Если вы думаете, что машина времени — это удел писателей-фантастов вроде Герберта Уэллса, спешу вас разочаровать (или обрадовать). Машина времени уже изобретена. Она называется «гравитация» и «высокая скорость». И каждый раз, когда вы пользуетесь навигатором в смартфоне, вы неявно подтверждаете её работу.
Давайте разберемся, как Альберт Эйнштейн «сломал» время и почему космонавт на МКС возвращается на Землю чуть-чуть моложе, чем мог бы быть.
Время не абсолютно. Совсем
До 1905 года считалось, что время течет одинаково для всех: секунда на Земле, на Марсе или в быстро летящей ракете — это одна и та же секунда. Ньютон был уверен, что время — это универсальные часы, тикающие где-то в фоне вселенной.
Эйнштейн перевернул эту игру. В своей Специальной теории относительности он постулировал: скорость света постоянна, а время — относительно.
Что это значит на практике? Чем быстрее вы движетесь в пространстве, тем медленнее для вас течет время по сравнению с тем, кто стоит на месте. Этот эффект называется замедлением времени.
Парадокс близнецов: фантастика, ставшая фактом
Классический мысленный эксперимент: представьте двух братьев-близнецов. Один остается на Земле, другой садится в ракету и летит к звезде со скоростью, близкой к скорости света, а затем возвращается.
Для земного брата пройдет, скажем, 20 лет. Он постареет, обзаведется семьей и седыми волосами. А вот для брата-космонавта, из-за колоссальной скорости полета, время текло медленнее. Для него могло пройти всего пару лет. Вернувшись, он увидит своего постаревшего брата, оставаясь при этом молодым.
Это не магия. Это геометрия пространства-времени. Двигаясь быстро, вы «срежете угол» во времени.
Реальность: GPS и ваши часы
«Хорошо», — скажете вы, — «но мы же не летаем со скоростью света». Верно. Но эффекты относительности работают даже при наших скромных скоростях, просто они ничтожно малы. Однако есть система, где эти наносекунды критичны — GPS (и ГЛОНАСС).
Спутники навигации находятся на орбите и движутся со скоростью около 14 000 км/ч. Из-за этой скорости их бортовые часы отстают от земных примерно на 7 микросекунд в день (специальная теория относительности).
Но есть и второй эффект: Общая теория относительности. Эйнштейн также доказал, что гравитация замедляет время. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время. На поверхности Земли гравитация сильнее, чем на орбите спутников. Поэтому из-за меньшей гравитации часы на спутниках, наоборот, спешат относительно земных на 45 микросекунд в день.
Если сложить эти два эффекта (−7 + 45), получаем, что часы на спутниках убегают вперед на 38 микросекунд каждые сутки.
Казалось бы, ерунда? Нет. Свет (и радиосигнал) проходит за 38 микросекунд около 11 километров. Если бы инженеры не вносили поправку на теорию относительности в алгоритмы GPS, ошибка навигации накапливалась бы со скоростью 10 километров в день. Ваш навигатор показал бы, что вы находитесь в соседнем городе, а не на даче. Так что Эйнштейн буквально помогает вам не заблудиться.
Космонавты: путешественники во времени
А что с людьми? Российский космонавт Сергей Крикалёв провел на орбите в сумме 803 дня. Из-за высокой скорости движения МКС (около 27 600 км/ч) время для него текло чуть медленнее, чем для нас на Земле.
Расчеты показывают, что Сергей Крикалев «пропутешествовал в будущее» примерно на 0,02 секунды. То есть он биологически моложе своих сверстников на две сотых доли секунды.
Немного, но принцип работает. Если бы мы могли разогнаться до 99% скорости света, один год полета для экипажа равнялся бы семи годам на Земле.
Почему мы не можем полететь в прошлое?
С путешествием в будущее всё ясно: нужно просто быстро двигаться или находиться рядом с черной дырой (как в фильме «Интерстеллар»). Но прошлое...
Физики не запрещают путешествия в прошлое категорически (существуют гипотезы о кротовых норах), но они сталкиваются с фундаментальными проблемами причинности. Знаменитый «парадокс дедушки»: если вы вернетесь в прошлое и помешаете встрече своих предков, то вы не родитесь. Но если вы не родитесь, то кто вернется в прошлое?
На данный момент закон причинности кажется незыблемым. Стрела времени направлена только вперед, увеличивая энтропию Вселенной.
Заключение
Мы живем в удивительном мире, где время — это не жесткая рамка, а гибкая ткань, которую можно растянуть скоростью и гравитацией. Мы не можем построить машину времени из DeLorean, но мы уже используем искажения времени каждый день, проверяя маршрут до работы.
Так что в следующий раз, когда опаздываете, можете спокойно сказать: «Извините, я двигался слишком быстро, и моё время замедлилось». Правда, штраф за превышение скорости это вряд ли отменит, но зато звучит научно!
А как вы думаете, если бы у нас была возможность отправиться в путешествие к чёрной дыре и вернуться, стоило бы это цены в виде потерянных лет для близких? Делитесь мнениями в комментариях!