Эйнштейн относительности

Говорят, что именно в трамвайном вагоне Альберту Эйнштейну пришло открытие всей его жизни, как раз когда он ехал по швейцарскому Берну. Знаменитый «цыган и бродяга» (как любил говорить о себе сам ученый) якобы посмотрел на часы и понял, что они остановятся, если трамвай вдруг разгонится до скорости света. Потому что время попросту перестанет существовать. Но почему? Давайте разберемся.

Итак, вы, подобно Эйнштейну, сели в трамвай. Он тронулся, потому что вы видите, как за окном поплыли улицы и дома. Это понятно ребенку, но не физику, который может с вами поспорить: можно считать, что ваш трамвай стоит, а улицы и дома движутся. И окажется прав. Впрочем, и вы тоже. Это такая же истина, как наша уверенность, что мы живем «вверху» Земли, а жители Бразилии – «внизу». С точки зрения физики, две системы (дома и едущий равномерно и с одинаковой скоростью трамвай) равнозначны. Как одну, так и другую систему можно назвать движущейся: не только трамвай едет мимо улиц, но и улицы едут мимо трамвая. Все относительно. Правда, это еще не теория Эйнштейна – просто школьная механика.

Но можно представить, что наступила ночь и у трамвая зажглись фары. На остановке, мимо которой вы проезжаете, стоит фонарь, он светит в ту же сторону, что и трамвайные фары, освещая один из домов. Какой луч света «долетит» до этого дома быстрее – тот, что от фар, или тот, что испускает фонарь? По логике, луч фар, ведь трамвай движется навстречу дому, а фонарь стоит. Но всем известно, что скорость света постоянна (300 тыс. км в секунду) и одинакова во всех направлениях. Это выяснили еще в конце XIX века американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли. То есть, несмотря на разницу в скоростях источников света, лучи от фонаря и трамвайной фары достигнут стены дома одновременно. Потому что скорость света не слушается наших земных (читай: ньютоновских) законов физики и описывается теорией относительности. Но что значит одновременно?

Опять же, смотря для кого. Допустим, что наш трамвай родом из Японии, так что передняя и задняя двери открываются по световому сигналу. Последний исходит от фонаря, что находится точно посреди вагона, на равном расстоянии от двух дверей. Какая из них при включении фонаря откроется первой? Обе, понятно (фонарь находится в аккурат по центру вагона, а скорость света во всех направлениях одинакова). Но это с точки зрения нас, пассажиров, едущих в трамвае. А с точки зрения людей, стоящих на остановке? Они увидят совсем другую картину: сначала откроется передняя дверь, потом – задняя. Почему? Просто передняя часть вагона, проезжающая мимо людей на остановке, удаляется от источника света (который открывает двери), а задняя – приближается к нему. То есть свет должен проделать больший путь до передней двери и меньший – до задней. И это не обман зрения, а физика.

Но как можно в одинаковое время и с одинаковой скоростью пройти неодинаковое расстояние? Скорость света неизменна, поэтому выход один – признать, что изменяется время. В движущемся вагоне и на неподвижной остановке оно течет по-разному. Как ни парадоксально. Это означает только одно: все мы можем назвать себя путешественниками во времени, когда едем в трамвае (машине, корабле, поезде, самолете). Мы движемся в будущее быстрее, чем люди на остановке. Наши часы отстали, но можно их не подводить – отставание будет равно одной миллионной доли секунды в сутки. Это прямо-таки пустяк – пока речь идет о скорости трамвая. Чтобы часы отстали капитально, придется разогнаться до скорости, близкой к световой, и отправиться в космос. Если это несчастье произойдет с трамваем, можно будет увидеть (на самом деле, увидеть это невозможно, как нельзя увидеть – даже в самой замедленной съемке – процесс распространения света), как многострадальный общественный транспорт по мере нарастания скорости в буквальном смысле сокращается в длину (это называется эффектом сокращения Лоренца-Фицджеральда). Хотя вы, летящие в вагоне, этого бы – как ни странно – не заметили вовсе: длина вагона осталась бы для вас прежней. А еще в нашем трамвае сильно замедлится время. Если допустить, что он движется со скоростью 280 км/с, то время в нем потечет в три раза медленнее, чем на Земле (хотя пассажиры и этого бы не заметили). Это значит, что для нас, сидящих в вагоне, прошел бы всего один день, а для тех, кто остался на Земле, целых три.

Так уж устроен мир.

Если представить, что мы во время своего сумасшедшего светового путешествия промчались мимо какого-нибудь космического корабля, который висит в космосе неподвижно, то можно провести любопытный опыт. Для этого понадобятся лазер и зеркало, закрепленное на «потолке» нашего «трамвайного звездолета». Если посветить лазером в зеркало – луч света отразится и упадет на детектор на «полу» вагона. Его путь пройдет по прямой от потолка до пола – вверх-вниз. Но для человека, сидящего в неподвижном космическом корабле, мимо которого пролетает ваш вагон, картина будет выглядеть иначе. Если бы он мог видеть, что происходит внутри, то сказал бы, что луч света прошел по диагонали к зеркалу на потолке, отразился от него и по диагонали же упал на детектор. С его точки зрения луч пройдет куда большее расстояние, чем это кажется вам.

Скорость света неизменна, значит, опять изменилось время. На таких больших скоростях оно течет во много раз медленнее, чем, скажем, на Земле. Это подтверждено множеством экспериментов. Один из них провели ученые Мичиганского университета, поместив на борт самолета сверхточные атомные часы. Каждый раз по возвращении авиалайнера они сверялись с контрольными и отставали от них все больше и больше (так что машины времени давно изобретены – взять хотя бы МКС, которая несется в космосе со скоростью 27 700 км/ч, разве что путешествовать в будущее на ней можно лишь на доли секунды).

А время, как известно, неотделимо от пространства. Это понятно: когда мы говорим о чем-то в пространстве, то всегда подразумеваем и какой-то отрезок времени, а уж время без пространства и вовсе представить нельзя. Физики так и говорят: пространство-время, не разделяя эти понятия.

Чем быстрее скорость, тем дальше мы продвигаемся в будущее. И все равно это очень мало. Ни сам человек, ни его творения не способны передвигаться на серьезные расстояния во времени. Свидетельство тому – всем известное E = mc2 (где Е – энергия, m – масса, с – скорость света в вакууме), открывшее для ученых смертельную мощь, заключенную в каждом атоме (именно поэтому Эйнштейна винят в создании атомной бомбы, хотя ученый причастен лишь к формуле). Исходя из этой формулы, чем больше скорость какого-то тела, тем больше увеличивается его масса. Если разогнать хотя бы обычный снежок, который весит 100 граммов, до скорости света, его энергия достигнет 0,1 × 300 000², то есть 300 000 000 000,0 джоулей. Это больше, чем взрыв атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму.

Так что разогнать до скорости света (или хотя бы близкой к ней) человеческое тело или космический корабль не получится. Хотя бы потому, что чем сильнее будет расти масса, тем бо́льшая энергия понадобится, чтобы разогнать такой корабль, приближая количество этой энергии к бесконечности. Не говоря уже о последствиях подобных эскапад для здоровья. С такой скоростью могут двигаться только фотоны света (и другие элементарные частицы, которые разгоняют в Большом адронном коллайдере к скорости, близкой к световой), почти не имеющие массы.

А что с пространством, ведь оно неотделимо от времени? Правильно, неотделимо, но еще и искривлено. Сплошь и рядом. Под действием массивных объектов, обладающих гравитацией, – галактик, звезд или планет. Впрочем, не так: гравитация – это и есть следствие искривления пространства-времени (гравитационные эффекты описываются Общей теорией относительности, более сложной, в которую и входит Специальная теория относительности, о положениях которой мы говорили ранее). Это принято изображать при помощи батута. Он символизирует наше пространство-время, а тяжелый объект, скажем, планета, – свинцовый шар. Если положить шар на батут, он прогнется. Если положить рядом другой шар, меньшей массой, какое-то время он будет вращаться вокруг более тяжелого (совсем как наша Луна вокруг Земли). Это и есть гравитация, смысл которой, на самом деле, не притяжение, а искривление пространства-времени. Чем больше масса тела, тем сильнее искривление, чем увесистее шарик, тем сильнее он прогнет батут. Именно благодаря такому искривлению планеты вращаются вокруг звезд. 

Но искривление пространства-времени отвечает не только за гравитацию. Есть еще кое-что – замедление времени. Около массивных тел вроде Земли или Солнца время течет медленнее, чем в пустом космосе. А вот в районе черных дыр, вероятно, останавливается вовсе (из-за гигантской массы этих объектов пространство искажается там настолько, что «батут» попросту «рвется»), поэтому из их недр не может вырваться даже свет. Времени там, вероятно, нет вообще, а значит, нет и пространства, то есть материи. Но что тогда? Этого не знает никто.