Нереальная реальность-2 - Андрей Кананин

Что случится, если вы попробуете догнать свет?

На первый взгляд кажется, что если вы будете двигаться со скоростью света, то, когда поравняетесь с параллельными световыми волнами, те станут выглядеть для вас неподвижными. Часто такую картину можно наблюдать через иллюминаторы звездолётов в фантастических фильмах. Однако, это ошибочное представление. Остановившегося света не существует в принципе. Увидеть неподвижные жёлтые линии невозможно. Свет движется всегда и всегда с одинаковой скоростью.

Именно свет играет в физике заглавную роль. Сейчас мы разберёмся почему.

Основой специальной теории Эйнштейна является принцип относительности. Его суть состоит в том, что понятие движения относительно. Это означает, что, когда речь идёт о скорости и направлении движения любого объекта, обязательно следует уточнить, кто именно производит это измерение.

Этот постулат относится ко всем законам физики без исключения. Поэтому фраза «вы движетесь со скоростью 5 км/ч» не имеет физического смысла. Необходимо указать объект для сравнения, например, «вы движетесь со скоростью 5 км/ч относительно меня, находящегося в состоянии покоя».

Таким образом, абсолютного движения попросту нет. Движение всегда относительно других объектов.

Этот принцип работает на практике. Иногда, сидя в поезде, стоящем на станции, сложно определить, двинулись ли с места вы, или поехал соседний вагон за окном. А если в купе опущены шторы и темно, можно вообще спутать движение со стоянкой.

Аналогично, в самолёте, летящем с огромной скоростью, часто кажется, что вы неподвижно зависли в небе. Все эти двусмысленности возникают оттого, что вам не с чем сравнить. Любое движение приобретает смысл лишь при сравнении с другими объектами или наблюдателями, которые тоже движутся.

С чем сравнивать лучше всего? С чем-то эталонным. И во Вселенной есть только один такой универсальный параметр, независимый от точки отсчёта. Это свет.

Любой наблюдатель в любой области космоса скажет, что свет в вакууме всегда движется со скоростью 300 000 километров в секунду. И будет прав. Свет, испускаемый фарой неподвижно стоящего на Земле автомобиля равен скорости света, испускаемой фарой движущегося марсохода и равен скорости света, испускаемой любой звездой во Вселенной. Скорость света всегда неизменна. Свет от движущегося источника и от неподвижного всегда дойдёт до наблюдателя одновременно. Именно поэтому скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в строении мира.

Никакой сигнал не сможет достичь вас быстрее фотона, испущенного одновременно с этим сигналом. Ничто в мире не способно обогнать свет. Хочу особо подчеркнуть, что этот предел установлен не только для материальных объектов. Он относится к любому виду информации.

Из принципа относительности Эйнштейн сформулировал две отдельные, но связанные теории: специальную (частную) и общую теорию относительности. Первая была опубликована в 1905 году, вторая – в 1916 году. Рассказ о них начну издалека.

Нам всем хорошо известно из личного опыта, что восприятие многих ситуаций двумя наблюдателями может быть различным. Например, когда вы едете в поезде, деревья за окном кажутся вам движущимися. Но для человека, стоящего на перроне, лес всегда неподвижен.

С вашей точки зрения сосед в купе сидит на месте. Однако, с точки зрения стороннего наблюдателя (человека на перроне), вы вместе с соседом промчались на поезде мимо него, то есть перемещаетесь в пространстве с достаточно большой скоростью.

Если в вагоне вы уроните книгу, то для вас она упадёт вертикально вниз. Однако, для человека на перроне она будет падать по параболе, потому что поезд движется.

С подобными ситуациями каждый из нас неоднократно сталкивался в жизни. Они настолько естественны и привычны, что никто не задумывается над вопросом о том, почему одна и та же картина воспринимается по-разному.

Здесь нужно уяснить один принципиальный момент. Важно не путать точку зрения и физические законы. Трактовка событий действительно зависит от наблюдателя. Но законы природы действуют объективно, говоря на научном языке – инвариантно. Кстати, сам Эйнштейн хотел назвать свою теорию относительности теорией инвариантности.

На самом деле, в описанных событиях проявляются самые глубинные и тонкие свойства природы, а именно: наблюдатели, находящиеся в относительном движении друг к другу, по-разному ощущают реальность. Более того, с точки зрения физики, их часы идут с разной скоростью. И это не парадокс и не ошибка измерения. Это фундаментальное свойство самого времени.

То же самое рассуждение применимо к расстоянию. Два движущихся наблюдателя получат разные значения длины предмета, проведя измерения совершенно одинаковыми рулетками.

Пространство и время воспринимаются разными наблюдателями по-разному. В этом постулате сосредоточена самая суть теории Эйнштейна.

Такой вывод достаточно сложно понять интуитивно. Пространство и время кажутся нам незыблемыми, абсолютными понятиями. В повседневном опыте мы не чувствуем последствий специальной теории относительности. Этому есть простое объяснение. Дело в том, что её эффекты зависят от скорости движения. В нашем мире ни человек, ни автомобиль, ни даже самолёт не развивают достаточной скорости, чтобы парадоксальные особенности теории Эйнштейна стали заметными для людей. И тем не менее на Земле наблюдатель, едущий в поезде, и наблюдатель, стоящий на перроне, по-разному воспринимают пространство и время.

Ещё один нюанс заключается в том, что для нас привычным является движение через пространство. Поэтому мы не учитываем тот факт, что все объекты без исключения всегда движутся сквозь время. До Эйнштейна считалось, что движение через пространство полностью отделено от движения во времени. Но оказалось, что они взаимосвязаны самым тесным образом.

Когда поезд стоит на станции, он стационарен в пространстве, однако продолжает двигаться сквозь время. Как только он отъезжает от перрона и набирает скорость, часть его движения сквозь время начинает тратиться на движение через пространство. Поэтому движение поезда во времени замедляется. Для движущегося поезда и его пассажиров время протекает медленнее, чем для тех наблюдателей, которые остались неподвижно стоять на перроне. Правда, расхождение крайне незначительно. Люди на Земле перемещаются относительно друг друга слишком медленно, чтобы почувствовать искажение хода времени. Другое дело, если вы перемещаетесь на космическом корабле, движущемся с околосветовой скоростью. Тогда эффекты специальной теории относительности проявляются во всей красе.

В обычной жизни мало кто задумывается о том, что течение его времени прямо зависит от скорости его движения. Но если бы вы ходили пешком со скоростью света, мир вокруг вас кардинально изменился. Ваше субъективное время стало бы течь совершенно по-другому.

Эйнштейн установил, что для движущегося наблюдателя время всегда течёт медленнее, чем для неподвижного. Ход времени зависит от скорости движения. При достижении скорости света время останавливается.

Эффект замедления времени – самый известный вывод специальной теории относительности. Движущийся объект перемещается во времени медленнее, чем стационарный, так как часть его движения отвлекается на перемещение в пространстве. Можно перераспределять скорости между двумя видами движения, но общая объединённая скорость всегда будет неизменной. Именно поэтому через пространство невозможно перемещаться быстрее света.

Достигнув световой скорости движения в пространстве, объект израсходует весь запас движения со световой скоростью сквозь время. Если что-то перемещается со скоростью света, то ход времени для него останавливается. Поэтому свет никогда не «стареет». У фотона нет возраста, он расположен вне времени. Даже если фотон был испущен в момент Большого Взрыва, он остался неизменным до сих пор.

Экспериментально установлено, что специальные сверхточные атомные часы замедляют ход, если их поместить на борт трансатлантического самолёта. Конечно, речь идет о стомиллиардных долях секунды. Если лететь на современном авиалайнере без посадки около ста лет, то вы станете моложе примерно на одну секунду. Неудивительно, что мы не замечаем подобного «омоложения». Замедление времени начинает по-настоящему ощущаться по мере приближения к скорости света. Если вы движетесь со скоростью 99% от световой, ваше время течёт в семь раз медленнее, чем у стационарного наблюдателя.

Движение оказывает аналогичное влияние на пространство. В движении длина поезда меньше, чем, когда он стоит на станции. Повторю ещё раз, что это не домыслы, а достоверные научные факты, сколь бы необычными они не казались. Движущийся поезд реально короче, чем стоящий.