останавливается в недоумении не первое поколение ученых". Тайна, которую попытался раскрыть доктор физико-математических наук, профессор Николай Александрович Козырев, волнует человечество уже многие тысячи лет. Тайна эта время.
Волчок в реке времени
Тем, ктo не верил в реальность его рассуждений, Козырев демонстрировал простои, но весьма убедительный опыт. Вот как его описывал в свое время известный журналист и писатель Альберт Валентинов: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать», – сказал Николай Александрович и продемонстрировал мне поразительный по простоте и остроумию эксперимент. Он взял обычные рычажные весы и подвесил к одному концу коромысла вращающийся по часовой стрелке гироскоп. На другом конце – чашка с гирьками. Дождавшись, когда стрелка весов замерла на нуле, ученый включил электровибратор, прикрепленный к их основанию. Все было рассчитано так, чтобы вибрация полностью поглощалась массивным ротором волчка.
Как должна отреагировать на это уравновешенная система? Весы могли не шелохнуться, и физики дали бы этому вполне рациональное объяснение. Весы могли выйти из равновесия, и тогда физики нашли бы этому явлению другое объяснение, ничуть не менее рациональное. А что же произошло?
Стрелка не дрогнула, и я с разочарованием взглянул на ученого. Слегка улыбнувшись, он снял гироскоп, раскрутил его в обратную сторону против часовой стрелки, снова подвесил к коромыслу. и стрелка пошла вправо: гироскоп стал легче.
– Ни одним из известных физических явлений объяснить этот феномен невозможно, – сказал Николай Александрович.
– А как вы объясняете?
– Гироскоп на весах с электровибратором – это система с причинно-следственной связью. Во втором случае направление вращения волчка противоречит ходу времени. Время оказало на него давление, возникли дополнительные силы. Их можно измерить…"
А раз можно измерить – значит, эти силы реально существуют. Но если так, то время – это не просто длительность от одного события до другого, измеряемая часами. Это физический фактор, обладающий свойствами, которые позволяют ему активно участвовать во всех природных процессах, обеспечивая причинно-следственную связь явлений. Козырев экспериментально установил, что ход времени определяется линейной скоростью поворота причины относительно следствия, которая равна 700 километров в секунду со знаком плюс в левой системе координат.
Все это очень сложно для восприятия. И не голько потому, что здесь невозможно подобрать аналогии из обыденной действительности, которые хоть и приближенно, но прояснили бы суть явления. Главное «препятствие» на пути к познанию – инерция нашего мышления. Вот почему все умозрительные попытки от древности до наших дней понять сущность времени оказались безрезультатными. Надо напрочь отрешиться от представления о времени, как о чем-то если и существующем, то независимо oт нас или, во всяком случае, рядом с нами.
Козырев утверждает: время является необходимой составной частью всех процессов во Вселенной, а следовательно, и на нашей планете. Причем активной составной частью. Главной "движущей силой" всего происходящего, так как все процессы в природе идут либо с выделением, либо с поглощением времени.
Эксперимент для скептиков
Тем, для кого вышеприведенного опыта оказывалось недостаточно, Козырев предлагал еще один. Брал самый обыкновенный термос с горячей водой. Только в пробке было проделано отверстие, куда Козырев вставлял тонкую хлорвиниловую трубку. А затем ставил термос около весов с гироскопом. Стрелка весов показывала, что волчок, вращающийся против хода времени, при весе в 90 граммов стал легче на 4 миллиграмма – крохотная, но вполне осязаемая величина.
Потом Козырев по трубке начинал добавлять в термос воду, имеющую комнатную температуру. Казалось бы, как может влиять термос на расстоянии, тем более что какой-либо теплообмен с окружающим пространством практически исключается? Но стрелка весов на глазах изумленного скептика продвигалась еще на одно-два деления: значит, какоето влияние все-таки имело место…
После этого хитроумный Козырев будничным голосом предлагал попить чайку. Наливал в стакан кипятку, бросал сахар, размешивал его… А потом убирал термос и на его место ставил стакан с чаем. Стрелка весов, качнувшаяся было к середине, снова показывала уменьшение веса.
И чтобы окончательно добить маловеров, Козырев ставил на другую чашку весов точно такой же стакан с чаем, но сахар в котором еще не был размешан. И этот стакан почему-то оказывался тяжелее. Немного, чуть-чуть, но равновесие весов все же нарушалось…
Почему?
Сам Козырев объяснял подобный феномен так. Во втором стакане, где сахар еще не размешивали, не происходит никаких особых процессов, кроме естественного тепловыделения в окружающее пространство.
И в термосе ничего не происходило. Но стоило подлить в термос холодную воду, а в стакан с чаем опустить сахар, как равновесие системы нарушилось И покуда система снова не придет в равновесие, скажем, пока в термосе не установится одинаковая по всему объему температура или пока полностью не растворится сахар в чае, система выделяет или, лучше сказать, уплотняет время, которое и оказывает «дополнительное» воздействие на гироскоп.
Такое объяснение, понятное дело, многим казалось (да и сегодня кажется) парадоксальным, но ничего другого никто пока не придумал. А вот факты, подгверждающие правоту Козырева, продолжают накапливаться
Факты эти таковы. Если время воздействует на систему с причинно-следственной связью, то должны меняться и другие физические свойства вещества, а не только вес. Так оно и оказалось. Тончайшие эксперименты подтвердили: вблизи термоса, где смешивается холодная и горячая вода, или колбы, где идет растворение, изменяется частота колебании кварцевых пластинок, уменьшается электропроводность и объем ряда веществ.
И ученый сделал вывод: выделение времени происходит только при «необратимых» процессах, то есть там, где есть причинно-следственные переходы. Иными словами, где система не пришла еще в равновесие. Но как это подтвердить?
Обратимся к звездам
Самые бурные и могучие процессы происходят в звездах, рассуждал Козырев. А раз так, то звезды должны выделять колоссальное количество времени. И, может быть, удастся его выявить по изменению физических свойств вещества, на которое через телескоп направлен поток времени от звезды. Ведь время, как физический фактор, должно подчиняться и основным физическим законам – отражения и поглощения. И вот телескоп направляют на ближайшую яркую звезду. Объектив его плотно закрыт черной бумагой либо тонкой жестью, чтобы исключить влияние световых лучей. А электропроводность вещества, находящегося в его фокусе, меняется. Тонкая жесть заменяется более толстой, затем очень толстой металлической крышкой. И чем толще преграда, тем меньше отклоняется стрелка гальванометра. Это легко объяснимо: если время – физический фактор, то его можно экранировать, менять его интенсивность.
Это было проверено на пяти солнечных затмениях. Телескоп с закрытым объективом наводили на Солнце, и по мере того, как Луна наползала на его диск, стрелка гальванометра постепенно приходила в первоначальное положение.
Но нужен был решающий эксперимент – специально для скептиков. Известно, что мы видим звезды не там, где они находятся в настоящее время, а где они были десятки или сотни лет назад, – именно столько времени требуется свету, чтобы дойти до нас от ближайших звезд. А вот с самим временем происходит иначе. Поскольку оно не распространяется по Вселенной, как свет, а появляется в ней сразу, то его действие на процессы и материальные тела происходит мгновенно.
Проще говоря, используя свойства времени, можно получать мгновенную информацию из любой точки Вселенной или передавать ее в любую точку. Только при этом условии нет противоречия со специальным принципом относительности. И если вычислить, где в данный момент находится звезда, и навести на этот «чистый» для глаза участок неба телескоп, то с изменением веса гироскопа гипотеза будет доказана. И что же? Именно так было определено истинное местонахождение звезды Проциона в созвездии Малого Пса. Впрочем, скептиков это не убедило.
Не будем упрекать маловеров. Они правы в своем скептицизме. Более того, он, этот скептицизм, просто необходим. Познание такого глобального явления, как время, открывает перед человечеством настолько безграничные горизонты, что ошибки здесь просто недопустимы. К тому же эксперименты Козырева…
Несмотря на то что они были проверены в Москве и результаты совпали, что называется, один к одному, некоторые ученые резонно возражают, что если сейчас эти эксперименты нельзя объяснить известными нам законами классической механики, то это вовсе не значит, что в них действительно «работает» время. Просто наших знаний пока еще недостаточно, чтобы дать иное, более рациональное толкование наблюдаемым явлениям.
И Козырев не сердился на скептицизм коллег. Он полагал, что недоверие объективно помогает искать все новые факты в подтверждение своей гипотезы.
Вселенную ждет тепловая смерть?
Все эксперименты Козырева на Земле преследуют цель подтвердить выводы, к которым он пришел, размышляя над звездами. В земной лаборатории удается выявить только отдельные свойства времени – свойства, которые мы можем предположить, исходя из наших знаний. Козырев был уверен, что время полностью проявляет себя только в масштабах Вселенной, где оно играет особую, а главное необходимейшую роль.
В 1850 году немецкий физик Р. Клаузиус (1822–1888) сформулировал постулат, получивший название второго закона термодинамики. "Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому". Формулировка вроде бы самоочевидна, но посмотрите, какую страшную картину получил Клаузиус, распространив свой закон на всю Вселенную: постепенно звезды должны отдать, рассеять свое тепло в пространстве и погаснуть. Вселенную ожидает тепловая смерть.
Против этого вывода возражали Тимирязев, Столетов, Вернадский и многие другие ученые. А Циолковский вообще считал теорию "тепловой смерти" антинаучной. Но сторонники конца Вселенной считают себя правыми: закон Клаузиуса еще не опровергнут.
Быть или не быть Вселенной – это станет ясно, когда мы узнаем, за счет чего светятся звезды.
Сто с лишним лет назад физики немец Гельмгольц и англичанин Кельвин, казалось, решили загадку: звезды – это огромные сгустки газа. Сжимаясь под действием гравитации, они нагреваются до миллионов градусов. Но… расчеты показали, что в этом случае Солнце должно было бы израсходовать всю свою энергию и погаснуть задолго до того, как на Земле появились первые комочки протоплазмы. Затем наступил черед радиоактивности, за ней атомной энергии. Каждый раз казалось: вот она найдена наконец, причина горения звезд. И каждый раз беспощадная математика выносила решение нет, не то. Сейчас серьезные сомнения вызывает последняя теория: что звезды – это термоядерные реакторы. Эксперименты и расчеты показали, что температура внутри Солнца гораздо меньше той, что требуется для термоядерной реакции.
А главное, все эти теории объективно льют воду на мельницу гипотезы тепловой смерти Вселенной. Ведь если запасы энергии находятся внутри звезд, то рано или поздно они должны истощиться. Но никаких других видов энергии земная наука не знала…
Так почему они светятся?
Козырев стал подбирать ключи к мировым законам не на Земле, а во Вселенной. И в 1953 году пришел к выводу: в звездах вообще нет никакого источника энергии. Звезды просто живут, излучая тепло и свет не за счет своих запасов, а за счет прихода энергии извне. Но откуда же она берется?
Ясно, что она приходит из окружающего звезды пространства. Однако пространство не может быть источником энергии: оно пассивно. Но пространство неотделимо от времени… Так Козырев впервые задумался: а что же такое время?
Первый ответ на вопрос дали двойные звезды. Они состоят из звезд разных классов, связанных законом всемирного тяготения. Но вот что удивительно: если поодиночке звезды разных классов отличаются друг от друга, то связанные в пары они приобретают удивительно схожие черты (яркость, спектральный тип и т. д.). Возникает впечатление, что главная звезда воздействует на спутник и постепенно изменяет ею облик. Однако расстояния между «близнецами» столь велики, что воздействия обычным образом, через силовые поля, исключаются. "А не таится ли разгадка во времени7" – предположил Козырев.
Ответ он решил искать поближе – на родной планете. Вернее, на ее спутнике. Ведь система Земля – Луна по сути двойная планета. Сама по себе Луна едва ли могла сохранить внутреннюю энергию: математические расчеты не допускали этого. Но если Земля действует на свой спутник через время…
Так возникла гипотеза лунного вулканизма, о которой говорилось в начале. Она блестяще подтвердилась, но Козыреву этого оказалось мало. Он продолжал и дальше искать во Вселенной подтверждение своей догадки. Его внимание привлекли "черные дыры". Так ученые называют коллапсары – сверхплотные звезды с огромным полем тяготения. Все, что приближается к коллапсару, исчезает без следа. Даже свет не может преодолеть притяжение огромной массы, «проваливающейся» сама в себя. Тем не менее можно обнаружить присутствие "черной дыры" в том или ином районе пространства по мощному рентгеновскому излучению.
Некоторые ученые считают, что «дыры» являются своеобразными «мусоропроводами» Вселенной, куда сбрасывается отработавшая материя. А раз так, то в конце концов все вещество будет поглощено "черными дырами" и мир перестанет существовать. Чем это лучше тепловой смерти?
Другие, оптимисты, дают обнадеживающие прогнозы. рано или поздно поглощение вещества "черными дырами" прекратится и начнется обратный процесс – вещество хлынет наружу. И наконец, скептики противопоставляют свой «железный» аргумент: а есть ли они вообще, "черные дыры", может, их вовсе и нет?..
Они существуют, утверждал Козырев. Его приборы показали необычную плотность времени в окрестностях рентгеновского источника Х-1 в созвездии Лебедь, находящегося "на подозрении" у астрономов. Значит, это действительно "черная дыра". Но коллапсар совсем не бездна, где все пропадает безвозвратно, полагал Козырев. Вселенная устроена гораздо сложнее, чем мы думаем. И она заранее запрограммировала себе вечную жизнь. Вот и "черные дыры" – своеобразный регулятор, механизм, с помощью которого время передает энергию в пространство, а энергия через время возвращает материю в общий круговорот. Так и действует этот маятник, обеспечивая постоянное обновление Вселенной. И все разговоры о тепловой, коллапсарной или какой-либо иной смерти – показатель низкого уровня наших знаний о законах природы.
