Куда течет река времени

  
МАШИНА ВРЕМЕНИ
 
Кто из нас не зачитывался в юности знаменитой повестью Г. Уэллса «Машина времени». Герой этой повести отправляется на машине, передвигающейся во времени, в далекое будущее нашей Земли. На этой машине, по замыслу писателя-фантаста, можно также перемещаться и в прошлое.
О возможности свободно двигаться во времени и в будущее и в прошлое написано немало произведений. Наверное, авторы ни в малейшей степени не сомневались, что их вымысел относится к области чистейшей фантазии, и рассматривали его только как литературный прием.
Весь опыт человечества и опыт науки заставлял считать, что путешествия во времени невозможны. В пространстве можно двигаться. Скажем, на Земле можно путешествовать в разных направлениях, можно и возвращаться на исходное место. Но во времени по своему желанию, казалось бы, двигаться мы не можем и вынуждены пассивно «плыть» вместе с его потоком. Этим свойством, как считалось, время кардинально отличается от пространства.
Открытие А. Эйнштейном в 1905 году удивительных свойств времени показало, что убежденность в том, что мы являемся «пленниками» реки времени и не можем в ней передвигаться, является всего лишь плодом нашего незнания, следствием ограниченных возможностей предыдущей истории человечества. Так что ж, во времени можно двигаться?
И да и нет! Теория Эйнштейна решила эту проблему, так сказать, только наполовину. Было показано, что по реке времени можно передвигаться лишь «вниз по течению» — можно двигаться в будущее, обгоняя само течение. Но обратной дороги — «вверх по течению», в прошлое — теория не указывала. Как же можно попасть в будущее, обогнать время?
Герой Уэллса для этого садился в машину времени, нажимал рычаг, машина начинала трястись и, не двигаясь с места, вместе с героем исчезала из настоящего, переносясь в другие эпохи.
Теория относительности показала, что так путешествовать во времени нельзя. Для этого обязательно надо передвигаться в пространстве. Чтобы попасть в будущее планеты, надо сесть в упоминавшуюся уже фотонную ракету, разогнать ее до скорости, близкой к скорости света, полетать в космосе некоторое время, скажем год, с этой большой скоростью и затем вернуться на Землю. Время на быстролетящей ракете будет течь медленнее с точки зрения людей, оставшихся на Земле. Поэтому после возвращения ракеты окажется, что у землян пройдет больше времени, чем у экипажа ракеты, а значит, космонавты перенесутся в будущее нашей планеты.
Французский физик П. Ланжевен в 1911 году рассматривал следующий мысленный эксперимент. Один из братьев-близнецов отправляется на ракете в космос, а другой остается на Земле. После возвращения брат-космонавт окажется моложе своего брата-близнеца, жившего все время на Земле. Это и есть для космонавта зримый результат путешествия в будущее Земли.
Правда, некоторые специалисты высказывали сомнения в такой возможности. Дело в том, говорили они, что теория Эйнштейна утверждает относительность движения. Следовательно, космонавт может считать себя неподвижным, а Землю и людей движущимися в противоположном направлении с той же скоростью. С его точки зрения, часы на Земле идут в течение полета медленнее его часов. Так что, по его мнению, после возвращения должен быть моложе его брат-близнец на Земле.
Казалось бы, получается парадокс. Брат на Земле считает, что он должен быть старше по завершении полета ракеты, а космонавт наоборот. Где же истина? Ведь по возвращении братья могут взглянуть друг на друга и сразу понять, кто из них старше. Так возник знаменитый «парадокс близнецов».
Хотя специалисты быстро разобрались, в чем здесь дело, и установили истину, но для непосвященных еще долго слухи о «парадоксе близнецов» означали крушение теории относительности. Увы, подобные «рассуждения» встречаются еще и сегодня. Так в чем же дело и кто окажется моложе?
 
Все дело в том, что рассуждения о ходе часов в том виде, как мы о них говорили, применимы только с точки зрения «лабораторий» и вообще тел, находящихся в движении по инерции. Как говорят физики, формулы Эйнштейна (в написанном им виде) справедливы только в «инерциальной системе отсчета». Лишь в случае, когда корабль или ракета движутся без ускорений или торможений, человек в них не замечает движения. Если же ракета, например, разгоняется, то космонавт, конечно же, это почувствует. Все сегодня знают, что такое перегрузки для космонавтов при старте и торможении космических кораблей.
Теперь понятно, что человек на Земле и космонавт на ракете вовсе не находятся в равноправном положении. Землю можно считать приближенно инерциальной системой. Для космического же путешественника, чтобы вернуться снова на родную планету после длительного и далекого полета, необходимо затормозить корабль, потом разогнать его снова в сторону Земли и опять затормозить при подлете к планете. Во время торможений и ускорений корабль движется, конечно, не по инерции и космонавт ощущает перегрузки. В эти периоды движения формулы, написанные для инерциальных систем, в «лаборатории»-корабле неприменимы и космонавт не вправе считать, что часы на Земле идут медленнее.
Мы не будем здесь подробнее вдаваться в этот вопрос. Специалисты умеют рассчитывать, как протекают процессы, и в том случае, когда «лаборатория» движется ускоренно. Приведем окончательное заключение физиков. Они считают, никакого противоречия нет. Правильным был вывод с точки зрения наблюдателя на Земле, так как его система все время инерциальная (с достаточной точностью), а ракета ускорялась. Итак, космонавт, вернувшись на Землю, попадет в будущее. Чем быстрее двигалась ракета и чем дольше продолжался полет, тем в более отдаленное будущее попадет космонавт.
Эта возможность попасть в будущее буквально завораживает всех, кто впервые об этом узнает, знакомясь с теорией относительности.
Когда я был студентом третьего курса отделения астрономии Московского университета, то среди тем курсовых работ, предложенных нам, случайно увидел задачу о «парадоксе близнецов». Руководителем темы был (как я узнал позже) известный советский космолог А. Зельманов.
В те годы теория относительности не входила еще в школьный курс. Она считалась очень трудной и непонятной. Но ко времени, о котором идет речь, я уже прочитал несколько популярных книжек об этой теории, и мне казалось, что я имею представление о «парадоксе близнецов». Правда, я обстоятельно не знал еще самой теории и, помня о «недоброй» ее славе как сверхсложном для понимания, сомневался, что смогу сам что-нибудь рассчитать. Но таинственность привела меня все же к А. Зельманову.
Это был мягкий и деликатный человек. Он обладал глубокими знаниями и работал в стиле, скорее характерном для «старой школы» конца прошлого века. Имеется в виду неспешный, вдумчивый, педантичный стиль, когда идеи долго обдумываются, расчеты проделываются весьма тщательно, много раз перепроверяются, а статьи годами (!) готовятся к печати. Как это было непохоже на стремительный (под стать всей жизни) стиль современной науки!
А. Зельманов к тому времени уже испытал на себе волюнтаризм решений людей, абсолютно некомпетентных в науке, но определявших в ту пору ее судьбу. Космологию — науку о строении всей Вселенной и изучавшую, в частности, расширение Вселенной (о котором мы еще будем говорить), было велено считать лженаукой, якобы противоречившей диалектическому материализму. А. Зельманов в начале 50-х годов был уволен с работы из Государственного Астрономического института имени П. К. Штернберга. К тому времени, как мы встретились во второй половине 50-х годов, ситуация уже изменилась и он опять работал в институте.
Когда я пришел к нему, он обстоятельно объяснил, что мне предстоит рассчитать, как будут идти часы на Земле с точки зрения космонавта, как он будет видеть из иллюминатора быстро летящего корабля окружающую Вселенную. Я мало что понял с первого раза, и с вниманием стал изучать знаменитый учебник теоретической физики Л. Ландау и Е. Лифшица, рекомендованный А. Зельмановым для подготовки к решению поставленной им задачи.