Текст книги "Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей"

Альфу Центавра в последнее время чаще называют Альфой Кентавра, но я выбрал устаревающее произношение. Из-за так называемых либраций (которые я обошел молчанием) на границе видимой и обратной сторон Луны есть область в 6–7° шириной, при наблюдении из которой Земля все же появляется над лунным горизонтом и исчезает за ним. Для наблюдателя же на Земле этот пояс вдоль края лунного диска то открывается, то скрывается.

Орбита, изображенная на рис. 4.1, заимствована из [30]. Судьба «Луны-3» и «Луны-4», вместе с некоторыми подробностями о разрушении орбит Солнцем, описана в книге [17] (глава 4). Фотографии на рис. 4.5 сделаны NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL)/Southwest Research Institute (SwRI). Фотография колец Сатурна на рис. 4.6: NASA/JPL–Caltech/Space Science Institute. Разрушение звезды, открытое телескопом TESS, описано в [82]. Цитата Азимова о плоской и круглой Земле фигурирует в сборнике его эссе о науке Тhe Relativity of Wrong, вышедшем в 1988 г. Изображение на рис. 4.7 взято из https://en.wikipedia.org/wiki/Figure_of_the_Earth#/media/File: Geoid_undulation_10k_scale.jpg. Визуализация лунной гравитации на рис. 4.8 приведена на сайте NASA https://www.nasa.gov/mission_pages/grail/multimedia/zuber4.html. Планета-изгой на рис. 4.14 – https://www.nasa.gov/topics/universe/features/pia14093.html. Периодические орбиты трех тел, приведенные на рис. 4.16, взяты из работы [111].

Курьезная орбита-восьмерка была первоначально найдена в работе [91] при помощи компьютерных вычислений, однако далеко не наудачу, а в рамках подхода к рассмотрению плоского движения трех тел в виде разверток во времени; в развертке три тела прорисовывают заплетенную косу из трех нитей, и одна из самых простых кос отвечает орбите-восьмерке. Математически существование такого движения трех тел было доказано в работе [55], написанной двумя авторами. Появлению этого доказательства предшествовали исследования каждого из авторов, работавших независимо друг от друга. Один из них направил статью со своими результатами в журнал для публикации; редакция журнала послала статью на рецензию специалисту в данной области – будущему второму соавтору, который обнаружил в части доказательств неточности. В соответствии со стандартной практикой рецензент остается неизвестным авторам статьи, но в данном случае с разрешения редакции рецензент вступил в контакт с автором, после чего их совместные усилия привели к исправлению всех неточностей и дальнейшему прогрессу – так и появилась работа [55]. Хотя это и не самый распространенный способ зарождения научного сотрудничества, подобные случаи время от времени встречаются. Относительно современный обзор задачи трех тел с небольшими историческими экскурсами (но в остальном не ставящий себе целью щадить читателя) приведен в [93].

Движение в поле притяжения может сообщить немало подробностей об источнике притяжения. «Нарушения» орбит искусственных спутников оказались лучшим инструментом измерения формы и плотности Земли и Луны (а на самом деле и Марса). Наиболее точные данные о притяжении Земли и Луны получены из анализа движения космических аппаратов. Некеплерова эволюция орбит из-за неоднородности земного притяжения может оказаться и желательным эффектом, как в случае солнечно-синхронных орбит. Большим телам небезопасно приближаться к притягивающим центрам из-за возможности разрыва. Смягченный вариант того же эффекта, который может разорвать космическое тело, – гравитационный захват, примером которого служит Луна, а еще более смягченный – приливы, наблюдаемые на Земле. Слабые, но постоянные влияния удаленных космических тел на космические аппараты приводят к изменениям и даже разрушению их орбит. Влияние планет проявляет себя и в запретах на массовое заселение резонансных траекторий, что видно по движению малых тел в Солнечной системе, а также в структурах колец, подверженных влиянию спутников планет.

Точное математическое решение задачи о движении трех тел под действием взаимного притяжения оказывается невозможным. Несмотря на формальную детерминированность, движение трех или более тел сравнимой массы под действием взаимного притяжения оказывается в общем случае практически непредсказуемым из-за того, что малые отклонения в начальных данных приводят к качественно различным вариантам развития событий. Такие системы распадаются, когда какое-то из тел приобретает достаточную скорость, чтобы покинуть систему. Это причина, по которой мы ожидаем наличие планет-изгоев, когда-то выброшенных из двойных звездных систем. По этой же причине из звездных систем, состоящих из трех или большего числа звезд, выживают только те, которые организованы иерархическим образом. Математически и, главным образом, с помощью компьютерного моделирования были найдены специальные конфигурации трех и более тел, совершающих периодическое движение в отсутствие выраженной иерархической структуры. Среди таких конфигураций есть и устойчивые, но тем не менее шансы обнаружить такие экзотические формы движения во Вселенной чрезвычайно малы.

Часть 2
Вселенские прогулки

Прогулка 5
Абсолютное, относительное и безразличное

Маршрут: Не все скорости складываются. – Относительны все, кроме одной. – Энергия из массы. – Темпы времени. – Относительность и пространство-время. – Замедление времени как необходимость. – Сверхколлайдер: догнать свет. – Движение, энергия и масса. – Будущее, прошлое и безразличное. – Космический старт: обмануть систему? – Сверхпривилегия от рождения. – Заманчивые путешествия. – Циолковский с нами.

Главный герой: абсолютная скорость

Не все скорости складываются. Ночной рейс British Airways из Нью-Йорка в Лондон с 8 на 9 февраля 2020 г. оказался рекордным: пассажирский «Боинг-747» приземлился в Хитроу в 04:43 утра, почти на два часа опередив расписание, потому что летел в ту ночь необычайно быстро: максимальная скорость в полете достигла 1327 км/ч. При этом скорость звука в воздухе – 1235 км/ч, и ни один современный пассажирский авиалайнер преодолеть ее не в состоянии. Виноват оказался ураган «Кьяра»: относительно окружавшего его воздуха самолет двигался со своей обычной крейсерской скоростью, но сам воздух быстро перемещался в том же направлении (в общем, с запада на восток), из-за чего относительно наблюдателя на земле (где-нибудь, скажем, в Гренландии или Исландии) лайнер двигался быстрее звука.

Загадка «невозможной сверхзвуковой скорости» для дозвукового самолета разрешилась простым сложением скоростей. Но проделаем еще один эксперимент – на этот раз на вычитание. Он приведен в фантастической формулировке, чтобы сделать его более наглядным, но в существенно менее ярких вариантах он ставился многократно. Я улетаю от Земли (по прямой!) на ракете со скоростью, довольно заметно превосходящей скорость «Аполлона-8», но в общем достаточно скромной: 15 км/с. Вы же стартуете несколько позднее и желаете догнать и перегнать меня на ракете будущего со скоростью в десять тысяч раз большей – 150 000 км/с (пожалуй, вам лучше будет отправить вместо себя робота, но дела это не меняет). Провожающие светят нам вслед лазером, как это показано на рис. 5.1. Скорость света в пустоте – 299 792,458 км/с; с такой скоростью и распространяется свет лазера относительно своего источника на Земле. Какую скорость света в этом лазерном луче каждый из нас измерит со своего транспортного средства?

Рис. 5.1. Быстрая ракета догоняет медленную. Обе летят по прямой линии от Земли, и вдоль этой же линии с Земли светит лазер. Измеряя скорость света в этом лазерном луче, экипаж каждой из ракет получит одно и то же значение

С борта своей примитивной ракеты я определю скорость этого света как 299 792,458 км/с. Вы же на борту продвинутого звездолета, летящего со скоростью, равной практически половине скорости света, обнаружите, что посланный с Земли лазерный луч пролетает мимо вас со скоростью 299 792,458 км/с. Здесь нет опечаток. В точности те же двести девяносто девять тысяч семьсот девяносто два с копейками. Для того же самого луча света, посланного с Земли. Скорости вовсе не вычитаются (а потому на самом деле и не складываются).

*****

Относительны все, кроме одной. Скорость – это главное, что характеризует движение. Существенное добавление состоит в том, что, например, скорость автомобиля, зафиксированная дорожной камерой, – это скорость автомобиля относительно камеры. Телеметрия взлетающей ракеты сообщает ее скорость относительно космодрома или какой-то другой точки, связанной с Землей; тот факт, что Земля при этом несется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, совершенно не важен, пока ракета находится вблизи Земли (хотя при полетах «Аполлонов» к Луне положение и скорость космического корабля начинали в некоторый момент исчислять уже не относительно Земли, а относительно Луны). При полетах, скажем, к Марсу скорость после старта с околоземной орбиты надо измерять, например, с точки зрения воображаемого наблюдателя, сидящего в центре Солнца. Но и тогда скорость, с которой Солнце летит вокруг центра галактики Млечный Путь, нас совершенно не интересует. Вот если бы мы отправлялись к другим, а особенно далеким, звездам в Галактике…

А как вообще узнать, двигаюсь ли я? Если я сижу в поезде, который вот-вот отправится, то можно выяснить, произошло ли это уже, взглянув на поезд на соседнем пути. Большинство из нас хоть раз, хоть на секунду обманывалось таким образом: вполне может оказаться, что тронулся соседний поезд, а не наш. Чтобы выяснить, «как же обстоит дело на самом деле», мы привычно ищем глазами перрон. Из-за того, что Земля большая по сравнению с человеком и поездом, мы привыкли думать, что если уж поезд движется относительно Земли, то он движется «на самом деле». Но что, если размер Земли больше длины поезда не в сто тысяч раз, а всего лишь в сто? А в десять? А в два? Кто из них движется «на самом деле»? Здравый смысл, основанный на всем предшествующем опыте жизни на «большой Земле», тогда уже ничего не подсказывает, и это вполне отвечает положению вещей: скорость какого-либо тела – это всегда скорость его движения относительно какого-то другого тела. Нет никакого «движения на самом деле» – смысл имеет только относительная скорость. Бессмысленно высказывание «Земля несется сквозь пространство со скоростью …». В пустом пространстве нет никаких «отметок», «зарубок» или «верстовых столбов» – ничего такого, относительно чего можно было бы измерять скорость; для этого нужны тела, но каждое из них движется относительно каждого, поэтому нет способа подставить вместо многоточия в приведенной фразе какое-то число. Зато полностью осмысленно высказывание «Две ракеты сближаются со скоростью 10 км/с» (скажем, одна ракета догоняет другую). Всегда нужно говорить, относительно чего вы измеряете скорость.

Скорость, таким образом, – это вопрос отношения: чтобы говорить о скорости, нужны «двое». «Все как у людей», только здесь – два любых тела.

Я предусмотрительно употребил слово «тело». Главная новость этой прогулки состоит в том, что есть одно «не тело», для которого все по-другому. Никакому смертному мужу не дано было убить главного назгула, но, согласно Толкину, Эовин (рис. 5.2) успела крикнуть ему: «Я – не муж!», после чего заколола[77]77
  Умирая, назгул был, видимо, немало удивлен. Удивление теорией относительности, в которой зафиксированы «неожиданные» свойства скорости света, тоже некогда имело место; сейчас, впрочем, уже не та героическая эпоха.


[Закрыть]. Примерно то же и тут: имеется не тело, а нечто другое, что движется (распространяется, как часто говорят) особым образом. Это свет. Скорость света в пустоте одна и та же для всех наблюдателей: для вас в суперракете, для меня в ракете середины XXI в. и для провожающих на Земле.

Рис. 5.2. Эовин: «Я – не муж!»

Все скорости относительны, кроме одной абсолютной

Это обстоятельство выражают словами «скорость света абсолютна» (в таких случаях всегда, даже когда не упоминается явно, подразумевается скорость света в пустоте). Все скорости относительны, кроме скорости света, которая абсолютна. Все остальные скорости – это про две сущности (что-то одно движется относительно чего-то другого), но скорость света «сама по себе»: какое бы мельтешение (взаимное движение) ни устраивали разнообразные другие сущности, свету нет до этого дела, его скорость одна и та же для всех. Не надо прибавлять или вычитать скорость наблюдателя относительно источника света. Она просто не имеет значения – даже если она составляет половину (или три четверти, или девять десятых) скорости света.

Так устроена наша Вселенная, и сам по себе этот факт не вызывает сомнений уже сто с лишним лет. Другой вопрос – как примирить его со здравым смыслом? Ведь никакая скорость, казалось бы, не может быть абсолютной: если кто-то обгоняет вас, просто прибавьте хода, чтобы его скорость относительно вас стала равной нулю.

Короткий ответ: не примирить никак. Наш опыт, наша интуиция и навыки никаким образом не включают эффекты, непосредственно затрагивающие скорость света. Длинный же ответ на вопрос о «примирении со здравым смыслом» – это все книги, лекции, видео и прочие материалы, созданные за последние сто с лишним лет, авторы которых с разной степенью умения и остроумия излагают странные явления, которые не так легко «представить себе воочию», – излагают в надежде, что к ним удастся в конце концов привыкнуть. Эта прогулка не исключение, потому что единственная реальная альтернатива – это профессиональное погружение в предмет. А как, спрашивается, обстоит дело с «представить себе воочию» у профессионалов? Трудностей с тем, чтобы вообразить невообразимое, все равно никто не отменял, просто фокус внимания переносится на другое: на ясное понимание логического (в значительной части – математического) аппарата. Вместо интуиции «здравого смысла» проводником в непривычный, контринтуитивный мир служит логическая безупречность. Коль скоро во всей логической схеме нет внутренних противоречий, ее можно с успехом применять; главное – не делать ошибок по дороге.

Надо сказать, что та схема, которая прочно сидит в нашей голове и воспринимается как совершенно естественная, – та, где скорости всегда просто вычитаются (скорость света минус половина скорости света, как мы наивно ожидали, глядя на рис. 5.1) или складываются (скорость самолета в воздухе плюс скорость воздуха относительно побережья Гренландии), – это тоже логически непротиворечивая, математически последовательная схема. Как таковая она имеет полное право на существование. Она могла бы, наверное, работать, но этого не случилось в нашей Вселенной. Ее устройство основано на другой схеме, которая проявляет себя несколькими неожиданными способами – затрагивая не только движение, но и энергию, ход времени и даже концепцию прошлого и будущего.

Начнем с проявлений, затрагивающих энергию, – они довольно многочисленны.

*****

Энергия из массы. Каждое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (простейшее – ядро атома водорода – это один протон), но масса каждого ядра несколько меньше, чем суммарная масса протонов и нейтронов, из которых оно сложено. Методы определения массы сначала атомов, а затем непосредственно атомных ядер непрерывно совершенствуются уже в течение более ста лет, и сейчас массу ядер можно определять с точностью свыше одной миллионной доли, а массы протона и нейтрона известны даже с еще большей точностью. В большинстве атомных ядер обнаружился недостаток массы по сравнению с массой всех взятых по отдельности протонов и нейтронов. В расчете на каждый протон-или-нейтрон этот недостаток – дефект, как его называют, – равен 8 или даже 8,5 в тех единицах, в которых масса протона примерно равна 938,272, а масса нейтрона – 939,565. Слово «дефект» указывает, что «в собранном виде меньше»: несколько менее 1 % суммарной массы нейтронов и протонов «исчезает» при их соединении в атомное ядро.

Целое имеет меньшую массу, чем сумма всех его частей

Объяснение этого явления может показаться отвлеченно-теоретическим; вероятно, оно таким и является, но стоит помнить, что именно оно работает во всех проявлениях атомной/ядерной энергии, мирных и не мирных. Устойчивые или относительно устойчивые атомные ядра (а мир вокруг нас сложен в основном из устойчивых) удерживаются «в собранном виде» ядерными силами[78]78
  Намного более мощными, чем электрические (и в несравненной степени – чем гравитационные, о которых мы в основном говорили до сих пор). Задача «получения золота из свинца» химическими методами неразрешима именно потому, что химические связи – электромагнитные в своей основе, а атомные ядра, определяющие «личности» элементов, находятся в ведении ядерных сил.


[Закрыть]. Ключевое слово – «удерживаются». Чтобы разобрать ядро на части, требуется затратить некоторую энергию. Эта энергия служит мерой дефекта массы: она оказывается равной «пропавшей» массе, умноженной на квадрат абсолютной скорости.

E = mc²

Возможно, при каком-то другом стечении исторических случайностей этот факт сначала открыли бы экспериментально, изучая ядерные превращения. Но получилось так, что его предсказали теоретически на основе размышлений о свойствах движения при наличии абсолютной скорости, вне всякой связи с атомными ядрами – про которые, кстати, на тот момент не было известно вообще ничего. Знание, выглядевшее весьма абстрактным, оказалось более чем практическим через тридцать с лишним лет, когда с его помощью стали рассчитывать энергию, выделяемую при ядерных превращениях: теоретическое положение о том, что масса, умноженная на скорость света в квадрате, есть энергия, появилось в статье Эйнштейна «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» в 1905 г. [66], а сообщение Гана и Штрассмана, что ядра урана делятся («Об обнаружении и свойствах щелочно-земельных металлов, полученных облучением урана нейтронами» [77]), было опубликовано 6 января 1939 г. Первое же испытание атомной бомбы было произведено 16 июля 1945 г.

Я не могу сдержаться и не отвлечься от мира фундаментальных явлений на мир людей. Продолжая эту прогулку, вы можете пропустить длинную цитату из книги [22] и отправиться сразу в начало следующего раздела этой главы. Контекст, необходимый для понимания описываемого момента: радиоактивность – превращение атомного ядра в одно из соседних по Периодической таблице за счет испускания «малой» частицы – была хорошо известна, но никто не думал, что ядро может разделиться примерно пополам, выделяя при этом энергию.

Поздно вечером 21 декабря 1938 г. Отто Ган и Фриц Штрассман закончили статью, в которой вынуждены были признать, что при облучении урана медленными нейтронами возникают элементы барий, лантан и церий. В тот вечер Отто Ган вряд ли в полной мере предвидел все последствия своего открытия, хотя и чувствовал безошибочно их важность. Пауль Розбауд, издатель еженедельника Naturwissenschaften, вставил статью в готовый к выходу номер (как станет ясно после войны – не случайно), и уже через три недели, 6 января 1939 г., она была напечатана. Эта статья оказалась тем камнем, который увлекает за собой лавину: только в течение 1939 г. было опубликовано свыше ста работ по проблеме деления урана. ‹…›

[3 января 1939 г.] из Кунгалва в Копенгаген возвратился Отто Фриш и сообщил Бору об открытиях последних недель, сделанных Ганом и Штрассманом, а также им самим и его тетей Лизе Мейтнер. «Какими же идиотами мы все были!» – воскликнул Бор, хлопнув себя по лбу. Через три дня после этого увидела свет статья Гана и Штрассмана, но Бор уже не успел ее прочесть. 7 января вместе со своим многолетним сотрудником Леоном Розенфельдом он отплывал на 3 месяца в Соединенные Штаты Америки. В понедельник утром 16 января он сошел с корабля в Нью-Йоркском порту. ‹…›

На пирсе в Нью-Йорке Бора встретили его ученик Джон Уилер, а также Энрико и Лаура Ферми. Бор не сразу стал рассказывать о новостях, которые ему успел сообщить Отто Фриш перед отплытием (он не знал, что статья об открытии деления урана была за день до его отплытия опубликована), но Леон Розенфельд не был столь щепетилен и в тот же вечер 16 января сообщил об этом всем на семинаре в Принстоне. Уже в течение следующей недели открытие деления ядер было подтверждено по крайней мере в пяти лабораториях США, а затем в этом убедились десятки исследователей по всему миру.

26 января в Вашингтоне открылась конференция по теоретической физике, на которой Нильс Бор рассказал о захватывающих событиях последних месяцев. (В этот же день в Нью-Йорк пришел журнал со статьей Гана и Штрассмана, а Жолио-Кюри в далеком Париже не только повторил опыт Фриша, но, кроме того, и убедился в том, что деление ядер урана сопровождается испусканием нейтронов.) Всеобщее возбуждение, охватившее физиков, требовало выхода, и они немедленно принялись исследовать новое и необычное явление природы. Сам Бор совместно с Уилером уже через три месяца (за то время, пока Бор находился в США) подготовил обстоятельную статью, которая стала основой последующих работ по физике деления ядер. (Их статья «Механизм деления ядер» была напечатана 1 сентября 1939 г. – в день начала Второй мировой войны.)

Выступая вслед за Бором, Энрико Ферми обратил внимание на то, что при делении ядер урана, кроме двух ядер-осколков, должно испускаться несколько нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать последующие деления, т. е. в уране возможна цепная реакция с выделением огромной энергии. Заключение Ферми было очень естественным (хотя в то время и не вполне очевидным: сами Фриш и Мейтнер, например, не заметили этого следствия своей гипотезы), однако противоречило наблюдаемым фактам: никто никогда не видел, чтобы кусок урана взрывался при облучении его нейтронами.

Дальше напряжение только нарастает. Кусок урана, взрывающийся при облучении его нейтронами, еще предстояло приготовить. (28 января Президиум Академии наук СССР, имея в виду примерно эту задачу, обратился в Совет народных комиссаров с предложением «Об организации работ по изучению атомного ядра».) Выделяемая таким куском урана энергия – впервые появившаяся в поле зрения в начале 1939 г. – это часть массы. Решительно никто не представлял себе этого в 1905 г., когда не было известно даже о существовании атомного ядра, а связь массы и энергии была довольно абстрактным знанием, полученным (что вообще-то удивительно) из свойств движения. К ним мы и возвращаемся.

*****

Темпы времени. Мы живем во Вселенной, в структуру которой встроено наличие абсолютной скорости – скорости света. Она одна для всех. Для внутренней непротиворечивости такого устройства что-то еще должно работать не так, как мы привыкли. Например (см. рис. 5.1), «вычитание» – а точнее, нечто заменяющее вычитание – половины скорости света из самой скорости света должно давать не половину, а в точности скорость света; очевидно, должны систематически действовать какие-то правила, отличные от ожидаемых наивно. Но при этом опыт с движением, накопленный в обычных условиях (от почти житейских ситуаций до космических полетов), – это как-никак опыт, и, если некоторая хитрая система правил и описывает «фокусы» со светом, она же должна каким-то образом воспроизводить привычные нам свойства движения в обычных условиях – где скорости и вычитаются (теннисный мяч вслед уходящему поезду), и складываются (ураган и самолет) обычным образом.

В основе правил, которые на самом деле работают в нашей Вселенной, – относительность ряда вещей, а именно их зависимость от движения относительно наблюдателя[79]79
  Употребление слова «наблюдатель» здесь и далее не имеет никакого отношения к человеку, мышлению, сознанию или чему бы то ни было его заменяющему. Правильнее было бы говорить «система отсчета»; обычно так и говорят, но я останусь с «наблюдателями». Для повышения драматизма я иногда ставлю на место наблюдателя себя или обращаюсь с этим предложением к своим спутникам по прогулкам. Основное, что нужно знать тем, кто на это соглашается, – это что каждый наблюдатель, как правило, считает себя неподвижным и, разумеется, измеряет скорости, энергии и все остальное относительно себя. Отсюда и вопрос о том, как же согласуются картины мира разных наблюдателей.


[Закрыть]. Относительность является механизмом, обслуживающим наличие абсолютной скорости. Относительными оказываются ход времени и длина в направлении движения: расстояние между носом и соплом ракеты для внешнего наблюдателя меньше в определенное число раз в зависимости от скорости ракеты относительно него, а часы в движущемся поезде выглядят для вас идущими медленнее тех, что у вас на руке, если вы стоите на перроне. Дело вовсе не в устройстве часов и не в том, что с ними «что-то произошло», – наблюдатель, путешествующий вместе с часами, ничего не обнаружит; дело именно в различном восприятии одного и того же явления (в данном случае – темпа времени) различными наблюдателями. Но заметными все эти эффекты делаются только при большой скорости ракеты, поезда и т. п. относительно космодрома, или перрона, или другой ракеты, или другого поезда. «Большая скорость» здесь и везде в подобных случаях означает скорость, составляющую существенную долю скорости света – например, 1/4 или тем более 1/3, а много лучше, конечно, 9/10. (Кстати говоря, если бы в нашей Вселенной не было абсолютной, одной для всех скорости, то и само понятие «больших» и «малых» скоростей не имело бы смысла, потому что скорости относительны.) Наш ежедневный опыт и близко не подходит к такому, поэтому мы этих эффектов не замечаем.

Относительность – зависимость от относительного движения

Лишь относительно недавно сверхточные методы позволили измерить, насколько медленнее «тикают часы» при движении с повседневными скоростями, от скорости бегущего человека до скорости автомобиля (от нескольких до 30 метров в секунду). Этого удалось добиться в опыте не с людьми и автомобилями, а с намного лучше контролируемыми объектами – переохлажденными ионами бериллия, магния и алюминия в остроумно придуманной схеме. Но еще в 1940-х гг. получилось проверить, насколько замедляется время, не в лаборатории, а буквально на открытом воздухе. В атмосферу Земли влетают из космоса высокоэнергетические частицы; они претерпевают там столкновения с ядрами тех атомов, которые имеются в атмосфере, отчего рождаются особые элементарные частицы – мюоны. Рождаются и быстро умирают – превращаются в другие частицы в среднем через 2,2 микросекунды (миллионной доли секунды). Некоторые мюоны движутся в сторону земной поверхности и имеют при этом большую скорость – скажем, 99 % скорости света. Но и с этой скоростью за свою короткую жизнь они могут пролететь не более 660 метров. Даже с учетом того, что не все мюоны умирают точно через указанное время – это лишь среднее время их жизни, и некоторые долгожители могли пролететь дальше, – все равно их шансы преодолеть последние 15–20 километров до земной поверхности практически равны нулю. И тем не менее наземные установки фиксируют массовый поток мюонов. Точные эксперименты ставились в 1940 г. в американском штате Колорадо, где установки были размещены на высотах 3240 и 1616 м над уровнем моря (а в 1963-м на горе Вашингтон, которая слегка недотягивает до 2000 м над уровнем моря). Разрешение парадокса в том, что мы оцениваем расстояние, которое мюонам надо преодолеть, стоя на поверхности, но относительно нас мюоны движутся так быстро, что время для них течет медленнее, чем для нас, – как оказалось, примерно в 10 раз медленнее. В итоге они (не все, но часть) успевают долететь до детекторов.

Странным в первую очередь может показаться даже не то, что время для мюона течет медленнее, чем для ученого в лаборатории, а то, что эффект вроде бы зависит от наблюдателя: что сказал бы другой ученый, летящий в суперракете вместе с мюоном по направлению к земле? Что, в более безопасном варианте, передал бы робот, помещенный в эту ракету? Ну или, чтобы обойтись даже без потери имущества, что происходит с точки зрения самого мюона? Ведь для него не имеет значения, с какой скоростью он движется относительно каких-то ученых и их установок: его среднее время жизни все равно составляет те же 2,2 микросекунды.

Относительность здесь разворачивается по полной. Факт, по поводу которого все наблюдатели согласны (мюоны долетают до поверхности в определенных измеримых количествах), получает разные объяснения для разных наблюдателей. Для наблюдателя на земной поверхности все дело в замедлении времени в 10 раз. Для мюона в те же 10 раз сокращается расстояние, которое ему предстоит преодолеть. Без привычки это выглядит не совсем обычно: про некоторые ситуации нельзя сказать, что имеет место «на самом деле». Тем не менее вся схема работает так, что не приводит к явным противоречиям – какими, например, стали бы два теоретических вывода, что мюоны не успевают пролететь 20 километров и одновременно, на основе какой-то другой цепочки рассуждений, что успевают. За 115 лет внимательного отношения к этим вопросам – с самого момента появления специальной теории относительности – таких противоречий обнаружено не было.

*****

Относительность и пространство-время. Специальная теория относительности – это и есть описание движения и его свойств при наличии абсолютной скорости. Ключевые ее положения сформулированы в 1905 г. в статье Эйнштейна под техническим названием «К электродинамике движущихся тел» [65]. Слово «специальная» вошло в употребление позднее, и понимать его надо как не очень удачную замену слова «частная» в значении «не общая» (для чего есть причины, обсуждаемые на следующих прогулках). Слово «теория» же не указывает на «умозрительный» характер, а относится к математическому аппарату для выведения разнообразных следствий из основополагающих утверждений о свойствах окружающего мира. Этих основополагающих утверждений всего два. Удивительно, что они формулируются не на языке формул, а словесно. Их часто называют постулатами Эйнштейна. Законы Ньютона традиционно не называют постулатами Ньютона, но это вполне можно было бы делать, потому что они просто постулированы (объявлены верными). Закон тяготения Ньютона принимается без обоснования, а затем проверяется во всех его бесчисленных следствиях: от падения тел на землю до предела Роша и вообще всего изобилия явлений во Вселенной. Он работает в огромном числе случаев, хотя и есть ситуации, в которых он неприменим и для объяснения которых требуются более общие законы. Аналогичным образом два приведенных ниже высказывания проверяются всем опытом работающей науки. Все их следствия, собственно и составляющие специальную теорию относительности, верны для относительного движения, если оно равномерно и прямолинейно[80]80
  Относительно чего равномерно и прямолинейно? Короткий ответ: относительно других наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно, но это звучит странно, потому что выражает непонятное через то же самое. Чтобы сделать высказывание содержательным, к нему надо добавить ключевое заявление, что существует специальный класс наблюдателей. Буквально на несколько строк я перестану говорить «наблюдатель», а вместо этого буду, как это и полагается по правилам, говорить «система отсчета». Тогда ко второму из приведенных пунктов надо добавить утверждение, что существует такой класс систем отсчета (каждая из которых движется относительно всех других равномерно и прямолинейно), что в них все происходит так, как в этом пункте и сказано. Весь этот бесконечный класс систем отсчета называют инерциальными. Охват всех других видов движения потребовал обобщения, неоригинально названного «общая теория относительности»; она стоит в плане на следующую прогулку.


[Закрыть]. Вот эти два высказывания:

• Скорость света в пустоте – одна и та же для всех наблюдателей. Как мы уже говорили, этот тезис утверждает абсолютность скорости света.

• Все законы природы одинаковы для всех наблюдателей, которые движутся друг относительно друга с постоянной скоростью (в любом направлении, но равномерно и прямолинейно). Это высказывание известно как принцип относительности. Он говорит, что внутри вашей суперракеты после выключения двигателей жизнь устроена так же, как в моей тихоходной. Это относится к любым действиям, которые вы решите осуществить на борту в изоляции от внешнего мира. Ни один эксперимент, проведенный внутри ракеты в такой изоляции, не может подсказать вам, что вы движетесь относительно чего бы то ни было.

Эти фундаментальные высказывания об устройстве Вселенной более общие, чем, скажем, утверждения о массе нейтрино или числе кварков: мы думаем, что эти высказывания оставались бы верными, если бы наш мир населяли несколько другие элементарные частицы (собственно, нечто в этом роде и имело место в очень ранней Вселенной). Эти высказывания непосредственно относятся к движению, но глубинным образом затрагивают пространство и время. И как постепенно выяснилось, в нашей Вселенной существует не само по себе пространство и само по себе время, а нечто более общее – штука с довольно громоздким названием «пространство-время». Главное в нем, что его разделение на пространство и время происходит по-разному для наблюдателей, которые находятся в движении друг относительно друга.