Ирина Радунская - Безумные идеи
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.
Если бы ускорение испытывала Земля, а не паровоз, продолжает Эйнштейн, то упала бы башня, а не чемодан. Значит, ускорение не относительно, а абсолютно.
В течение работы двигателей, когда космический корабль на огромном расстоянии от Земли испытывает длительное ускорение, мы, его пассажиры, сможем определить, что события на Земле развиваются в это время с огромной скоростью. Время на Земле (измеренное по часам космического корабля) уже не отстает, оно будет бежать, причем тем быстрее, чем дальше от Земли производится разворот корабля и чем большее ускорение он испытывает. При этом земные часы по измерениям в корабле не только наверстают отставание в шесть лет, накопленное во время полета корабля по инерции, но и сильно – на 26 лет обгонят часы космонавтов, так что к моменту выключения двигателей и началу свободного обратного полета по часам корабля окажется, что на Земле прошел 41 год (15+26). Из этих 41 года 9 лет прошло во время удаления корабля, а 32 года – во время разворота.
Конечно, люди на Земле при этом не заметят изменения хода земных часов. Ведь на них не может повлиять то, что космический корабль испытывал ускорение, изменяя направление своего полета.
Правда, и мы, пассажиры ракеты, на экране своего телевизора увидим бешеный бег земного времени не во время разворота ракеты, а позже, на обратном пути, когда ракета встретит радиосигналы, вышедшие с Земли во время разворота ракеты. Именно тогда 32 земных года промелькнут на экране ровно за то небольшое время, в течение которого были (много лет назад) включены ракетные двигатели.
Во время обратного пути, когда корабль вновь движется по инерции, снова будет наблюдаться взаимное отставание часов. За 15 лет, которые понадобятся нам для обратного пути, мы снова определим, что земные часы отсчитали всего 9 лет, то есть на 6 лет меньше, чем наши. Поэтому после приземления мы обнаружим, что на Земле прошло на 20 лет больше, чем на корабле, а жители Земли увидят, что мы постарели на 20 лет меньше, чем они (по часам корабля на нем пройдет 15 + 15 = 30 лет, а на Земле 9 + 32 + 9 = 50).
И космические путешественники и «земляне» увидят одно и то же. Никакого противоречия не будет. Но жители Земли, не испытавшие ускорений, будут считать, что время на корабле в течение всего полета текло медленнее (по 36 минут за земной час), а космонавты будут считать, что большая часть разности времен набежала в течение работы двигателей при повороте корабля. По наблюдениям космонавтов, именно на этом участке разность времен составила примерно 32 года, которые вместе со временем, прошедшим по их наблюдениям на Земле во время инерциального полета (2 раза по 9 лет), составят как раз 50 лет.
