Кто же моложе?
Тот факт, что время нельзя остановить, известен каждому из личного опыта. Но тот же жизненный опыт утверждает, что время всюду течет одинаково.
Поэтому возможность построения машины времени кажется атрибутом фантастического романа, а не научным фактом.
Тем более что первое знакомство с теорией относительности сводится к подчеркиванию того наглядного и бесспорного факта, что две ракеты, движущиеся по инерции навстречу друг другу, совершенно равноправны. Из этой теории следует, что приборы в первой ракете покажут, что отстают часы во второй ракете, в то время как такие же приборы во второй ракете покажут, что отстают часы первой ракеты!
Значит, космонавт из первой ракеты будет считать, что он стареет быстрее, чем его товарищ, летящий на второй ракете. А этот товарищ будет столь же уверенно утверждать, что стареет быстрее именно он.
Кто же из них стареет быстрее? Кто действительно окажется старше, космонавт, возвратившийся из полета к далеким звездам, или его сверстники, оставшиеся на Земле?
Простое нагромождение этих вопросов может привести к выводу о непостижимости теории относительности, о том, что для ее понимания необходима специальная подготовка, а обычный человек должен принимать ее результаты на веру.
В течение долгого времени даже специалисты не могли освоиться с ее удивительными результатами.
Покойный поэт С.Я. Маршак выразил это следующим четверостишием:
Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон. Но Сатана недолго ждал реванша, Пришел Эйнштейн – и стало все как раньше.
К счастью, это не так. Конечно, для овладения математической частью теории необходима специальная подготовка. Но получаемые ею результаты, ее физические выводы доступны каждому. Они кажутся парадоксальными только при поверхностном ознакомлении.
Теория относительности покоится на гранитном фундаменте опыта. А опыт говорит, что для того, что' бы обнаружить движение по инерции, необходимо хотя бы одно тело, не участвующее в этом движении. Даже если такое тело существует, то можно обнаружить только движение относительно этого тела, а не движение само по себе.
Космонавт, находясь в состоянии невесомости в сверхскоростной ракете, летящей к звездам, при закрытых иллюминаторах не может обнаружить этого движения. Здесь ему не помогут никакие приборы.
Этот факт, угаданный гениальной интуицией Эйнштейна, является обобщением всего многовекового опыта человечества. Он еще не проверен непосредственно, но уже космонавты, выполнившие орбитальные полеты вокруг Земли, могут подтвердить, что это утверждение близко к действительности. (Во время орбитального полета космический корабль движется под действием притяжения Земли по искривленной орбите, близкой к эллипсу. Такое движение можно обнаружить и внутри корабля при помощи точных приборов, например при помощи гироскопа.)
Это значит, что все без исключения процессы будут проходить совершенно одинаково на всех космических кораблях, движущихся по инерции с любыми скоростями в любых направлениях.
Если бы это было не так и существовал хотя бы один процесс, зависящий от скорости движения, то этим процессом можно было бы пользоваться для непосредственного измерения скорости. Весь опыт человеческой деятельности свидетельствует, что такого процесса нет и не может быть.
Именно из этого факта и из того, что скорость света тоже не зависит от того, с какой скоростью движется по инерции источник света, вытекают все возникшие у нас вопросы. Ясен и ответ.
Если приборы на одной ракете отмечают, что другая ракета удаляется со скоростью 240 тысяч километров в секунду, то они отметят, что часы на удаляющейся ракете проходят только 36 минут за час, а метр на ней имеет в длину только 60 сантиметров: Совершенно то же отметят приборы на другой ракете. И то и другое верно. Если это было бы не так, то появился бы путь измерения абсолютной скорости, а это невозможно.
Нет ли здесь противоречия?
Нет, противоречия здесь нет. Для пояснения можно сослаться на двух людей, расходящихся по ровной дороге. По мере удаления каждому из них кажется, что другой становится меньше. Это можно подтвердить и измерением угловых размеров, например при помощи обыкновенного транспортира.
Однако можно возразить, сказав, что это только кажется, что, сойдясь вновь, путники обнаружат, что их размеры не изменились.
Конечно, пример не доказательство. Но интересно, что и в этом примере для установления истины путникам пришлось сойтись вместе.
Что же будет, если вновь сойдутся наши космические корабли? Пока они разлетаются, часы на них взаимно отстают. Что же покажут их часы при новой встрече?
Ответ гласит: это зависит от того, как они будут сближаться.
Космические корабли равноправны только, пока они движутся по инерции с выключенными двигателями. Но при этом они летят с постоянной скоростью по прямому пути, разлетаясь все дальше и дальше. Для того чтобы сблизиться, хотя бы один из них должен повернуть назад.
В этом все дело! Для поворота назад необходимо включить двигатели, погасить скорость и вновь разогнаться в обратном направлении, В течение этого маневра корабль уже движется не по инерции, а с ускорением. Состояние невесомости прекращается, и возникают перегрузки. Для того чтобы обнаружить их, не надо выглядывать наружу. Перегрузки ощущают и приборы и живые организмы. Ускорение в этом смысле абсолютно.
Все процессы в корабле, испытывающем ускорение, отличаются от процессов в корабле, летящем по инерции.
Теория относительности дает первый очевидный ответ на вопрос о том, что окажется при встрече.
Если оба корабля будут совершенно одинаково тормозиться и вновь ускоряться и затем встретятся (а это произойдет в той же точке, где они расстались), то часы на них будут показывать одинаковое время. Никакого противоречия не будет, никто из космонавтов не станет старше другого. Все будет (с первого взгляда), как в примере с путниками, расходящимися и вновь сходящимися на дороге.
Но только с первого взгляда. Потому что взаимное отставание часов было реальностью. Оно скомпенсировалось в результате одинакового взаимного опережения часов в процессе перехода кораблей на обратный курс. Для того чтобы это не казалось удивительным, теория относительности дает второй ответ.
Если тормозится и вновь разгоняется только один из кораблей, то, после того как он догонит первый, окажется, что часы на корабле, изменявшем свою скорость, отстали. При этом, конечно, все равно какой из них изменял свою скорость. Но отстанут именно те часы, которые подверглись перегрузкам.
Читатель, не торопись сказать: ясно, часы отстают из-за перегрузок. В этом есть доля правды, но не вся правда. Знания и опыт человека увеличиваются с возрастом, но не потому, что он становится старше, а потому, что он в это время работает и учится. Старение и умственное развитие идут одновременно, но между ними нет однозначной причинной связи. Можно до старости остаться невеждой.
Так же и перегрузки: они являются следствием ускорений, но не причиной изменения хода хороших часов. Именно ускорения одновременно вызывают и перегрузки и изменения хода часов. Больше того, ускорения вызывают не изменения в механизме часов, а влияют на само течение времени.
В машине времени
Для того чтобы ясно почувствовать суть дела, вообразим сперва, что мы, оставшись на Земле, наблюдаем за полетом ракеты при помощи телевизора, передатчик которого стоит на ракете, мчащейся со скоростью 240 тысяч километров в час. А затем представим себе, что мы сами летим в ракете и наблюдаем на экране телевизора за передачами с Земли.
В соответствии с программой полета ракета должна 25 лет (по земным часам) удаляться, затем быстро повернуть обратно и снова 25 лет (по земным часам) лететь домой.
Если бы мы могли установить в космосе верстовой столб на расстоянии, которое свет пробегает за год, то в момент, когда на экране нашего телевизора ракета пройдет рядом с этим столбом, наши земные часы отсчитают от момента старта два с четвертью года. Действительно, ракета будет лететь к этому столбу год с четвертью, а телевизионное изображение затратит на обратный путь ровно год. Через двадцать пять лет, когда в соответствии с программой ракета будет поворачивать обратно, на экраны нашего телевизора придет изображение событий, происходивших на ракете, когда она была от нас лишь на удалении около 16 световых лет.
Изображение работающих двигателей и процесса поворота ракеты мы увидим только через 45 лет после старта. Итак, для того, чтобы просмотреть события, происходившие на ракете в течение первой части полета, на Земле придется сидеть у телевизора 45 лет. Ведь радиосигналы затратят на путь от места поворота целых 20 лет. В это время ракета будет почти дома, на расстоянии всего в 5 световых лет от Земли.
За эти оставшиеся 5 лет мы в ускоренном темпе будем видеть на экране все, что происходило на ракете в течение 25 земных лет.
Итак, 45 лет мы будем смотреть «замедленное» изображение и 5 лет соответственно «ускоренное». Но все это не имеет никакого отношения к теории относительности. И «замедление» и «ускорение» – результат эффекта Доплера, не связанного с изменением течения времени.
Но на экране телевизора можно увидеть и реальное замедление времени. Подождав 45 лет, мы увидим, что к моменту поворота ракетные часы и календарь на ракете отсчитают только 15 лет.
Мы увидим также, что во время обратного полета ракетные часы и календарь снова отсчитают 15 лет. (Теперь эффект Доплера позволит нам проследить это всего за 5 лет.)
Так, оставаясь на Земле, мы можем мгновенье за мгновеньем следить за ракетными часами и убедиться в том, что за наши 50 лет по ним пройдет только 30. Теперь сядем в ракету.
Если мы посмотрим на экран нашего телевизора, достигнув цели полета, то увидим, что на нем изображения земных часов и земного календаря показывают лишь 5 лет, прошедших с момента старта. Это и не удивительно, ведь ракета «убегает» от радиосигналов. Сигналы, вышедшие с Земли в более поздние моменты времени, еще находятся в пути.
Но, проделав необходимые расчеты и учтя кажущееся отставание (за счет эффекта Доплера), мы получим, что в момент наблюдения на Земле по земным часам прошли не те 5 лет, которые показывает телевизор, а 9 лет. Мы будем знать, что изображение часов за последние 4 года еще не догнало ракету, оно еще находится в пути.
Таким образом, пока ракета по инерции удаляется от Земли, ее пассажиры и люди, оставшиеся на Земле, проведя необходимые измерения и вычисления, придут к одинаковым результатам. Каждый получит, что часы другого идут в /5 раза медленнее, чем его собственные.
Это результат равноправности тел, движущихся по инерции одно относительно другого. Это парадокс так называемой специальной теории относительности, но он не может привести к противоречию, так как, не подвергнувшись ускорению, то есть не выйдя из области применимости этой части теории относительности, нельзя поместить те и другие часы рядом в состояние относительного покоя и сравнить их показания.
Проследим же за тем, что будет дальше. Выполнив свою задачу, капитан космического корабля включит двигатели, которые затормозят корабль и снова разгонят его в направлении к Земле. Во время работы двигателей корабль будет двигаться не по инерции, то есть не с постоянной скоростью, а с большим ускорением. При этом равноправность космического корабля и Земли нарушена. Процессы в корабле и на Земле будут течь совершенно различно. Космонавты смогут измерить ускорение корабля, не выглядывая наружу.
Эйнштейн еще в докосмическую эру говорил, что это различие ясно любому машинисту, подбрасывающему уголь в топку паровоза. Трогаясь с места или тормозя, движется с ускорением паровоз, и с полок вагонов падают чемоданы, а водонапорная башня, стоящая у полотна дороги, остается невредимой.