Повернення Ейнштейна в дитинство
Незважаючи на зовнішню простоту, нижченаведена фраза не належить дитячій книзі про час:
Якщо, наприклад, я скажу: «Цей поїзд прибуває о 7 годині», то я маю на увазі приблизно наступне: «Знаходження маленької стрілки мого годинника і прибуття поїзда будуть одночасними подіями».
Теорія відносності
Що таке час? Його важко визначити. Ньютон гордовито уникав цього питання. У згаданому монументальній праці він писав: «Я не даю визначень часу, місця або руху, оскільки це і так всім добре відомо». Може бути, і відомо, але важкозбагненної. Ейнштейн теж не дав визначення часу, але він дивно талановито його досліджував, відкривши при цьому абсолютно несподівані його властивості. Він продовжує виклад у своїй основоположною статті про теорію відносності в стилі педанта, до смішного елементарному, а іноді навіть нудному:
Якщо в точці А простору розташовані годинник, то спостерігач, що знаходиться в цій точці, може визначати часові значення відбуваються в безпосередній близькості від нього подій, відшукуючи положення стрілок на годиннику одночасно з походженням цих подій.
Вчений робив все це за цілком певних причин. Щоб домогтися прогресу в дослідженнях, потрібно розбити приховані забобони і неправильні уявлення, що засіли в підсвідомості його колег. Для цього він перш за все повинен був розкрити ці ідеї як не обов'язково цілком очевидні і, що ще більш важливо, - як не відповідають істині. Він звернувся до самих фундаментальних понять - тим, яким вас вчили в дитинстві, коли ви вперше зуміли визначити час на годиннику; поняттям абсолютності часу. До того, що навіть якщо годинник йдуть неправильно, їх можна синхронізувати з іншими; що якщо батько каже вам щось зробити зараз. то значення цього зараз для вас і для нього однаково.
Ейнштейну було потрібно видалити з головоломки ті деталі, які були вставлені в неї неправильно.
І він прийшов до висновку, що кілька очевидних, само собою зрозумілих принципів не відповідали істині. Його логічні міркування будувалися на базі явищ електрики - звідси і назва статті. Труднощі теорії відносності полягала не в складності її математичного апарату - в статті Ейнштейн використовує тільки елементарну алгебру; а в тих спотворених уявленнях про час і простір, які мали її читачі, найбільші світові вчені.
Спробуйте змусити себе знову подумати про час і простір так, як про них думає дитина. Можете пригадати, коли ви вперше подумали, що швидкість течії часу непостійна? Для мене час буквально «летіло» під час шкільних канікул або в ході забав і пригод. Воно надзвичайно уповільнювало свій біг при відвідинах стоматолога (який не вірив в знеболюючі засоби) або коли я в магазині очікував маму, приміряє взуття. Газета New York Times в 1929 році цитувала Ейнштейна: «Коли ти сидиш з красивою дівчиною дві години, вони здаються тобі хвилиною, але якщо ти сидиш на гарячій печі хоча б хвилину, здасться, що минуло дві години".
Звідки взагалі з'явилося тут слово відносність. Щоб зрозуміти це, зупиніться на секунду і дайте відповідь на питання: яка ваша швидкість в цей момент?
Ви сказали: «Нуль», - тому що зараз сидите? Ви можете сказати: «Нуль», - також сидячи в літаку, який летить на висоті 12 000 метрів. Горить табло «Пристебніть ремені», і стюардеса пояснює, що пересування по літаку заборонено. Оскільки ви сидите нерухомо, ваша швидкість повинна складати 0 км / год.
Або ви сказали: «900 км / год», - оскільки з такою швидкістю рухається літак? Або ви читаєте книгу на катері, погойдувався на воді в гирлі Амазонки, і даєте відповідь: «1670 км / год», - оскільки це швидкість обертання Землі в районі екватора (40 000 км за 24 години)? Можливо, ви досить знаєте астрономію, щоб повідомити про швидкість обертання Землі навколо Сонця - «30 км / с». Якби ще згадали про швидкість обертання Сонця навколо центру Чумацького Шляху і швидкості руху Чумацького Шляху у Всесвіті (яку можна визначити по мікрохвильового випромінювання), мабуть, ви б сказали: «1 500 000 км / год».
Який з цих відповідей правильний? Зрозуміло, все. Ваша швидкість залежить від тієї платформи спостереження, на якій ви перебуваєте. Фізики називають її системою відліку. Цією системою можуть бути Земля, літак, земна вісь, Сонце або космічний простір. Або щось між ними.
Коли ви летите в літаку, чи можете не погодитися з кимось, що знаходяться на Землі, щодо швидкості вашого пересування? Ні, таке незгоду виглядало б нерозумно. Ви обидва знаєте, що ви нерухомі щодо літака, але пересуваєтеся зі швидкістю 900 км / год відносно Землі. Обидва відповіді правильні.
Вражаючим новою якістю відносності стало те, що не тільки швидкість, але і час залежить від системи відліку. Абсолютного часу, про який ви дізналися від своїх батьків і вчителів, не існує. Ви не тільки будете отримувати різні показання часу в залежності від того, яку точку відліку виберете - землю, літак, планету Земля або космічний простір; ви отримаєте ще й різну швидкість течії часу. Це означає, що проміжок часу між двома подіями, між двома цокання ваших годин, не універсальний і абсолютний, а залежить від обраної вами системи відліку.
В інших книгах по теорії відносності ви, мабуть, читали, що різні спостерігачі, що рухаються з різними швидкостями, «розходяться між собою в сприйнятті дійсності». Це зовсім не так. Навіть якщо це стверджують самі великі фізики світу, вони розуміють, що це не відповідає істині. (Зізнаюся, я теж потрапив в таку пастку в одній зі своїх же ранніх статей з теорії відносності. Тоді я думав, що це допоможе ясніше донести предмет до читачів. Я помилявся.)
Твердження про «незгодних між собою спостерігачів» викликали більшу плутанину і утруднення розуміння людьми теорії відносності, ніж її складний математичний апарат. Спостерігачі в відносності не згодні між собою тільки в ступені помилки з приводу швидкості пересування когось в літаку. Але всі ці спостерігачі знають, що швидкість відносна, а її показник залежить від точки відліку. Вони також знають (якщо уважно вивчали ОТО), що те ж саме вірно і для часу. Блиск теорії відносності полягає в тому, що всі спостерігачі і всюди згодні один з одним.
Коли я запитав про вашу швидкості, ви, можливо, вважали, що це питання з якимось підтекстом, і відмовилися відповідати. Ви подумали: «Швидкості по відношенню до чого?» Дуже добре. Ви правильно зрозуміли напрямок моєї думки.
уповільнення часу
Ейнштейн показав, що час тієї чи іншої події залежить від системи відліку: земної поверхні, літака, планети Земля, Сонця або космічного простору. При цьому час події буде різним. Для невеликих швидкостей (тобто близько 1 500 000 км / год або менше) ця різниця буде невеликою. Але все одно вона існує. Коли системи відліку рухаються швидко - близько до швидкості світла, час починає відрізнятися дуже сильно. Рівняння для розрахунку часу в різних системах відліку нескладні. Це просто алгебраїчні формули, що включають квадрати і квадратні корені. Я привожу їх в Додатку 1.
Давайте розглянемо числовий приклад. Припустимо, ви перебуваєте в космічному кораблі, який рухається зі швидкістю 97% швидкості світла по відношенню до Землі. Почнемо з проміжків часу, тому що формула їх розрахунку досить доступна. Якщо взяти космічний корабель за систему відліку, проміжок між вашими сусідніми днями народження складе один рік. Якщо прийняти системою відліку Землю, той же самий проміжок триватиме не один рік, а три місяці. Через кілька миттєвостей я покажу, як зробити відповідні обчислення.
Ось що скаже уважний спостерігач на Землі: «Часовий інтервал між двома днями народження (двома подіями) в системі відліку Землі склав три місяці, а в системі відліку космічного корабля - один рік». Спостерігач на кораблі скаже те ж саме. Спостерігачі не розходяться в думках про тимчасових інтервалах більше, ніж вони можуть розходитися в оцінці швидкості руху об'єктів.
В якій системі відліку перебуваєте особисто ви? Це питання з підтекстом. Однак в будь-якому випадку спробуйте відповісти на нього.
Ви перебуваєте в усіх системах. Ці системи існують тільки для визначення руху тіл відліку по відношенню до них. Можете вибрати будь-яку систему відліку. Якщо ваша швидкість в одній з них дорівнює нулю (скажімо, якщо ви перебуваєте в літаку), то ця система називається власною системою відліку. По відношенню до власної системи відліку Сонця (де воно знаходиться в спокої) ви рухаєтеся зі швидкістю 29 км / с, здійснюючи один оборот навколо світила за рік.
Ви можете заплутатися в цьому питанні, якщо раніше читали інші книги про релятивістському уповільненні часу, в яких наводяться пояснення на кшталт «годинник, що знаходиться в русі, як нам здається. йдуть повільніше, ніж ваші ». Так, це так, але це не вся правда. Вам не тільки здається. що вони йдуть повільніше: вони насправді йдуть повільніше - якщо заміряти їх хід у вашій системі відліку. У своїй системі відліку вони йдуть швидше, ніж у вашій. Це не парадокс або протиріччя. У всякому разі, не більше протиріччя, ніж швидкість руху людини в літаку - 0 км / год або 900 км / год? Всі спостерігачі згодні між собою.
Літайте літаками або навіть на космічних кораблях - і будете жити довше з точки зору земної системи відліку. Однак ви не відчуєте більш довге життя. Просто при вашому русі час біжить повільніше. Ваші годинник буде йти повільніше, але так само повільніше буде битися ваше серце, повільніше будете думати і старіти. Так що ви нічого не помітите. І це дивна властивість релятивізму. Повільніше йдуть не тільки годинник. Повільніше відбувається все. Саме тому ми і говоримо, що змінюється швидкість течії часу.