Текст книги "Космические рубежи теории относительности"

Автор книги: Уильям Кауфман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 20 страниц)

Что же такое пространство-время? Ещё в детстве мы с легкостью усвоили интуитивные представления о пространственных и временном измерениях. Мы узнали, что есть три пространственных измерения – вперёд и назад, влево и вправо, вверх и вниз. Мы – трёхмерные существа в трёхмерном пространстве – вольны перемещаться в любом направлении. Но по мере того, как проходят часы, месяцы и годы, мы перемещаемся также и во времени. Будучи трёхмерными существами, мы не вольны двигаться взад и вперёд в четвертом измерении – во времени. Мы рождаемся, стареем и умираем, и мы бессильны заставить стрелки часов двигаться назад или ускорить их ход (рис. 1.5).

РИС. 1.5. Пространство и пространство-время. Родившись на свет, старея и умирая, мы являемся трёхмерными существами, перемещающимися в четырёхмерном пространстве-времени.

Смысл пространства-времени лучше всего проиллюстрировать простым примером. Допустим, что вы садитесь в Лoc-Анджелесе в самолёт, направляющийся в Сиэтл с посадкой на один час в Сан-Франциско. Этот полёт можно изобразить графически (рис. 1.6), Будем откладывать по горизонтальной оси расстояние, пройденное самолётом, а по вертикальной оси – время по часам. Вылет из Лос-Анджелеса в 9 ч утра, а Прибытие в Сан-Франциско в 10 ч утра. После часовой стоянки ваш самолёт летит дальше в Сиэтл, куда прибывает в 13 ч дня. Зная расстояния между этими городами, нетрудно построить окончательный график.

РИС. 1.6. Пример диаграммы пространства-времени. Путешествие на самолёте из Лос-Анджелеса в Сиэтл с посадкой в Сан-Франциско, изображенное с помощью двумерной диаграммы пространства-времени.

На двумерной диаграмме пространства-времени ось с пометкой «расстояние» указывает ваше положение в пространственном измерении, а ось с пометкой «время»-ваше положение во временном измерении. Ваш путь в таком пространстве-времени (мировая линия) показан на рис. 1.6. Когда вы находитесь на земле, мировая линия идет вертикально на диаграмме, так как ваше положение в пространстве остаётся неизменным, а время продолжает течь. Когда вы находитесь в полёте, ваша мировая линия i поднимается под углом вправо, ибо с течением времени вы удаляетесь от Лос-Анджелеса.

РИС. 1.7. Трёхмерная диаграмма пространства-времени. Человек входит в комнату, подходит к торшеру, а затем к креслу. Слева показан путь человека в обычном пространстве, а справа его мировая линия в пространстве-времени.

Аналогично можно построить трёхмерную диаграмму пространства-времени. Допустим, вы вошли через дверь в комнату, подошли сначала к торшеру, а затем к креслу. Ваш путь в обычном пространстве выглядел бы тогда, как на рис. 1.7 слева. Чтобы представить ваш путь (мировую линию) в пространстве-времени, потребуется построить трёхмерный график. По одной оси этого графика откладывается ваше движение в направлении север-юг, по другой – в направлении восток-запад, И, наконец, третья ось указывает, сколько прошло времени. В таком пространстве-времени мировые линии двери, торшера и кресла суть прямые, параллельные оси времени. Дело в том, что дверь, торшер и кресло не изменяют своего положения в пространстве с течением времени. Вы же проделываете путь, приводящий вас от мировой линии двери сначала к мировой линии торшера, а затем к мировой линии кресла. Как показано на рис. 1.7 справа, ваша, мировая линия поднимается всё выше и выше, потому что, пока вы ходите по комнате, время течёт.

Хотя эти примеры выглядят довольно тривиальными, они в очень общей форме показывают, что следует понимать под пространством-временем. Можно было бы построить чертёж и для четырёхмерного пространства-времени, но это излишне. Как будет видно на многочисленных примерах, приведенных в этой книге, если вы понимаете, что происходит в двух измерениях, то двумерную картину всегда можно обобщить на три, четыре или более измерений. Именно так и поступают учёные. Физики – теоретики, специалисты по теории относительности, вовсе не обладают какой-то особой способностью представлять себе четыре измерения. Они начинают анализ задачи в двумерном пространстве, а дальше срабатывает их интуиция. Если при этом не будет допущено ошибок, то они всегда могут обобщить свои результаты и уравнения применительно к четырёхмерному пространству-времени. Мы увидим, что именно так они и поступают, когда исследуется смысл «искривлённого» пространства-времени.

РИС. 1.8. Абсолютно прошлое, абсолютно будущее и абсолютно удалённое. Физики предпочитают строить диаграммы пространства-времени так, чтобы световые лучи изображались линиями с наклоном 45°. Тогда всё пространство-время разбивается на три самостоятельные области: абсолютное прошлое, абсолютное будущее и абсолютно удалённую область.

Хотя оба приведенных выше примера иллюстрируют все основные понятия, физики предпочитают рисовать диаграммы пространства-времени немного иначе. Это в самом общем виде показано на рис. 1.8. Как и в рассмотренном примере полёта из Лос-Анджелеса в Сиэтл, пространственное измерение откладывается по горизонтальной оси графика, а временное – по его вертикальной оси, однако масштабы на этих осях выбраны очень своеобразно. Если 1 см по вертикали эквивалентен 1 с времени, то 1 см по горизонтали соответствует 300 000 км, т.е. расстоянию, которое свет проходит за 1 с. В результате мировая линия света на такой диаграмме имеет наклон 45°. Обозначим точку в центре диаграммы «здесь и сейчас» («здесь» в пространстве и «сейчас» во времени), тогда всё пространство-время естественным образом разобьется на три области: абсолютное прошлое, абсолютное будущее и абсолютно удалённое. Границы этих областей определяются мировыми линиями световых лучей, проходящих через точку «здесь и сейчас» в центре диаграммы. Смысл названий Этих трёх областей становится ясным, если вспомнить, что, согласно специальной теории относительности, движение со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, невозможно. Например, из центра диаграммы легко попасть в точку, где стоит буква «щ» в слове «будущее». Времени пройдет много, а преодоленное расстояние будет малым, и скорость при таком путешествии будет меньше скорости света. Однако из этой вершины вам никак не удастся попасть к букве «б» в слове «где-нибудь», ибо для этого пришлось бы преодолеть огромное расстояние за весьма малое время, причем скорость движения превысила бы скорость света.

Поскольку невозможно двигаться со скоростью, равной или превышающей скорость света, в таком пространстве-времени разрешены только те мировые линии, наклон которых в любой их точке меньше 45° к вертикали. Это значит, что, выйдя из вершины в центре диаграммы, вы никогда не покинете области абсолютного будущего. Вам никогда не попасть в абсолютно удалённую область. Аналогично, чтобы оказаться в этой вершине, нужно отправиться в путь откуда-нибудь из области абсолютного прошлого. Однако всегда абсолютно удалённая область является для вас запретной.

РИС. 1.9. Три типа траекторий. Поскольку движение быстрее света невозможно, материальные тела движутся только по временноподобным линиям. Свет распространяется по светоподобным мировым линиям, а пространственноподобные пути запрещены.

Выяснив, в каких областях пространства-времени мы можем путешествовать, а какие нам недоступны, мы можем выделить три основных типа мировых линий (рис. 1.9). Из точки В можно попасть в точку П. Эта мировая линия составляет с вертикалью угол менее 45°, и требуется очень много времени, чтобы преодолеть небольшое расстояние, поэтому её называют временноподобной. Мировая линия, соединяющая точки С и П, имеет наклон, точно равный 45° относительно вертикали. Из описанного выше принципа построения диаграммы пространства-времени следует, что каждую секунду покрывается расстояние 300 000 км. Скорость космонавта, летящего из С в П, должна равняться скорости света, и поэтому такая мировая линия называется светоподобной. Наконец, наклон линии, соединяющей точки П и П, к вертикали превышает 45°. По такому «пути» за очень короткий срок во времени «проходится» огромный путь в пространстве, поэтому скорость должна превышать скорость света, и мировая линия называется пространственноподобной. Ниже в этой книге мы часто будем пользоваться такими диаграммами пространства-времени.

Всё вещество во Вселенной движется лишь по временноподобным мировым линиям в четырёхмерном пространственно-временном континууме. Из специальной теории относительности, как из всей совокупности наших знаний о Вселенной, следует, что невозможно разогнать вещество до скорости света или до скорости, превышающей её, поэтому светоподобные и пространственноподобные мировые линии всегда под запретом. Чтобы лучше разобраться в этом, познакомимся с основными представлениями специальной теории относительности.

2

ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Совершим небольшой экскурс в историю. Представим себе путь человечества за последние десять тысяч лет – от древнейших цивилизаций на берегах Инда и Евфрата до путешествий астронавтов с космических кораблей «Аполлон» по лунной поверхности. В этой ретроспективе выделяются события, течения и тенденции развития, имеющие решающее значение или важные последствия для человечества. Конечно, исторически важные события наиболее очевидны, к примеру изобретение письменности или взрыв атомной бомбы. Направления и тенденции развития событий, как правило, выявляются постепенно – например, упадок Римской империи или быстрый рост народонаселения на протяжении XX в.

Сегодня, оглянувшись вокруг, мы обнаруживаем, что открытие свойств и практическое применение электричества венчают список исторически важных событий. Электричество играет важную роль почти во всех сферах человеческой жизни: в быту и на работе, от средств связи до развлечений. А ведь каких-нибудь сто лет назад всё обстояло иначе. Вплоть до начала XIX в. электричество ассоциировалось с лейденскими банками, бумажным змеем Бенджамина Франклина и судорогой в руке, если взяться за дверную ручку, походив по толстому ковру. Лишь в начале XIX в. началось серьёзное экспериментальное изучение электричества. Важнейшими опытами, которые выявили фундаментальные свойства электричества, были, видимо, опыты Майкла Фарадея и Ганса Кристиана Эрстеда. Почти случайно было обнаружено, что электрический ток, текущий по проводу, генерирует магнитное поле. Действительно, если поместить карманный компас вблизи проводника, по которому течёт электрический ток, то стрелка компаса отклонится от направления на север. До этого открытия электричество и магнетизм считались совершенно несвязанными явлениями. Электричество ассоциировалось с молнией, а магнетизм – со странными свойствами некоторых железных руд. Однако благодаря работам Фарадея и Эрстеда стало очевидно, что эти два явления тесно связаны между собой. Оказалось, что всякий раз, когда приводятся в движение электрические заряды, возникает магнитное поле (рис. 2.1).

РИС. 2.1. Эксперимент Эрстеда: электричество порождает магнитное поле. Когда по проводнику течёт электрический ток, вокруг проводника возникает магнитное поле. Об этом свидетельствует изменение направления стрелки компаса до и после включения рубильника.

В начале XIX в. было также открыто и обратное явление: изменение магнитного поля или движение в нём приводит к появлению электрического поля даже в отсутствие электрических зарядов. Если, например, перемещать между полюсами подковообразного магнита проволочную петлю, то по ней потечёт электрический ток (рис. 2.2). В этом состоит принцип работы электрогенератора.

РИС. 2.2. Магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). При движении проволочной петли в магнитном поле в ней возникает электрический ток.

Эти фундаментальные открытия повлекли за собой множество экспериментов и исследований, апогеем которых был труд великого шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла. За 9 лет (с 1865 по 1873 г.) Максвеллу удалось выразить все накопленные знания об электричестве и магнетизме в виде четырёх простых уравнений. Эти четыре уравнения, составившие основу теории электромагнетизма, включают практически всю информацию о свойствах и взаимосвязях электрических и магнитных явлений. Чтобы прийти к окончательному результату, объединяющему эти явления, Максвеллу пришлось встать на революционную по тем временам точку зрения: наличие электрических зарядов или магнитов коренным образом изменяет свойства пространства около этих зарядов или магнитов. Согласно Максвеллу, в пространстве возникают «натяжения», соответствующие электрическому или магнитному полям. Поэтому четыре уравнения Максвелла (рис. 2.3) часто называют уравнениями электромагнитного поля. Так впервые в истории науки появилось понятие поля. До работ Максвелла в классической физике считалось, что материальные тела непосредственно действуют друг на друга на расстоянии, без посредничества пространства между ними. Теперь же учёные поняли, что свойства пространства вокруг тел изменяются из-за присутствия самих тел.

РИС. 2.3. Уравнения Максвелла. Эти четыре простых уравнения полностью описывают всю совокупность взаимосвязей между электричеством и магнетизмом.

Теория электромагнетизма привела во второй половине прошлого столетия к замечательному открытию: оказалось, что из четырёх уравнений Максвелла можно получить волновое уравнение, описывающее свойства света. Это волновое уравнение таило в себе много неожиданного. Во-первых, оно совершенно по-новому интерпретировало свет: его луч представляет собой одновременные колебания перпендикулярных друг другу электрического и магнитного полей (рис. 2.4). Следовательно, свет можно рассматривать как электромагнитное излучение. Расстояние между горбами или впадинами двух последовательных волн называется длиной волны излучения.

РИС. 2.4. Электромагнитное излучение. Согласно уравнениям Максвелла, свет любой длины волны можно представить как колебания электрического и магнитного полей.

Во-вторых, выяснилось, что уравнение электромагнитной волны не накладывает никаких ограничений или условий на длину волны описываемого им излучения. Но из опыта физикам было известно, что обычный видимый свет соответствует очень узкому диапазону длин волн. Таким образом, волновое уравнение предсказывало существование совершенно неизвестных видов электромагнитного излучения, длины волн которых на много порядков величины больше или меньше, чем у видимого света. На протяжении десятилетий после этого теоретического предсказания было открыто много новых видов электромагнитного излучения. которые стали для нас привычными. Например, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения имеют длины волн короче, чем у видимого света, а инфракрасное и радиоизлучение являются более длинноволновыми. Все эти виды излучения, включая и видимый свет, образуют электромагнитный спектр (рис. 2.5).

РИС. 2.5. Электромагнитный спектр. Электромагнитное излучение охватывает весь диапазон от чрезвычайно коротковолновых гамма-лучей до очень длинных радиоволн. Обратите внимание на то, что видимый свет занимает лишь малую долю спектра.

Наконец, одно из самых непонятных свойств электромагнитного волнового уравнения состояло в том, что при выводе его из уравнений поля Максвелла некоторые коэффициенты объединились и дали число, согласно экспериментам равное 300000 км/с. Другими словами, с волновым уравнением неразрывно связана скорость, которую обычно обозначают латинской буквой с и отождествляют со скоростью света. Трудно переоценить значение этого исключительного факта. Впервые в истории науки при описании явлений природы на самом фундаментальном уровне появилась скорость. Появление в теории величины с повлияло почти на все понятия и представления о Вселенной, включая интуитивные представления о пространстве, времени и материи.

На первый взгляд присутствие с в волновом уравнении говорит о том, что всякое электромагнитное излучение должно распространяться со скоростью 300 000 км/с. Но после минутного размышления мы понимаем, что пора спросить: «Как?» и «Относительно чего?» Звуковые волны распространяются в воздухе, океанские волны – в воде, а в какой среде распространяются электромагнитные волны? Чтобы ответить на этот вопрос, физики XIX в. постулировали существование всепроникающей среды – эфира. Этот загадочный эфир не взаимодействовал ни с чем в материальном мире, и вся его роль сводилась к роли переносчика электромагнитных волн. Логично было заключить, что с -это скорость света относительно загадочного эфира.

В 1880-х годах появилась идея: а нельзя ли измерить скорость движения Земли относительно гипотетического эфира? Ведь эфир должен заполнять всю Вселенную – иначе как мог бы доходить до нас свет от звёзд? К тому же Земля обращается вокруг Солнца, так что каждые 6 месяцев она, очевидно, должна менять направление движения относительно эфирного океана на противоположное.

РИС. 2.6. Опыт Майкельсона-Морли. (Схема интерферометра). Такая экспериментальная установка использовалась Майкельсоном и Морли в их безуспешной попытке обнаружить движение Земли относительно эфира. Отрицательный результат опыта показал, что в классической физике что-то неладно.

Два американских физика, Альберт А. Майкельсон и Эдвард У. Морли, поставили конкретный опыт, с помощью которого можно было бы измерить скорость движения Земли относительно эфира. Схема прибора, который называется интерферометром Майкельсона, показана на рис. 2.6. Источник света испускает луч по направлению к центру прибора, где расположен делитель пучка света, позволяющий половине пучка света пройти Дальше и попасть на зеркало А, тогда как другая половина отражается под прямым углом на зеркало В. Оптические расстояния между делителем луча и обоими зеркалами должны быть с высокой точностью одинаковыми. После того как свет отразится от зеркал А и В, два получившихся луча возвращаются к центру прибора. Часть луча от зеркала В проходит через делитель и смешивается с частью луча от зеркала А, и свет направляется в небольшой телескоп. Из классической оптики хорошо известно, что когда два луча вместе приходят к конечной точке своего путешествия, они интерферируют друг с другом, образуя систему интерференционных полос. Эту интерференционную картину легко наблюдать с помощью небольшого телескопа.

Сущность эксперимента Майкельсона-Морли в том, что если прибор будет оставаться фиксированным, то естественное вращение Земли вокруг оси будет постоянно изменять направление плеч интерферометра в течение суток. Если, например, в 6 ч утра направление к зеркалу А параллельно, а направление на зеркало B -перпендикулярно направлению движения Земли по орбите, то 6 ч спустя, в 12 ч дня, будет наблюдаться противоположная картина. Другими словами, в 6 ч утра свет идет к зеркалу А и обратно параллельно, а свет к зеркалу В – перпендикулярно потоку эфира относительно Земли. Но в полдень свет, идущий к зеркалу А и от него, будет двигаться перпендикулярно потоку эфира, тогда как свет к зеркалу В и от него будет идти параллельно этому потоку. Такое изменение ориентации плеч интерферометра должно приводить к вполне заметному сдвигу интерференционных полос, наблюдаемых в телескоп. Именно так Майкельсон и Морли надеялись обнаружить движение Земли относительно эфира.

Чтобы лучше разобраться в этом эксперименте, представим себе двух пловцов, скорости которых в неподвижной воде в точности совпадает. Организуем состязание между этими спортсменами. Местом старта пусть будет речная пристань (рис. 2.7). Пусть один пловец переплывет реку и возвратится обратно (поперек течения), а второй проплывет такое же расстояние вниз по течению и возвратится обратно (параллельно течению). Если бы течение отсутствовало, то состязание, очевидно, закончилось бы вничью. Простой расчёт, однако, показывает, что благодаря тому, что река течёт, обязательно победит первый пловец (т.е. Совершающий заплыв поперек течения). Всегда требуется меньше времени, чтобы переплыть реку туда и обратно, чем проплыть такое же расстояние вниз по течению и обратно.

РИС. 2.7. Пловцы и река. Состязание двух пловцов, имеющих одинаковую скорость в неподвижной воде. Всегда побеждает тот, кто переплывает реку поперек течения.

Точно такое же положение должно иметь место и в опыте Майкельсона-Морли. Как только свет испускается источником в интерферометре, он как бы погружается в реку эфира, текущую мимо Земли вследствие её движения по орбите. По аналогии с рассмотренным примером о двух пловцах всегда должен «побеждать» свет, распространяющийся от делителя луча до зеркала и обратно перпендикулярно направлению движения Земли по орбите, а вследствие вращения Земли вокруг своей оси каждые шесть часов «победитель» и «побежденный» будут меняться. Именно эта смена «лидера» и должна приводить к регулярному сдвигу интерференционных полос, ожидавшемуся Майкельсоном.

Опыт Майкельсона был впервые поставлен в 1880 г., и, к всеобщему удивлению, не было обнаружено сколько-нибудь заметного сдвига интерференционных полос. Отсюда следовало, что либо Земля неподвижна, либо эфира не существует, а значит, в наших представлениях о природе кроется фундаментальная ошибка.

Хотя мы подошли к проблеме о наличии в волновом уравнении постоянной величины с с экспериментальной точки зрения, отметим, что и в теории также имеется множество трудностей. Рассмотрим, к примеру, лампу-вспышку, применяемую в фотографии. Когда она срабатывает во всех направлениях начинает распространяться сферическая оболочка света. Но. согласно классической теории, сферическим его видит только тот, кто держит эту лампу (т.е. наблюдатель, покоящийся относительно источника света), а тот, кто находится в движении относительно лампы-вспышки, должен видеть эллипсоидальную оболочку света, распространяющегося от источника. Если нечто в одно и то же время является и сферическим, и несферическим, то это парадокс для привычного образа мышления.

В 1905 г. молодому немецкому физику, служившему в патентном бюро в Швейцарии, удалось сформулировать новую и абсолютно последовательную теорию о том, как нужно толковать описанный выше эксперимент. Эта теория – специальная теория относительности – была предназначена для того, чтобы устранить все трудности, связанные с постоянной с в теории электромагнетизма. Альберт Эйнштейн начал с фундаментального и далеко идущего предположения: скорость света в вакууме является абсолютной константой. Другими словами, кто бы ни измерял скорость света, всегда будет получаться один и тот же результат независимо от того, как движутся относительно друг друга источник света и наблюдатель. Иначе этот постулат можно сформулировать следующим образом: скорость света не зависит от скоростей как источника, так и наблюдателя.

РИС. 2.8. Камни, поезд и свеча. Согласно здравому смыслу, скорость камня (относительно Земли), брошенного человеком с крыши поезда, зависела от скорости поезда. Однако скорость света не зависит от скорости движения его источника.

Это утверждение в корне противоречит нашей интуиции и повседневному опыту. Представим себе, например, человека, сидящего на крыше поезда, движущегося со скоростью 50 км/ч (рис. 2.8). Пусть человек бросает в направлении движения поезда камень со скоростью 10 км/ч. С точки зрения наблюдателя, стоящего около железнодорожного полотна, скорость камня составит 60 км/ч (скорость поезда 50 км/ч плюс 10 км/ч составит скорость камня относительно поезда). Так подсказывает здравый смысл. Аналогично если человек на крыше поезда повернется лицом в противоположную сторону и бросит такой же камень с той же силой в направлении хвоста поезда, то для наблюдателя, стоящего у путей, камень будет лететь со скоростью 40 км/ч (скорость поезда 50 км/ч минус 10 км/ч – скорость камня относительно поезда). Это также соответствует здравому смыслу. Однако если человек на крыше поезда зажжет фонарь, то и для него, и для наблюдателя, стоящего у железнодорожного полотна, свет будет распространяться во всех направлениях с одной и той же скоростью 300 000 км/с независимо от того, с какой скоростью и в каком направлении движется поезд. Чтобы прийти к такому выводу, им обоим придется отказаться от многих своих интуитивных представлений о пространстве и времени.

РИС. 2.9. Расширяющаяся световая оболочка. В соответствии с предположением об абсолютном постоянстве скорости света наблюдатели согласятся, что они видят сферическую расширяющуюся световую оболочку. Но они не смогут прийти к согласию относительно скорости хода их часов или длины линеек.

В общих чертах специальную теорию относительности можно построить непосредственно из предположения об абсолютном постоянстве скорости света. Представим себе такой эксперимент: пусть некто включает лампу-вспышку. Для него (Андрей на рис. 2.9) свет распространяется в виде сферической оболочки с одной и той же скоростью 300000 км/с во всех направлениях. Согласно постулату Эйнштейна, для любого наблюдателя эта оболочка расширяется со скоростью 300 000 км/с. Иными словами, каждый из них (Борис, Василий и Мария на рис. 2.9) видит расширяющуюся сферическую оболочку света. Чтобы все наблюдатели независимо от того, как они движутся, видели сферическую оболочку, приходится отказаться от классических представлений о природе измерений времени и расстояний. В частности, из требования, чтобы для любых двух наблюдателей, движущихся относительно друг друга, оболочка оставалась сферической, следует, что их мерные линейки и ход часов не совпадают. Каждый будет утверждать, что часы его партнера отстают, а линейки измеряют разную длину в разных направлениях.

В основе специальной теории относительности лежит система математических соотношений, носящих название преобразований Лоренца. Эти соотношения указывают, как представляются разным наблюдателям, движущимся относительно друг друга, те или иные явления. Например, теория предсказывает, что для покоящегося наблюдателя движущиеся часы будут отставать. Этот эффект иногда называют замедлением времени. Иначе говоря, если вы будете поддерживать двухстороннюю связь с космонавтом, который с большой скоростью пролетает через Солнечную систему, то обнаружите, что все часы на борту корабля отстают по сравнению с вашими. Покоясь на Земле, вы заключите, что для движущегося космонавта время замедлилось. Такое заключение с необходимостью следует из предположения, что скорость света – абсолютная постоянная. Если и вы, и космонавт, измеряя скорость света, должны получить в точности один и тот же результат, то с вашей точки зрения часы космонавта должны отставать.

На рис. 2.10 графически изображено преобразование Лоренца для времени. В частности, этот график отвечает на вопрос, сколько длится 1 с по движущимся часам с точки зрения часов покоящихся. К примеру, если космонавт пролетает мимо вас со скоростью, равной 60% скорости света, то 1 с по его часам равна 1,2 с по вашим часам. Из этого же графика видно, что эффект замедления течения времени становится существенным лишь при субсветовых скоростях. По мере того как скорость движения часов стремится к скорости света, это замедление становится в пределе бесконечно большим, и при достижении скорости света время останавливается вообще.

РИС. 2.10. Замедление течения времени. Преобразования Лоренца предсказывают, что интервалы времени, измеренные движущимися часами, должны быть длиннее, чем такие же интервалы, измеренные покоящимися часами.

Эффект замедления течения времени приводит к ряду трудностей и парадоксов понятийного характера. Если, например, вы скажете своей приятельнице, что её часы отстают, то она может возразить, что её часы идут правильно, а вот ваши часы спешат. Если же два космонавта пролетают мимо друг друга на большой скорости, го, согласно теории относительности, каждый из них может считать себя покоящимся, так что отстают часы каждого партнера.

Продолжив эти рассуждения, рассмотрим межзвёздный перелет с субсветовой скоростью. Допустим, что двое молодых людей, живущих на Земле, Андрей и Борис, которым по 20 лет, имеют космический корабль, способный развивать скорость, равную 98% скорости света (рис. 2.11). Они собираются совершить путешествие к звезде, расположенной в 25 световых годах от Земли, и обратно, но Андрей решает остаться дома, а Борис садится в корабль и отправляется в путь один. Наш космонавт преодолевает всё расстояние туда и обратно, равное 50 световым годам, с постоянной скоростью, равной 98% скорости света. Для Андрея, оставшегося на Земле, часы Бориса замедлили свой ход, и, согласно преобразованию Лоренца, 1 с по часам Бориса длится 5 с по часам Андрея (см. рис 2.10). Поскольку Борис летел со скоростью, очень близкой к световой, весь путь, равный 50 световым годам, он проделал за 51 год по часам, остававшимся на Земле. Поэтому к тому времени, когда Борис завершит своё путешествие, Андрею будет 71 год. С другой стороны, поскольку на космическом корабле течение времени замедлялось, для Бориса прошло всего 10 лет. В результате по возвращении на Землю Борису будет лишь 30 лет.

РИС. 2.11. Андрей и Борис. Андрей остаётся на Земле, а Борис летит со скоростью, равной 98% скорости света к звезде, находящейся на расстоянии 25 световых лет от Земли, и возвращается обратно. Хотя они расстаются, когда им обоим по 20 лет. к моменту встречи Андрею будет 71 год, а Борису только 30 лет.

Это воображаемое путешествие можно рассмотреть и таким образом, что каждый персонаж считает себя покоящимся, так что часы его партнера замедлялись. Тогда становится неясно, кто же в конце концов станет старше, и мы придем к знаменитому парадоксу близнецов. Однако в случае Андрея и Бориса ясно, кто двигался, а кто нет (в ракету ведь садился только один из них), так что парадокса не возникает.

(Подробнее о «парадоксе близнецов» см. Л. Мардер. Парадокс часов. М.: Мир, 1974 – Прим. перев.)

Из преобразования Лоренца вытекают также конкретные следствия об изменениях длины и массы в зависимости от скорости относительно различных наблюдателей. В частности, для покоящегося наблюдателя мерные линейки движущегося космонавта сокращаются по длине, если их расположить в направлении движения. Этот эффект, иногда называемый сокращением масштабов Лоренца-Фитцджеральда, особенно усиливается с приближением к скорости света (рис. 2.12). При скорости, равной скорости света, длина мерных линеек космонавта, согласно теории, равна нулю. Массы же предметов, движущихся с большими скоростями относительно покоящегося наблюдателя, увеличиваются. Если же частица движется со скоростью света, то, согласно теории относительности, её масса становится бесконечно большой (рис. 2.13).