Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Формула Эйнштейна, e = mc 2, как вы видите, полностью происходит из допущения о постоянстве измеряемой скорости света, и само наличие атомных бомб является страшным свидетельством верности специальной теории относительности. Неудивительно, что из всех физических формул e = mc 2 получила наибольшую известность среди населения, не имеющего отношения к физике.

Эйнштейн пошел еще дальше в своих выводах из своих же допущений и вышел за рамки рассуждений Лоренца — Фитцджеральда о длине и массе, подойдя к обсуждению времени.

Время всегда измеряется посредством некоего ровного периодического движения: вращения Земли, капанья воды, ударов метронома, колебаний маятника, лаже вибраций атома в молекуле. Однако перемены в длине и массе при возрастании скорости неизбежно должны привести к замедлению любого периодического движения. Следовательно, время должно измеряться, как протекающее все медленнее по мере возрастания скорости относительно наблюдателя.

И вновь нам потребуется коэффициент Фитцджеральда. Так, промежуток времени (t), наблюдаемый на теле, движущемся с данной скоростью относительно промежутка времени в покое (t 0), вычисляется так:

На скорости в 260 000 километров в секунду относительно наблюдателя t будет равным t 0/2. Другими словами, потребуется час времени наблюдателя на то, чтобы пронаблюдать, как на движущемся объекте проходит полчаса. То есть если на часах наблюдателя было 1.00 и на часах на движущемся объекте было 1.00, то через час на часах наблюдателя будет 2.00, а на часах на движущемся объекте будет только 1.30.

На скорости, равной скорости света, t будет равно 0. Следовательно, для того чтобы соответствовать любому промежутку часов наблюдателя, часам движущегося объекта потребуется вечность. Насколько наблюдатель сможет заметить, часы на движущемся объекте всегда будут показывать 1.00; время на объекте застынет. Это замедление времени в зависимости от движения называется растяжением времени.

Такое положение дел кажется странным, но это было проверено на определенных короткоживущих субатомных частицах. Двигаясь медленно, они распадались за определенное фиксированное время. Двигаясь же очень быстро, они продолжали существовать значительно дольше, прежде чем распадались. Естественно сделать вывод, что мы наблюдали замедление времени для быстро движущихся частиц. Они все еще распадаются через, скажем, одну миллионную секунды, но для нас эта миллионная секунды растягивается из-за того, что частица быстро движется.

Как и в случае с длиной и массой, это изменение времени является только изменением измеряемой величины (пока мы остаемся верными принципам специальной теории) и изменяется вместе с наблюдателем.

Вернемся к примеру, к пролетающим друг мимо друга космическим кораблям Х и Y. Люди на корабле Х, видя, как мимо них пролетает корабль Y со скоростью 260 000 километров в секунду, и наблюдая маятниковые часы на борту корабля Y, будут видеть, что эти часы отбивают секунду за две секунды времени. Все на корабле Y будет занимать в два раза больше времени (или так будет казаться наблюдателю на корабле X). Даже атомы будут двигаться со скоростью в два раза меньше положенной.

Люди на корабле Y конечно же не знают об этом. Считая себя находящимися в покое, они будут настаивать на том, что это на корабле X время замедленно. (На самом деле, если бы корабли пролетали друг мимо друга таким образом, чтобы каждому скорость другого казалась равной скорости света, каждый настаивал бы на том, что на другом корабле время полностью остановилось.)

Однако вопрос о времени хитрее, чем вопрос о длине и массе. Если космические корабли после такой мимолетной встречи сопоставить вместе в состоянии покоя, их длина и масса снова станут «нормальными» и никаких следов их изменений не останется, поэтому вопрос «реальности» отпадает.

Но что касается времени… Находясь во взаимном покое, часы снова идут на обоих кораблях в одинаковом темпе. Однако следы от предыдущих расхождений во времени остаются. Если одни часы были замедленны и в прошлом проходили только полчаса, пока другие проходили час, то теперь первые часы будут на полчаса отставать! Каждый корабль будет твердо настаивать, что на другом часы отмеряли время медленнее, и каждый будет ожидать, что часы другого отстали.

Будет ли так? Будут ли чьи-либо часы отставать? А если да, то чьи?

Это парадокс часов, который хорошо известен физикам.

Если четко придерживаться условий специальной теории, то есть если оба корабля вечно продолжают равномерное движение, парадокса часов не будет. В этом случае они никогда больше не встретятся, и различие в измерениях останется непроверяемым на предмет «реальности».

Для того чтобы корабли сошлись вместе, как минимум, один из них должен замедлиться, выполнить поворот, набрать скорость и догнать другой.

Все это — неравномерное движение, или ускорение, что тут же выводит нас за рамки специальной теории.

Эйнштейн работал над подобными проблемами десять лет после провозглашения своей специальной теории и в 1915 году опубликовал общую теорию относительности , в которой рассматриваются последствия неравномерного, или ускоренного, движения. Это более тонкий и сложный аспект относительности, чем специальная теория, и не все физики-теоретики полностью согласны с выводами обшей теории.

Предположим, что наши космические корабли — одни во Вселенной. Корабль Y замедляет движение, разворачивается и ускоряется так, чтобы стать бок о бок с кораблем X. Но по принципам относительности люди на корабле Y имеют полное право считать себя находящимися в покое. А если они рассматривают себя как находящихся в покое, то, с их точки зрения, это корабль X замедляет движение, разворачивается и ускоряется так, чтобы вернуться к ним. То, что люди с корабля X наблюдают по отношению к кораблю Y, то люди на корабле Y наблюдают по отношению к кораблю X. Поэтому вполне возможно, что, когда корабли в конце концов окажутся бок о бок, часы на них каким-то образом покажут одно и то же время.

Однако на самом деле этого не произойдет, потому что эти корабли во Вселенной не одни. Вселенная наполнена большим количеством материи, и присутствие этого количества материи разрушает симметрию ситуации кораблей X и Y.

Так, если корабль Y выполняет разворот, корабль X наблюдает, как он это делает. Но, считая себя находящимся в покое, корабль X продолжает видеть, как вся остальная Вселенная (звезды и галактики) пролетают мимо него с постоянной равномерной скоростью, отражающей его собственную постоянную равномерную скорость. Другими словами, корабль X видит, что корабль Y, и только он, проделывает неравномерное движение.