Hиколай Непомнящий - Время - Назад XX век: Хроника необъяснимого

При постоянном ускорении скорость равна произведению ускорения на время, так что время равно скорости, деленной на ускорение. Чтобы достичь скорости, равной, скажем, одной трети скорости света, требуется время, равное 108 м/с: = 9,8х х10 м/с2 = 107 секунд = 4 месяца. Не столь уж большое время!

К сожалению, при скорости, равной всего лишь одной трети скорости света, разница в ходе времени для путешественников по сравнению с земным временем будет всего лишь 5 процентов.

Чтобы получить заметно больший выигрыш во времени, надо двигаться со скоростью, действительно близкой к скорости света. При этом уже время ускорения нельзя рассчитать как отношение скорости к ускорению, работают другие законы, законы специальной теории относительности.

Пользуясь теорией относительности, можно показать, что если ускоряться в ракете с ускорением земного тяготения 3,5 года, то по часам, прошедшим на Земле, пройдет 15 лет. При скоростях, еще более близких к скорости света, разница становится гораздо более впечатляющей. Так, например, если время ускорения для пассажиров ракеты равно 10 годам, то на Земле пройдет 11 500 лет!

Итак, с точки зрения нормальной продолжительности человеческой жизни путешествие со скоростью, близкой к скорости света, представляется хотя и длительным, но возможным. Хватит ли, однако, энергозапаса ракеты, чтобы поддерживать постоянным ускорение в течение нескольких лет?

Любое, самое эффективное, топливо при сжигании массы М не может дать больший выход энергии, чем величина Е = Мс2, где с — скорость света Этот теоретический предел вытекает из принципа эквивалентности массы и энергии, следующего из теории относительности. Для обычных видов топлива эффективность ("калорийность") топлива гораздо ниже — при сжигании массы М выделяется энергия, гораздо меньшая Мс2. Легко убедиться, что для того, чтобы ускориться до скорости, близкой к скорости света, никакие виды «обычного» топлива (включая ядерное или термоядерное) не годятся. Единственный вид топлива, имеющий, так сказать, "коэффициент полезного действия", близкий к единице, — это антивещество. При аннигиляции вещества и антивещества происходит, в некотором смысле, полное превращение массы в энергию, точнее, превращение массивных частиц в электромагнитное излучение. При сжигании массы М топлива из антивещества выделенная энергия будет равна Мс2.

Оказывается, что для длительного ускорения ракеты необходимо запастись горючим из антивещества, во много раз превышающим по массе «полезную» массу ракеты. Можно показать, что при ускорении, равном ускорению земного тяготения, для путешествия, длящегося по часам в ракете 3,5 года, когда на Земле проходит 15 лет, отношение массы топлива к массе ракеты должно быть примерно 15. Если же путешествие длится по часам ракеты 10 лет, а по земным часам 11 500 лет, масса топлива должна превосходить полезную массу более чем в 10 000 раз!

Наверное, из всех чудовищных трудностей создания подобного устройства получение многих тонн антивещества является самой сложной задачей. В настоящее время удается получить лишь считанные атомы антивещества. Поэтому практически можно гарантировать, что «релятивистские» путешествия со скоростью, близкой к скорости света, если и будут когда-нибудь осуществлены, то весьма не скоро. Надо признать, однако, что принципиальных возражении против такого рода путешествий современная наука не имеет.

ПАРАДОКС БЛИЗНЕЦОВ

В этом очерке мы попытаемся объяснить (к сожалению, крайне схематично), каким образом физики приходят к удивительному заключению, что время в неподвижной и движущейся системах отсчета, например на Земле и в ракете, улетающей от Земли, течет неодинаково. Пока же без объяснений примем этот фундаментальный вывод специальной теории относительности и покажем, что, хотя "здравый смысл" решительно восстает против этого утверждения, оно все же не содержит логических противоречий.

Итак, основное заключение теории относительности, относящееся к различному ходу времени в движущихся друг относительно друга системах отсчета: время в движущейся системе отсчета течет медленнее, чем время в неподвижной системе отсчета. Пример: радиоактивное ядро, летящее с большой скоростью относительно неподвижных приборов, установленных в лаборатории, живет дольше другого такого же ядра, неподвижного в лабораторной системе отсчета. Этот факт подтверждается ежедневно в сотнях экспериментов, проводимых во всем мире.

Повторим еще раз: "здравый смысл" очень хочет предположить, что что-то случилось не с самим временем, а с часами, в данном случае с радиоактивным ядром. В предыдущем очерке мы уже объяснили, что если замедляются любые часы: любое время распада различных частиц, любые колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами и т. д., - то остается сказать, что замедляется само время. Заметим между прочим, что замедляются и биологические процессы, ведь в конечном счете они связаны с различными химическими реакциями, которые замедляются точно так же, как радиоактивные распады или частота колебаний световой волны (Период колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами).

Действительно замедляется не что иное, как само время.

Представим себе улетающую от Земли ракету с пассажирами, лабораторными приборами и т. д. Поскольку абсолютно все процессы в ракете замедляются одинаково, пассажиры космического корабля не почувствуют никаких аномалий, связанных с необычным ходом времени. Они будут вставать, например, в 7 часов утра, ложиться в 12 ночи, в середине дня тратить час на обед и т. д. И стареть они будут совершенно нормально: за 10 лет тридцатилетний человек станет сорокалетним. И только если отслеживать происходящее в корабле по часам на Земле, мы обнаружим, что за 10 лет путешествия на ракете на Земле прошло, скажем, 20 лет. При всей парадоксальности этого вывода трудно немедленно указать на какое-нибудь логическое противоречие.

Кажущееся противоречие можно, однако, нащупать, если поместить в ракету одного из двух братьев-близнецов, а второго оставить на Земле. Из сказанного выше следует, что пока брат-путешественник проживет 10 лет, его брат на Земле состарится больше, скажем, на 20 лет. Если каждому из них отпущено строго определенное время жизни (конечно, эта гипотеза не вполне реалистична, но не так уж и дика — по отношению к близнецам), то к моменту смерти брата на Земле брат на ракете будет еще жив и даже относительно молод.

Парадокс состоит в том, что любые равномерно движущиеся друг относительно друга системы отсчета совершенно равноправны. Если мы до сих пор говорили о брате на Земле как о связанном с неподвижной системой отсчета, а о брате-путешественнике — с движущейся, мы с равным успехом можем считать «неподвижным» брата, находящегося в ракете, а брата на Земле — движущимся, удаляющимся от ракеты. Но тогда вывод об их относительном старении будет противоположным: брат на Земле будет стареть медленнее, чем на ракете, и к моменту смерти брата на ракете брат на Земле будет еще жив!

Какой же из братьев умрет раньше? Самое удивительное, что однозначно ответить на этот вопрос невозможно: по часам, связанным с Землей, раньше умрет брат на Земле, по часам, связанным с ракетой, — брат на ракете. Оба утверждения абсолютно правильны!

Несомненно, у человека, никогда ранее не слыхавшего о "парадоксе близнецов", возникает впечатление полного абсурда. Попробуем, однако, разобраться детальнее, в чем могло бы возникнуть действительное логическое противоречие. Суть дела состоит в том, что для обмена информацией о смерти каждого из братьев должно быть послано известие, скажем радиограмма, с Земли на ракету или наоборот. Между посылкой и получением этой радиограммы пройдет некоторое время, так как она движется с конечной скоростью — со скоростью света. Можно показать, что на Землю радиограмма придет лишь тогда, когда брат на Земле уже умрет, и аналогично — радиограмма, полученная на ракете. Ситуация в этом смысле остается симметричной, и противоречия не возникает.

Обратим внимание, что вся логика приведенного выше объяснения основана на конечности скорости распространения света и гипотезе, что никакой другой, более быстрой, возможности для передачи сигнала не существует. Это один из краеугольных постулатов (подтвержденный прямым образом и косвенно в сотнях экспериментов) специальной теории относительности. Скорость света — это больше, чем просто скорость распространения электромагнитной волны, которая и представляет собой свет, это вообще предельная скорость распространения любого сигнала. Некоторые поля (электромагнитное, гравитационное, возможно, поле, связанное с нейтрино) распространяются с этой предельной скоростью, все другие частицы или материальные тела всегда имеют меньшую скорость. Таким образом, скорость света — это вообще предельно большая скорость, возможная в природе, она называется скоростью «света» лишь по традиции.