Куда течет река времени
Если первый постулат принимается нами как вполне естественный, то второй вызывает серьезные недоумения.
Действительно, если, скажем, прожектор и наблюдатель покоятся друг относительно друга и наблюдатель измеряет скорость света, идущего от прожектора, как величину с, то, казалось бы, когда наблюдатель будет двигаться навстречу световому лучу, то по отношению к нему скорость света увеличится и будет больше с. Но мы теперь уже знаем, что многочисленные опыты и наблюдения показали, что этого не происходит: скорость света остается прежней. И все же порассуждаем еще на эту тему.
рис. 1
Пусть в быстро летящей ракете наблюдатель посылает световой сигнал от потолка к полу, который, отразившись от зеркала на полу, возвращается к потолку (рис. 1). Наблюдатель в ракете видит, что этот луч идет туда и обратно точно по одному и тому же пути. Неподвижный же наблюдатель вне ракеты видит, что луч света, летящий от потолка к полу и обратно, перемещаясь вместе с ракетой, совершает V-образный путь, который больше, чем только «вниз и вверх» для наблюдателя в ракете. Значит, и скорость светового сигнала с точки зрения внешнего наблюдателя должна быть больше, чем для наблюдателя в ракете.
Но стоп! Вспомним, что скорость сигнала есть отношение длины пути ко времени его прохождения. Путь для внешнего наблюдателя больше, это так! Значит, скорость будет тоже больше? Однако это было бы так, если время прохождения луча для обоих наблюдателей было бы одинаковым! — это последнее кажется очевидным. Ведь в обоих случаях это время распространения сигнала «туда и назад». Да, конечно, но только, если мы считаем, что для обоих наблюдателей — и для неподвижного и для движущегося — время течет одинаково! Но какие в этом могут быть сомнения? Ведь это же время — общая для всех длительность.
В этом и заключается загвоздка. Мы молчаливо считаем, что время для обоих наблюдателей течет одинаково. Однако что, собственно, заставляет нас так считать?
Так заставляет нас считать опыт. Для всех ситуаций, известных из практики, мы знаем, что часы тикают в одинаковом темпе (если они исправны) независимо от движения, иными словами, что время течет одинаково. По окончании путешествия и неподвижные часы, и те, которые двигались, покажут одинаковое время. Но это только потому, что мы имеем дело с медленными движениями! Опыты Майкельсона — Морли, а затем и других были первым указанием на то, что при быстрых движениях вывод об одинаковом темпе течения времени будет неверен!
А. Эйнштейн был первым, кто ясно осознал этот факт. Сделать это было очень трудно. Надо было не только полностью разобраться во всех результатах многочисленных экспериментов, но самое главное — полностью отрешиться от прежних стереотипов мышления, которые складывались в науке длительное время и казались незыблемыми.
Вывод теории Эйнштейна состоит в следующем. Если какой-либо наблюдатель изучает процессы в быстродвижущейся по отношению к нему «лаборатории», то эти процессы текут медленнее, чем такие же процессы в его «лаборатории». Например, на быстролетящей ракете медленнее тикают часы, медленнее стучит сердце космонавта, медленнее текут в его теле все биохимические процессы, медленнее колеблются электроны в атомах и т. д. Все, абсолютно все процессы замедляют свой темп, а это значит, что медленнее течет само время. Замедление времени тем больше, чем больше скорость ракеты. Если скорость ракеты приближается к скорости света, то темп протекания времени приближается к нулю (к остановке времени) и все процессы становятся бесконечно долгими. При скоростях малых (скажем, при наших повседневных земных) по сравнению со скоростью света замедление времени столь ничтожно, что совершенно незаметно.
У читателя может закрасться сомнение, что указанное замедление процессов является, так сказать, только видимым, именно когда наблюдатель рассматривает быстро проносящуюся мимо него ракету. Ведь ракета в разные моменты времени находится от наблюдателя на разных расстояниях, и свет, который несет наблюдателю картину процессов на ракете, покидает ракету в разные моменты времени и проходит разный путь до наблюдателя, затрачивая тем самым разное время. Может быть, все дело в том, что световые сигналы по-разному запаздывают, достигая наблюдателя, и это искажает истинную картину происходящего на ракете?!
Нет, все сказанное о замедлении времени относится к действительному темпу процессов с учетом разного запаздывания световых сигналов, идущих к наблюдателю. Иными словами, это истинное замедление всего происходящего на ракете с точки зрения внешнего наблюдателя.
Наверное, для тех, кто впервые слышит о замедлении времени, с этим фактом очень трудно примириться. Я, например, начал пытаться в этом разобраться, когда учился в пятом классе, и мне потребовались годы, чтобы до конца понять, в чем здесь дело. О трудности восприятия теории относительности мы еще поговорим.
Спрашивается, а существуют какие-либо прямо наблюдаемые факты, свидетельствующие о том, что время на быстродвижущемся теле течет медленно? Да, такие факты существуют, и они, конечно, являются самым веским аргументом в пользу правильности этого вывода теории относительности.
Мы уже подчеркивали, что замедление времени становится заметным только при приближении скорости тела к скорости света. Для разгона больших тел до таких скоростей потребовались бы огромные энергии, и пока в земных условиях это неосуществимо. Иное дело — элементарные частицы. Физики уже давно научились разгонять их до субсветовых скоростей на специальных установках, называемых ускорителям«. Изучение процессов с быстролетящими частицами полностью подтвердило выводы теории относительности.
Вот что происходило в одном из экспериментов с частицами, носящими название положительно заряженных пи-мезонов. Эти частицы неустойчивы и после рождения в определенных процессах быстро самопроизвольно распадаются. Если рождается много таких частиц и все они движутся с малыми скоростями, то всего через семнадцать миллиардных долей секунды половина их распадается. Это так называемое время полураспада. Еще через семнадцать миллиардных секунды распадается половина оставшихся частиц и т. д.
Если же пи-мезоны разогнать до скорости, составляющей девять десятых скорости света, то течение времени на них замедлится и частицы должны жить по нашим часам дольше. Это действительно наблюдалось в реальном эксперименте. Время полураспада таких быстролетящих частиц оказывается равным тридцати девяти миллиардным долей секунды — более чем в два раза больше, чем для покоящихся частиц. Результат полностью согласуется с выводами теории.
Еще один пример. В нашу атмосферу из космического пространства постоянно попадают частицы, имеющие большую кинетическую энергию. Такие частицы называют космическими лучами. При взаимодействии этих космических лучей с частицами верхних слоев атмосферы рождаются разные новые элементарные частицы. Среди них есть так называемые мю-мезоны. Это тоже очень недолговечные частицы. Они живут всего около двух миллионных долей секунды. Такова продолжительность их жизни, когда частицы покоятся относительно наблюдателя. При рождении в верхней атмосфере мю-мезоны могут иметь скорость, равную девяносто девяти процентам скорости света. Если бы время на них не замедлялось, то за свою продолжительность жизни — две миллионные доли секунды — они могли бы пролетать всего около шестисот метров. Измерения же показывают, что они пролетают до распада многие километры! Это происходит потому, что время на столь быстролетящих частицах течет примерно в семь раз медленнее, и «для нас» они живут во столько же раз дольше, успевая пройти такой большой путь.
Приведем еще более разительный пример. Среди частиц космических лучей встречаются протоны (ядра атомов водорода), летящие столь быстро, что скорости их отличаются от скорости света на ничтожную величину — только в двадцатой (!) значащей цифре. Время на них идет в десять миллиардов раз медленнее, чем у нас. Если по нашим часам такой протон тратит около ста тысяч лет, чтобы пересечь нашу звездную систему — Галактику, то по своим «собственным часам», то есть по своему времени, он пересекает Галактику всего за… пять минут!
