Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Замечательный физик и популяризатор астрономии Брайан Грин в своей книге «Элегантная Вселенная», которую автор рекомендует любознательным читателям, выдвинул неожиданный тезис: в некотором смысле все объекты во Вселенной движутся только со скоростью света. Мы тоже движемся именно с этой скоростью, не меньше и не больше — если, конечно, рассматривать наше движение не в привычном нам трехмерном пространстве, а в четырехмерном пространстве-времени. Таким образом, это единственно возможная скорость в нашем мире.
Попробуем разобраться. Ситуация подобна тому, как мы находим проекции вектора скорости на оси координат, — только обычно мы это делаем с пространственными осями, а тут добавляется временнáя. Если мы движемся со скоростью света, компонента скорости вдоль временной оси будет равна нулю (для нас время остановится), зато вдоль пространственных координат она равна скорости света с. Если не двигаться в пространстве (проекции на пространственные оси координат равны нулю), вектор скорости будет «направлен» вдоль временной оси — мы будем двигаться только «во времени». В промежуточных случаях, когда проекции на все оси не нулевые, часть нашей скорости будет осуществляться и в пространстве, и во времени, но движение во времени будет замедлено.
А) Движение во времени при отсутствии движения в пространстве.
Б) Движение в пространстве и времени.
Пространство на графике показано двухмерным, по вертикальной оси измеряется движение во времени.
Еще раз повторим это рассуждение. Если тело не движется в пространстве, все его движение происходит только во времени (так, человек, лежащий на диване, равномерно движется в будущее из прошлого и поэтому является путешественником во времени, но не в пространстве). Если же тело благодаря каким-то силам (двигателю звездолета) приобрело скорость, сопоставимую со скоростью света, это означает, что значительная часть его общего движения в пространстве-времени осуществляется в пространстве, зато оставшаяся часть движения во времени будет происходить медленнее (время для него затормозится). Сам путешественник ничего не почувствует — он будет считать, что его часы идут, как и до начала полета.
Поскольку во Вселенной нет неподвижных объектов, получается, что для каждого небесного тела разная часть движения в пространстве-времени приходится на временную координату, а значит, для каждого объекта время течет со своей скоростью — в зависимости от его скорости в пространстве. Но поскольку скорость света громадна, а планеты, кометы, космические корабли и т.д. движутся с мизерными (по сравнению с с!) скоростями, часть движения в пространстве-времени Вселенной, приходящаяся на пространственные координаты, крайне незначительна. Это значит, что время на таких объектах замедлено несущественно и течет почти одинаково. Тем не менее этот эффект хоть и мал, но существует и, как сказано ниже, экспериментально обнаружен.
Космолог Джон Ричард Готт в книге «Большое космическое путешествие»[31] указал, что чемпионом мира по продолжительности пребывания на борту космической станции является российский космонавт Геннадий Падалка: он провел на борту МКС в совокупности 879 суток (почти 2,5 года). Международная космическая станция, конечно, движется со скоростью, существенно меньшей скорости света (примерно 8 км/с). Но и этой скорости хватило, чтобы время на борту шло немного медленнее, чем на Земле. В результате эффект «путешествия по времени» знаменитого космонавта (расхождение его часов с часами на Земле) составил примерно две сотых секунды!
Теория относительности утверждает, помимо прочего, что с ростом скорости увеличивается и масса объекта. Именно поэтому никакой объект, обладающий массой, никогда не сможет разогнаться до скорости света: при очень больших скоростях его масса станет настолько большой, что потребуются непомерно большие (в пределе — бесконечные) силы, чтобы продолжить разгон. Поэтому только электромагнитные (свет) и гравитационные волны, вообще не обладающие массой, могут двигаться со скоростью света в пространстве (но при этом они застыли во времени).
Теория относительности предсказала еще одну важную сторону устройства нашей Вселенной.
В физике существует важное понятие — энергия.
Первоначально речь шла только о механической энергии, и тогда, как сказано в школьных учебниках¸ энергия понималась как величина, определяющая, какую механическую работу способно совершить тело. Постепенно стало ясно, что возможности тела не исчерпываются механической работой: можно говорить еще и о так называемой внутренней энергии тела, связанной с его теплотой. Оказалось далее, что и мельчайшие частицы, из которых состоит любое тело, тоже способны на некие процессы и явления, и значит, следует говорить о других типах энергии, спрятанных в так называемых элементарных частицах, из которых построено все вещество Вселенной.
К сожалению, в обыденной жизни слово «энергия» применяется в самых разных смыслах — порой даже с мистическим оттенком. Иногда за словом «энергия» вообще трудно уловить смысл, когда его используют не физики.
Наверно, лучше всего об энергии сказал нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман, внесший немалый вклад в создание современной физической картины мира:
«Существует факт, или, если угодно, закон, управляющий всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение является весьма и весьма отвлеченным. Это, по существу, математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним…»[32]
Эйнштейн в рамках своей теории показал, чему равна полная энергия тела, обладающего массой m. Это знаменитая формула, известная даже далеким от физики людям. Если обозначить буквой Е полную энергию тела с массой m, то: E = mc2.
В соответствии с теорией Эйнштейна, энергия тела (являющаяся мерой любых форм движения и взаимодействий этого тела с другими телами и полями) определяется его массой. В формулу входит огромный коэффициент — скорость света с, умноженная сама на себя. Это означает, что даже если тело (песчинка) обладает массой в 1 грамм, ее полная энергия ужасает — это 9 × 1013 джоулей, или примерно 20 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте. В одной песчинке энергия, равная 20 килотоннам тротила,
