В начале прошлого столетия Альберт Эйнштейн сформулировал свою знаменитую теорию относительности, которая перевернула представление человечества о пространстве и времени, природе гравитации, существенно углубила знания в области физики элементарных частиц; она объясняет природу черных дыр гравитационных волн, энергии покоя и многое другое. Теория относительности – довольно сложная для понимания штука, но мы, как всегда, будем обходиться простыми примерами, на которых поймем её суть.
Относительность движения
Начнем со знакомой и понятной нам классической механики, законы которой сформулированы еще Исааком Ньютоном, а именно – с принципа относительности движения. Он означает, что если мы, например, сидим в поезде, а поезд едет со скоростью 60 км/ч – то для нас наша скорость равна нулю – ведь мы находимся в покое. Но если за поездом наблюдает кто-то со стороны – то для этого стороннего наблюдателя наша скорость равняется скорости поезда - 60 км/ч.
Если мы вдруг решили сходить в вагон ресторан, встали и идем по ходу движения поезда – то для стороннего наблюдателя наша скорость (скажем, 3 км/ч) складывается со скоростью поезда – и относительно него мы движемся уже со скоростью 63 км/ч.
Если же мы, наоборот, находясь внутри поезда, отправимся в противоположную сторону – то наша скорость вычитается из скорости поезда и для стороннего наблюдателя она будет составлять 57 км/ч.
Так обстоит дело со всеми телами, имеющими массу: к примеру, если два автомобиля, движущиеся навстречу друг другу со скоростью 100 км/ч, столкнутся – то сила удара (из-за поглощения энергии обоими автомобилями) будет равна силе удара о неподвижную стену со скоростью 100 км/ч. Если же автомобили едут друг за другом – их скорости вычитаются – в этом случае последствия аварии будут куда менее серьезными.
Во время первой мировой войны один английский летчик ПОЙМАЛ РУКАМИ германскую боевую пулю! Невозможное на первый взгляд действие стало вполне реальным благодаря тому, что ПУЛЯ ЛЕТЕЛА ЕМУ ВСЛЕД, а самолет, в котором находился летчик, двигался почти с той же скоростью, что и пуля (СКОРОСТЬ ПУЛИ В КОНЦЕ ПОЛЕТА - ЗНАЧИТЕЛЬНО НИЖЕ, ЧЕМ В НАЧАЛЕ), т.е. по отношению к пилоту пуля передвигалась еле-еле – и схватить её рукой в перчатке (летящая пуля сильно разогревается) - ничего не стоило.
С фотонами света дело обстоит иначе.
Скорость света всегда постоянна
Когда-то считалось, что свет распространяется мгновенно. Потом ученые предположили, что он всё же имеет скорость, хотя и очень большую. Впервые скорость света была измерена еще в XVII веке – это сделал датский астроном Олаф Рёмер в 1676 году, наблюдая за затмениями Ио, одного из спутников Юпитера.
Сейчас скорость света известна точно: в вакууме она равна 299 792 458 метрам в секунду. То есть почти 300 000 км/с.
В конце XIX – начале XX века ученые ставили опыты, чтобы узнать, как скорость света подчиняется принципу относительности движения: они измеряли скорость света по ходу движения Земли и перпендикулярно движению Земли.
Согласно законам механики Ньютона, скорость с1 должна была быть больше скорости с2, т.к. к ней прибавляется еще и скорость движения Земли.
Но тут ученых ждал большой сюрприз: скорость света всегда оставалась постоянной.
То есть если мы представим космический корабль, летящий с любой скоростью, даже 200 тысяч км/сек, на борту которого установлена пушка, стреляющая лазерными лучами по ходу движения корабля, то для стороннего наблюдателя скорость этих лучей не будет складываться со скоростью корабля и составит все те же 300 тыс км/сек.
Если пушка будет установлена в хвосте звездолета и лучи будут «выстреливаться» в противоположном направлении, то из их скорости НЕ БУДЕТ вычитаться скорость движения космического корабля, скорость луча опять-таки составит 300 тыс км/сек.
К скорости света не добавляется скорость источника и не вычитается из неё. Такова природа света.
Из постоянства скорости света вытекает вывод о том, что
Время - относительно, оно может замедляться и ускоряться.
Чтобы понять, что это означает, вообразим другой корабль, летящий со скоростью, близкой к скорости света, а мы – внутри корабля. На потолке над нами находится зеркало, в которое мы направляем световой луч. Луч отражается от зеркала и возвращается к нам. Для нас его путь – это прямая линия, ведь мы не ощущаем скорости корабля:
Представим теперь, что за нами опять наблюдает кто-то со стороны, и этот наблюдатель - неподвижен. Для него картина будет выглядеть иначе: он-то воспринимает скорость нашего корабля, который, не забываем – мчится на околосветовой скорости. Поэтому для человека со стороны, пока луч будет двигаться к зеркалу, а потом обратно, сам корабль успеет переместиться в пространстве – и сторонний наблюдатель увидит не прямую линию движения луча, а ломаную:
Во тут и начинается самое интересное: ломаная линия движения светового луча для стороннего наблюдателя ДЛИННЕЕ прямой линии, которую видим мы.
Простую формулу, по которой вычисляется пройденное расстояние, помнят со школы все:
t = S / v,
где t - время, S - расстояние, v - скорость тела.
Если предположить, что время – величина абсолютная и течет одинаково всегда и везде, и поставить знак равенства между временем, которое прошло для нас (t1) и временем, которое прошло для стороннего наблюдателя (t2) мы получим, что скорость света для человека со стороны должна быть выше,чем для нас:
Ведь расстояние, пройденное лучом, для наблюдателя - больше, а чтобы пройти большее расстояние за то же самое время – нужно, естественно, двигаться с большей скоростью.
Но ученые выяснили – скорость света является константой и не меняется. Принцип относительности движения, верный для всех тел, имеющих массу, не распространяется на свет (фотоны света не имеют массы).
Тогда единственное, что нам остается – это признать, что время для нас – t1 и время для наблюдателя со стороны t2 – неодинаковы:
Одно и то же событие для нас и для стороннего наблюдателя заняло разное количество времени. Для нас луч прошел за условную 1 единицу времени, а для того, кто находился в покое и со стороны смотрел за лучом – за условные две единицы времени.
В этом и есть суть теории Эйнштейна: время, как и расстояние, относительно и зависит от точки отсчета. Чем больше скорость объекта, тем медленнее для него идет время.
Почему же мы не сталкиваемся с этим явлением в нашей жизни? Здесь ответ прост: время меняется ощутимо для нас только при очень высоких скоростях, близких к скорости света. В обычной жизни замедления во времени для тех, кто летит на самолете или едет на машине – столь малы, что заметить их можно только с помощью супер-точных атомных часов.
Этот факт был доказан экспериментом. 4 октября 1971 года на борт рейса авиакомпании Panam, следующего по маршруту Вашингтон - Лондон, сели двое мужчин с необычной ручной кладью: это были сверхточные атомные часы, для который даже были пулены места на имя «mister Clock».
С таким необычным грузом они облетели вокруг Земли сначала в одну сторону, потом - в другую, потратив на билеты порядка $7600:
После полета показания часов сверили с такими же, которые всё время оставались на земле и, как и ожидалось, они показывали неодинаковое время: оказалось, что для ученых времени прошло чуть меньше. И главное: показания часов полностью совпали с предсказаниями теории относительности.
Если бы человечество уже построило корабли, способные двигаться с околосветовой скоростью, мы давно бы заметили, что время для нас и для пассажиров такого корабля течет по-разному.
Режиссеры-фантасты давно показали этот эффект: например, в популярном семейном фантастическом фильме «Полет навигатора» 12-летний мальчик Дэвид, которого беспилотник инопланетян забрал с собой и «прокатал» 4 часа в космосе на скорости, близкой к световой, вернувшись на Землю, обнаружил, что прошло уже целых 8 лет...
В этом смысле путешествие в будущее на подобных кораблях станет не только возможным, но и неизбежным – если человечество когда-нибудь их построит.
Но возможно ли путешествие в прошлое?
Итак, одно из главных открытий Эйнштейна - то, что время относительно, оно замедляется при возрастании скорости и заметно замедляется при приближении скорости света. Стало быть, если было бы возможным достигнуть самой скорости света, то время должно остановиться, а при превышении оной – пойти вспять. Но тут мы упираемся в стену: тело, обладающее хоть какой-то массой, не может разогнаться до скорости света по определению. Это неминуемо следует из формулы энергии:
Чтобы разогнать тело до скорости света, нужна бесконечная энергия, а это невозможно.
Кроме того, при увеличении скорости увеличивается масса. Этот факт доказан в том числе и опытами с адронным коллайдером. В БАК частицы, разогнанные до скорости 250 000 км/с, увеличили свою массу до 2 кг!! (Сейчас частицы в БАК удалось разогнать до почти световой скорости).
Фотон - особая частица. Современная физика считает, что у фотона нет массы. Согласно теории Эйнштейна, любое материальное тело при приближении к скорости света увеличивает свою массу. При достижении телом скорости света масса его становится бесконечной. Не хватит ни какой энергии, чтобы превысить скорость света, так как инерция этого тела будет также бесконечной. Фотон не имеет массы, поэтому скорость света для него достижима.
Возникает вопрос: а может ли человек выдержать столь высокую скорость? Останется ли он жив?
Для живого организма важна не скорость сама по себе, а ускорение. Если оно будет небольшим, то есть скорость будет набираться весьма постепенно – это будет безвредным для человека.
Скорость, близкая к световой, будет страшна по другой причине: космический корабль движется не в пустоте. В космосе есть межзвездный газ, есть атомы водорода и гелия. Столкновение даже с одним атомом может прожечь корабль насквозь. Современные технологии не могут предложить щита, способного уберечь сверхбыстрый космический корабль от подобных столкновений, которые для обычного корабля совершенно безвредны. Такие технологии - вопрос будущего.
Выходит, попасть в прошлое, превысив скорость света, нельзя - т.к. скорость света достижима только для фотонов. Однако есть и другой путь: «кротовая нора». Чтобы понять, что это такое, нам нужно рассмотреть другой важный аспект теории относительности: связь пространства и времени.
Пространство-время
Теория относительности преобразила наши представления о пространстве: теперь мы знаем, что мы живем не только в трех знакомых нам измерениях: длина, ширина и высота. Мы живем в 4-х мерном в пространстве-времени, где время не является четвертой осью, направленной перпендикулярно к трем другим. Вектор времени направлен в одну сторону, и перемещаться по нему туда-сюда, как по трем обычным измерениям, мы не можем. Просто наше пространство неразрывно связано со временем и движется вдоль временного вектора.
Если пространство искривляется, то теоретически можно попасть из одного пункта в другой по короткому «туннелю». Чтобы это представить наглядно, вообразим наше пространство двумерным. Тогда, если оно «согнуто», возникает своеобразная «нора»:
В 1935 году Альберт Эйнштейн и его коллега математик Натан Розен предположили, что существует непроходимая червоточина, которая соединяет два одинаковых практически плоских пространства-времени, тем самым создавая «мост».
Белая линия на картинке обозначает обычный путь, а туннель, как мы видим, намного короче. А поскольку пространство и время связаны, то объект, прошедший через такой туннель, попадет в другую точку не только в пространстве, но и во времени. То есть может попасть и в прошлое.
Пока существование таких червоточин – только предположение. Поддержание целостности кротовой норы требует огромной энергии, и теория предсказывает, что они не могут существовать достаточно долго, чтобы через них мог пройти космический корабль или другой макроскопический объект. Такой мост может «схлопнуться», и корабль пропадет где-то в сингулярности.
Правда, ученые допускают мысль, что технически развитая цивилизация могла бы держать подобную нору открытой и нужное время. Но как этого можно добиться, вопрос пока совершенно неясный.
Есть версия, что червоточинами могут быть черные дыры.
Черная дыра настолько искажает пространство-время вокруг себя, что образует некую «воронку», «дыру» конической формы.
Гравитация в ближайших окрестностях черной дыры столь огромна, что пространство-время в ней, по сути, перестает существовать, либо искажается настолько, что время практически останавливается. Кроме того, некоторые черные дыры вращаются на околосветовой скорости. В результате пространство-время «сворачивается» в дыре практически в «трубку». Может быть, проникнув в черную дыру, мы могли бы пройти через ее узкий тоннель и оказаться… в прошлом, или, например, в другой Вселенной?
Чтобы это выяснить, нужно попасть в черную дыру и пройти через горизонт событий, а это задача не из легких. Для начала стоило бы хоть добраться до ближайшей черной дыры. Но кто знает – ведь когда-то считалось совершенно невозможным долететь и до Луны, и никто не представлял, как можно передвигаться быстрее, чем бежит лошадь. А тем, кто говорил, что это возможно – крутили пальцем у виска.
Теория относительности Эйнштейна не исключает возможности путешествий в прошлое. Но утверждает, что скорость света недостижима для тела, имеющего массу, и что время замедляется при приближении к скорости света. А также рассматривает такую вещь, как ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ.
Но как может искривляться пространство-время, каким образом?
Всё, что касается скорости света, связи пространства и времени – Эйнштейн изложил в специальной теории относительности в 1905 году. Через 10 лет он разработал более универсальный вариант теории - общую теорию относительности. В этой расширенной версии ученым рассматривался еще один важный аспект нашего мироздания - гравитация.
О ней - читайте в следующей части.
Ставьте лайк, если понравилась статья. Пишите комментарии, подписывайтесь на канал - будет еще много интересного!