Текст книги "Сейчас. Физика времени"

Глава 5
Предел скорости света, уловки скорости света
Расстояние между объектами вполне может изменяться быстрее скорости света…

Это корабль, который проскочил Дугу Кесселя меньше чем за 12 парсек![64]64
  Таким образом Хан Соло расхваливает свой космический корабль. Правда, вместо единицы времени он называет парсек, то есть единицу расстояния. По авторскому замыслу, Соло просто-напросто врал. Но в фильме неправильная единица выглядит не хвастовством, а безграмотностью пилота. Дуга Кесселя (Kessel run) – популярный маршрут контрабандистов. Дуга огибает кластер черных дыр (так называемую Утробу, the Maw). Стандартная длина ее, при которой полет относительно безопасен, составляет 18 парсек. Пилоты облетают Утробу по более пологой дуге: так опаснее, но быстрее. Соло же, если ему верить, подошел к Утробе рекордно близко, сократив путь до 12 парсек. Это объяснение оказалось так популярно, что стало каноническим. Прим. ред.


[Закрыть]

Хан Соло[65]65
  Хан Соло – один из главных героев киносаги «Звездные войны». Сначала он контрабандист, затем – героический персонаж. Прим. перев.


[Закрыть] в фильме «Звездные войны»

Хотя никакой обычный объект (который может оказаться в состоянии покоя) не может двигаться быстрее скорости света, расстояние между нами и отдаленным объектом можно сократить со сколь угодно высокой сверхсветовой скоростью, не нарушая при этом законов теории относительности. Парадоксальное отличие скорости от скорости изменения расстояния окажется очень важным, когда я буду рассказывать о расширении Вселенной в корреляции с течением времени. Начну с тесной связи между ускорением и гравитацией.

Некоторых людей раздражают научно-фантастические фильмы, где астронавты разгуливают по своим космическим кораблям так, словно на них есть гравитация. В некоторых фильмах (таких как «2001 год: космическая одиссея» и «Интерстеллар») декорации кораблей дополнены вращающимися секциями, которые создают искусственное притяжение. (Следует отметить, что в этих фильмах правильно изображена скорость вращения кабин космических кораблей, при которой возможно возникновение практически земной гравитации.) Однако звездолет Enterprise в фантастической саге «Звездный путь» имеет внутреннюю силу тяжести безо всякого вращения. Это кое-кому не нравится, но не мне. Судя по всему, капитан звездолета Кирк располагает огромными запасами энергии в топливе из антивещества. Именно поэтому, как я полагаю, даже в глубинах Галактики ему ничего не стоит поддерживать ускорение корабля 1g, то есть такое же, как на Земле. Это позволяет капитану обеспечить на звездолете искусственную гравитацию. Ускорение может действовать на человека по направлению движения корабля или перпендикулярно ему, в зависимости от того, из какого иллюминатора он хочет окинуть взглядом межгалактическое пространство.

А вот одна любопытная вещь. Придавая себе ускорение 1g в течение года, вы в итоге превысите скорость света, если, конечно, законы классической физики верны. Вы можете достичь гигантской скорости! Выходит, в научно-фантастических фильмах о космических путешествиях есть здравый смысл.

На самом деле год, проведенный с ускорением 1g, не придаст вам скорости света из-за релятивистского эффекта. Мы же допустили постоянное ускорение 1g в земной системе отсчета. Чтобы получить сравнимую с земной силу притяжения, мы должны создать ускорение 1g в системе отсчета, совпадающей с собственной СО космического корабля. Если используем формулы теории относительности, окажется, что для достижения ускорения а в нашей системе отсчета ускорение по отношению к СО Земли составит а, деленное на куб гамма-фактора: a/γ³.

Эта формула достаточно проста, чтобы рассчитать условия космического путешествия с помощью таблицы. Создайте колонки для времени, местоположения и собственного ускорения 1g (а = 9,8 [м/с²] = 35,28 [км/час] каждую секунду); колонки для гаммы, интервала собственного времени (временного интервала, поделенного на гамму) и так далее. Разделите время на короткие интервалы и сложите небольшое количество собственного времени, чтобы получить полное собственное время. Вы придете к интересным результатам. За один год (собственного времени) космический корабль, движущийся с ускорением 1g, достигнет световой скорости 0,76; через два года – 0,97; через три – 0,995. Конечно, скорости света достичь не сможет.

Предположим, капитан Кирк принимает решение отправиться на одну из ближайших к нам звезд – Сириус. Он не использует никаких специальных эффектов, а выбирает равномерное собственное ускорение 1g. Путь на Сириус займет 9,6 лет, но за это время капитан состарится только на 2,9 года. (Я рассчитал этот и другие нижеприведенные результаты по таблице.) Когда он достигнет звезды, в его системе отсчета Сириус будет приближаться к нему со скоростью 99,5 % от скорости света. Земля останется далеко позади, но из-за сжатия пространства будет отстоять не на 8,6 световых лет, а всего на 0,9 светового года. Это соответствует тому, что по своим ощущениям Кирк находился в путешествии всего 2,9 лет. Если бы он захотел остановиться на Сириусе, ему следовало первую половину пути обеспечивать ускорение 1g, а вторую – торможение 1g.

Капитан Кирк постарел на 2,9 года, однако расстояние до Сириуса изменилось на 7,7 световых лет. Таким образом, скорость сокращения расстояния составила 7,7/2,9 = 2,6 световых года за год, или в 2,6 раза выше скорости света. Этот феномен я называю уловкой скорости света. Расстояния, измеряемые в ускоряющихся системах отсчета, могут изменяться с произвольной скоростью. Причина в том, что при ускорении вашей собственной СО расстояние до отдаленного объекта может меняться с произвольной быстротой. «Переключите» вашу СО с одной скорости на другую, и расстояние неожиданно окажется меньшим в γ раз.

Можно ли в реальности достигнуть скорости света? Что тогда будет со временем? Безразмерная скорость (соотношение v/c) достигнет 1. Гамма-фактор замедления времени / сокращения длины движущегося объекта станет бесконечным. Это заставляет предположить: когда вы достигнете скорости света, ваше время остановится (в земной системе отсчета), а объем вашего тела будет равен нулю. Более того, поскольку гамма-фактор будет равняться бесконечности, то ваша энергия γmc² тоже будет бесконечной. Так что вы могли бы достичь скорости света, если бы приложили бесконечную энергию к себе и ускорялись бесконечное время. Бесконечность – это гораздо больше, чем вся энергия Вселенной, поэтому такой путь нереален.

Теперь давайте посмотрим на действительно большие скорости, которые уже были достигнуты человечеством. BELLA – это ускоритель электронов, созданный в лаборатории Lawrence Калифорнийского университета в Беркли (где я большей частью проводил свои исследования). Для ускорения электронов установка BELLA использует лазер, поэтому ее буквенное сокращение расшифровывается как Berkely Lab Laser Accelerator («Лаборатория лазерных ускорителей в Беркли»). Установка длиной всего 9 см способна разгонять электрон, сообщая ему энергию 4,25 ГэВ в течение миллиардных долей секунды. ГэВ – это сокращение, обозначающее миллиард электрон-вольт (гигаэлектронвольт). Для сравнения: энергия покоя электрона mc² составляет 0,000511 ГэВ.

Лоренц-фактор (или гамма-фактор) длины для электрона, разгоняемого установкой BELLA, легко рассчитать: это конечная энергия электрона, поделенная на его энергию покоя, поскольку γ = E/mc². Следовательно, в этом случае γ = 4,25 (ГэВ) / 0,000511 (ГэВ) = 8317. BELLA – замечательная установка. Она обеспечивает невероятное ускорение частиц в очень компактном пространстве. Разработка этого «простого» прибора велась долго и трудно.

Давайте направим нашу установку BELLA на Сириус, до которого 8,6 световых лет. В собственной системе отсчета электрона, который только что попал в установку, это и есть расстояние до звезды. Несколько миллиардных долей секунды спустя электрон движется с гамма-фактором, равным 8317. Это 0,9999999927 скорости света. В собственной системе отсчета электрона Сириус в 8317 раз ближе, то есть всего на расстоянии 0,001 светового года. Расстояние между Сириусом и электроном, измеренное в собственной СО электрона, уменьшилось почти на 8,6 световых лет примерно за одну миллиардную дою секунды. Таким образом, быстрота изменения расстояния оказывается более чем в 8,6 миллиарда раз выше скорости света.

Этот пример показывает, что расстояния, измеряемые в ускоряющихся системах отсчета, могут изменяться с произвольно высокой скоростью, например в 8 миллиардов раз превышающей скорость света или даже больше. Такое быстрое изменение расстояние оказывается очень важным для общей теории относительности, поскольку она рассматривает гравитацию как ускорение. Возможность достижения сверхсветовой скорости окажет большое влияние на космологию. Например, в теории Большого взрыва можно постулировать, что галактики неподвижны, просто между ними увеличивается расстояние. Скорость изменения этого расстояния не ограничена скоростью света. Это важно, когда мы говорим об инфляционной модели Вселенной, подразумевающей очень быстрое расширение. В части V мы увидим, что расширение Вселенной сопровождается расширением времени, и последнее объясняет течение времени и значение понятия сейчас.

Гравитация влияет на время. Если вы обитаете на верхних этажах, ваша жизнь идет быстрее, чем на нижних. Этот феномен не подлежит обсуждению. Точно так же, как замедление времени при движении объектов с высокой скоростью, ускорение времени на больших высотах оказывает воздействие на спутники GPS (причем его эффект сильнее влияния скорости) и должно приниматься в расчет для точного определения местонахождения объектов.

Связь между временем и гравитацией была еще одним удивительным предсказанием Альберта Эйнштейна. Он пришел к этому, интуитивно понимая принципиальную неразличимость сил инерции и гравитации, эквивалентность движения с ускорением покоя в гравитационном поле. Свое предположение Эйнштейн назвал принципом эквивалентности.

Капитан Кирк испытывал действие принципа эквивалентности в искусственном гравитационном поле своего корабля. Этот же принцип заметен в старых лифтах, когда они начинают (слишком) быстрое движение вниз. При этом мы ощущаем на какое-то мгновение, что как будто стали меньше весить. Действие этого же принципа ощущается в аттракционе Star Tours («Полет к звездам») в парке развлечений Диснейленд. Вы сидите в закрытом зале и наблюдаете за «космической станцией» через иллюминаторы. Разумеется, это всего лишь искусно сделанные видеоэкраны. Неожиданно включается ускорение: неведомая сила вжимает вас в кресло, а изображение за «иллюминатором» стремительно убегает назад.

Это чрезвычайно убедительная иллюзия. Вы чувствуете ускорение, аналогичное тому, когда самолет разгоняется по взлетно-посадочной полосе или водитель машины резко нажимает педаль газа. Однако на самом деле вы не ускоряетесь. Одновременно с тем, что на видеоэкранах-«иллюминаторах» вы видите уносящееся назад пространство, мощные гидравлические машины приподнимают «кабину космолета» и быстро наклоняют ее назад примерно на 30°. Гравитация – именно то, что притягивает вас к спинке сиденья. Однако, поскольку вы видите стремительную картинку в «иллюминаторах», иллюзия действует на вас очень сильно. В этом аттракционе парка Диснейленд используется принцип эквивалентности Эйнштейна. Гравитация и ускорение неразличимы.

Поскольку гравитация по сути всего лишь ускорение, Эйнштейн смог применить свои уравнения для инерционных систем отсчета, чтобы рассчитать силу тяготения. Затем он пошел дальше и создал общие уравнения, удовлетворяющие даже очень сложным явлениям, вроде гравитации звезд и черных дыр. Однако вся эта работа строилась на принципе эквивалентности: гравитационные силы неотличимы от ускоренного движения ни по каким измерениям.

Один из результатов действия этого принципа я уже упоминал: на верхних этажах время движется быстрее. Уравнение, выражающее его, замечательно своей простотой. Я привожу его в Приложении 1. Коэффициент ускорения обозначен как 1 + gh/c². Число 1 обозначает нормальную скорость течения времени. Двигаться время быстрее заставляет вторая часть этой формулы: h обозначает высоту, g – гравитационное ускорение (ускорение свободного падения, 9,8 м/с²), с – скорость света.

Подставим в эту формулу некоторые числа. Я буду использовать метры и секунды. Предположим, что h – высота одного пролета лестницы – около 3 м, g составляет 9,8 м/с², так что gh равно 29,4 м²/с². Скорость света составляет приблизительно 0,3 м в наносекунду, то есть 300 000 000 м/с (или 3×10⁸). Скорость света в квадрате – это 9 × 10¹⁶ м²/с². Таким образом, gh/c² составляет 29,4/(9 × 10¹⁶) = 326×10⁻¹⁸. В сутках 86 400 секунд. Получается, ускорение времени на высоте одного пролета лестницы составит 0,28 нс в день.

Когда в 1915 году Эйнштейн опубликовал статью о взаимодействии гравитации и времени, обнаружить этот эффект не представлялось возможным в силу его ожидаемой крайней малости в слабом гравитационном поле Земли. Десятилетиями он ускользал от ученых. И в 1959 году, к изумлению всего мира, этот эффект замедления времени в поле тяготения был обнаружен и измерен Робертом Паундом[66]66
  Паунд Роберт (1919−2010) – американский физик-экспериментатор, член Национальной АН. Работал в области ядерного магнетизма, микроволновой техники, радиоспектроскопии, ядерной физики. Прим. ред.


[Закрыть] и его аспирантом Гленом Ребка в результате лабораторного эксперимента. Они смогли послать гамма-лучи с высоты 23 м и зафиксировать изменения в частоте гамма-излучения у земли с помощью эффекта Мёссбауэра[67]67
  Эффект Мёссбауэра, или ядерный гамма-резонанс, открыт в 1957 (1958) г. Р. Мёссбауэром в Институте им. М. Планка в Гейдельберге. Состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фотонного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра – это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. Прим. ред.


[Закрыть], открытого незадолго до этого.

Формула gh/c² предполагает постоянство гравитации. Уравнения становятся более сложными с ее изменением, то есть если вы находитесь высоко в небе. Для специальных случаев, когда требуется определить замедление времени на поверхности Земли или другой планеты по сравнению с отдаленными районами космического пространства, вместо формулы gh/c² лучше использовать gR/c², где R – радиус планеты, а g – сила гравитации на ее поверхности.

Как я уже отмечал, эффект ускорения времени становится весьма ощутимым для спутников GPS. Они вращаются вокруг Земли по орбитам высотой около 20 000 км. Это достаточно высоко, чтобы возникала необходимость сравнивать скорость хода часов на спутниках и на Земле. Правильной формулой здесь будет gR/c². Подставьте числа, и вы увидите, что часы на Земле идут медленнее, чем в космосе, на 0,7 миллиардных доли. Это составляет 60 микросекунд в день, что даст ошибку в измерении расстояния на Земле в районе 18,3 км[68]68
  Если принять во внимание, что спутники не находятся в бесконечности, за день получится немного меньшая ошибка – около 13,76 км.


[Закрыть]. И если не будет принят в расчет эффект гравитации на время, за второй день эта ошибка возрастет вдвое – до 36,6 км.

Вы можете посмотреть данные по радиусам и поверхностной силе гравитации у разных планет и звезд и сами высчитать gR/c². По сравнению с часами в космосе время на поверхности Солнца замедляется на 6 миллиардных долей, а на поверхности белого карлика – на одну тысячную долю. Время полностью останавливается на поверхности черной дыры (радиус Шварцшильда). Последнее явление просто поражает воображение и сыграет важную роль в моем последующем рассказе о черных дырах.

Фильм «Интерстеллар» весьма интересно изображает замедление времени возле черной дыры. Группа астронавтов направляется к ней на спускаемом аппарате (не совсем к поверхности, но на достаточно близкое расстояние. В принципе, вы можете вернуться из такой экспедиции, если только не достигнете радиуса Шварцшильда, то есть горизонта событий). В это время один астронавт остается в корабле, находящемся на орбите над черной дырой. Когда экспедиция всего через несколько дней возвращается на корабль, находит своего коллегу постаревшим на 22 года. Астронавты пытаются спасти Землю, но знают, что их время течет гораздо медленнее, чем в окружающем пространстве. Они понимают, что экологическая катастрофа на нашей планете развивается значительно быстрее, чем идет время их жизни. Эффект замедления времени – враг, заставляющий их действовать с чрезвычайной быстротой. Этот же эффект подразумевает, что когда (и если) они вернутся на Землю, их дети будут уже старше своих родителей. (Я не собираюсь популяризировать сюжет фильма, но изображение в нем эффекта замедления времени можно назвать точным, ярким и запоминающимся.)

* * *

Эйнштейн показал, что время события оказывает влияние на его местоположение в пространстве, и наоборот. Однако только бывший учитель математики гения первым признал важность его открытия, даже не осознавая того. Он объединил пространство и время, чтобы сделать вывод: эти две величины больше нельзя рассматривать отдельно, они составляют единое явление пространства-времени.