И один из его мысленных экспериментов, рожденных в том самом трамвае, произвел революцию в современной физике.
Эйнштейн представлял, что произойдет, если трамвай будет ехать со скоростью света. Смотря на башню с часами Эйнштейн понял, что если он будет путешествовать со скоростью 300 000 километров в секунду, стрелки часов, которые так торжественно двигались, будут казаться полностью застывшими.
В то же время Эйнштейн знал, что, если он вернется на башню с часами, их стрелки будут перемещаться обычным образом — время будет идти своим чередом. Однако для Эйнштейна в трамвае время замедлилось.
Он пришел к выводу, что чем быстрее вы будете двигаться в пространстве, тем медленнее вы будете двигаться во времени. Как такое вообще возможно?
Башня Zytglogge, Берн, Швейцария.
Изображение: Даниэль Швен / Wikimedia Commons)
Дилемма Эйнштейна
На Эйнштейна сильно повлияли работы двух великих физиков. Во-первых, были законы движения, обнаруженные его кумиром, Ньютоном, а во-вторых, были законы электромагнетизма, установленные Максвелом.
Однако две теории были противоречивыми. Максвелл постулировал, что скорость электромагнитной волны, такой как свет, фиксирована — невероятные 300 000 километров в секунду. Он утверждал, что это был фундаментальный закон Вселенной.
В то время как закон Ньютона подразумевал, что скорости всегда относительны. Скорость движения машины со скоростью 40 километров в час составляет 40 километров в час относительно стационарного наблюдателя, но только 20 километров в час относительно автомобиля, движущегося рядом с ним со скоростью 20 км/ч.
Или, 60 км / ч, если тот же автомобиль ехал в противоположном направлении. Эта концепция относительной скорости несовместима с очевидным фундаментальным фактом Максвелла при применении к скорости света. Это представляло для Эйнштейна тяжелую дилемму.
Противоречие заставило Эйнштейна сделать ошеломляющее, но в то же время одно из самых новаторских утверждений в истории физики - коллокацию утверждений, что, конечно же, не удивительно.
Чтобы понять противоречие и, следовательно, почему время замедляется, рассмотрим еще один гениальный мысленный эксперимент, один из лучших у Эйнштейна.
Он представил себе человека на платформе станции, по обе стороны от которого ударяют две молнии. Человек, стоя прямо посередине этих двух точек, наблюдает за полученными лучами света с обеих сторон одновременно.
Тем не менее, все становится странным, когда в то же время другой человек в поезде просматривает эту сцену, когда он проезжает мимо нее со скоростью света. Согласно законам движения, свет от молнии ближе к поезду достигнет человека раньше, чем свет от молнии дальше от поезда.
Измерение скорости света, производимого обоими людьми, будет отличаться по величине. Но как это возможно, если вспомнить, что скорость света, по мнению Максвелла, должна быть постоянной, независимо от движения наблюдателя — так называемый «фундаментальный» закон Вселенной?
Чтобы компенсировать это расхождение, Эйнштейн предположил, что само время замедляется, так что скорость света оставалась постоянной!
Время для человека в поезде проходило медленнее относительно времени для человека на платформе. Эйнштейн назвал это расширением времени.
Гравитационное время
Эйнштейн назвал свою теорию специальной теорией относительности. Это было что-то особенное, потому что оно касалось постоянных скоростей.
Чтобы примирить ее с реальным миром, где объекты все время ускорялись и замедлялись, ему нужно было исследовать последствия своей теории, когда речь шла об ускорении.
Эта попытка обобщить и объяснить все явления привела его к открытию взаимосвязи между временем и гравитацией; он назвал эту новопринятую теорию гравитации «Общая теория относительности».
Ньютон считал, что поток времени был как стрела; он двигался непоколебимо только в одном направлении — вперед. Эйнштейн в том трамвае предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. Фактически, Эйнштейн утверждал, что время дополняло пространство, в гибкой четырехмерной модели, на которой разворачивались события Космоса.
Он назвал эту модель пространством-временем (пространственно-временной континуум). Когда Эйнштейн опубликовал свою работу, он получил реакцию, которую можно было бы ожидать, когда будет опубликована такая феноменальная работа — недоверие.
Согласно общей теории относительности, материя растягивает и сжимает ткань пространства-времени, так что объекты таинственным образом не тянутся к центру Земли, а скорее отталкиваются вниз деформированным пространством над ними.
Имитируя наклон, кривизна пространства-времени ускоряет объекты, которые движутся вниз, хотя скорость этого ускорения не одинакова во всех точках. Сила тяжести сильнее по отношению к поверхности Земли, где кривизна более интенсивна, чем на ее окраинах.
Хотя это и не совсем корректно, аналогия батута — самый простой способ объяснить деформирование пространства-времени из-за присутствия большой массы.
Если сила тяжести возрастает по мере продвижения вниз, то свободный объект падает быстрее в точке на поверхности, скажем, точке B, чем на большей высоте, скажем, точке А.
Для объекта в свободном падении, согласно специальной теории относительности, время в B должно проходить относительно медленнее, чем оно будет проходить в A, потому что скорость объекта быстрее в точке B.
Что такое время?
Какое время тогда является правильным? Ну, ни одно из них. Эйнштейн выяснил, что нет абсолютного времени. Время является относительным в зависимости от системы сил, которым подчиняется, формально известной как система отсчета. Время, идущее в вашем собственной системе, известно как правильное время.
Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться, так что чем быстрее вы двигаетесь, тем медленнее ваши часы работают относительно других часов.
Это то, что Энн Хэтэуэй упоминала в фильме «Интерстеллар», когда она сказала Мэтью Макконахи, после посадки на далекую планету возле черной дыры: «Один час на этой планете равен семи годам на Земле.”
Еще раз обратимся к мысли Эйнштейна в трамвае. Является ли появление более медленных часов ограничением нашего примитивного сознания, или время действительно замедляется? И что означает замедление времени? Капризность времени заставляет нас спросить – а что такое само время? Это не простой вопрос — понятие времени озадачивало философов и физиков с древности.
Основной функцией времени является хронологическое отслеживание событий. Однако не считая последних 400 лет люди определяли время, исходя из предположения, что вокруг нас движутся и звезды, а не вращается вокруг Солнца.
Несмотря на неверное основание для своего вывода, «время» все равно работало хорошо. Это происходило так, потому что дни и времена года повторялись предсказуемо, а когда у вас есть что-то, что повторяется предсказуемо, у вас есть механизм хронометража.
Использовал рекурсивный характер такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможно без какой-либо ссылки на время. Однако это время никогда не было абсолютным.
Даже когда Ньютон формулировал законы движения, он использовал понятие времени, в котором двое часов не идут с абсолютным, независимым временем, а, скорее, они зависимы друг с другом. Синхронизация — причина, по которой мы построили очень сложные и точные атомные часы.
Такое понятие времени строится на одновременности или критическом совпадении двух событий, таких как прибытие поезда и уникальное выравнивание стрелок часов, когда поезд прибывает на станцию.
Теория Эйнштейна утверждает, что эти совпадения должны зависеть от того, как человек движется. Если два наблюдателя на платформе и в поезде не могут договориться о том, что происходит одновременно, они не могут договориться о том, как течет само время!
Для понимания влияния движения рассмотрим простейший механизм хронометража. Представьте себе хронометражный аппарат, состоящий из фотона, который отражается взад и вперед между двумя удаленными зеркалами.
Давайте согласимся, что одна секунда проходит каждый раз, когда фотон отражается. Теперь повесьте двое таких часов в точках A и B выше и на поверхности Земли (обсуждалось в предыдущем разделе ), и пусть они измеряют время, когда свободно падающий объект пролетает мимо них.
Свободно падающий объект измеряет время, проходящее в его собственной системе отсчета с аналогичными часами. Что они измеряют?
Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами аналогично наблюдению теннисного мяча, прыгающего в движущемся поезде.
Несмотря на то, что мяч прыгает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя вне его, мяч отскакивает триангулярно (в треугольниках).
Когда устройство движется вперед, фотон после начала движения, подобно шару, перемещается на большее расстояние после его отражения. Поэтому наше измерение времени исказилось! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем дольше фотон отражается, тем самым растягивая длительность секунды!
Вот почему течение времени в точке B оказывается медленнее, чем в точке A (вспомните, как из-за силы тяжести объект падает быстрее в точке B, чем в точке A). Эта графика показывает треугольное движение фотона и, следовательно, задержку времени.
Конечно, разница бесконечно мала. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, составляет наносекунды. Тем не менее, открытие Эйнштейна — не что иное, как великое событие.
Действительно препятствует потоку времени, что означает, что чем более массивный объект, тем медленнее течет время в его окрестностях.
Замедление времени влияет на каждый процесс, независимо от того, зависит ли оно от простейшего электромагнитного явления или сложной комбинации электромагнетизма и законов движения Ньютона.
Общность универсальности относительности обеспечивает это. На самом деле даже биологические процессы, а следовательно, и время, изменяется. Да … и наша голова немного старше наших ног!
Юрий Гагарин провел в полете один час и сорок восемь минут. Но этот краткий промежуток времени в корне изменил представления человечества о том, что возможно, а что невозможно. Далекий космос стал ближе, а звезды теперь стали сиять особым манящим блеском. Не только жители СССР, но и весь мир рукоплескал первому человеку, так высоко поднявшемуся над поверхностью планеты.
Ни один из ведущих специалистов не мог дать ответ на эти и другие вопросы. Только практика могла подтвердить правильность предположений ученых. Успешный полет Гагарина развеял опасения специалистов, для которых исторические сто восемь минут превратились в нескончаемое томительное ожидание.
Почему полет состоялся 12 апреля? Время для старта советского космического аппарата было выбрано осознанно. Советское руководство располагало сведениями, что на последние числа апреля того же года первый старт аппарата с человеком на борту наметили американцы. В условиях жесткого соревнования двух мировых систем было принято решение опередить заокеанских коллег. Отдавать им первенство в деле
В наше время известное выражение про реку, в которую нельзя войти дважды, актуально как никогда. Порой, прогуливаясь по тихой улочке, еще неделю назад казавшейся такой знакомой, с удивлением замечаешь, будто идешь по совершенно чужому городу - настолько кардинально и быстро меняется облик современных мегаполисов. Тем не менее есть на Земле места, в которых время если не повернулось вспять, то по крайней мере на долгие годы остановилось - предлагаем вам отправиться в путешествие по самым тихим и безлюдным уголкам нашей планеты, где когда-то бурлила жизнь.
(Всего 21 фото)
Ткварчели, Грузия
1. Город, некогда бывший оживленным промышленным центром, в настоящее время является частью независимой Республики Абхазия, однако ее легитимность признается лишь четырьмя странами, состоящими в ООН, остальные считают регион частью Грузии, оккупированной Россией.
Ткварчели был основан в 1940-х годах, и всего за несколько лет город превратился в один из региональных центров по добыче и обработке угля. При советской власти Ткварчели активно развивался и процветал, однако распад СССР и последовавшая вслед за ним грузино-абхазская война нанесла экономике города значительный урон. Объемы промышленного производства упали почти в 10 раз, все больше жителей уезжали, в результате чего Ткварчели превратился в захолустный горный городок, о временах былого расцвета которого напоминают только полуразвалившиеся здания, заросшие буйной южной растительностью. Сейчас в Ткварчели (другой вариант названия - Ткуарчал) проживает около 5 тысяч человек, туристам город понравится обилием потрясающих горных пейзажей и чудесным климатом, однако отдыхающим стоит позаботиться о ночлеге - гостиниц в городе нет.
Остров Хасима, Япония
2. Этот клочок суши, расположенный в Восточно-Китайском море, также известен под прозвищем Гункандзима (в пер. яп. - «Крейсер») - при взгляде с моря силуэт острова напоминает военный корабль.
3. В начале XIX века на Хасиме обнаружили богатые залежи угля и власти Страны восходящего солнца начали активно осваивать перспективный промышленный регион. За считанные годы на острове появились множество угольных шахт (в том числе уходящих на глубину ниже уровня моря) и несколько военных заводов. В годы своего расцвета Хасима был одним из самых густонаселенных мест на планете - по данным 1959 года, плотность населения достигала 5259 человек на 1 км². Надо сказать, условия труда и жизни на острове были далеки от курортных - многие военнопленные китайцы и корейцы, которых компания Mitsubishi Corporation привезла на Хасиму для работы на подводных шахтах, погибли.
4. В 1960-х годах началась переориентация промышленных предприятий Японии с угольного топлива на нефть, добыча угля на Гункандзиме стала убыточной, и в 1974-м году Mitsubishi была вынуждена закрыть все шахты. За несколько недель оживленный остров превратился в безлюдное поселение-призрак и остается им до сих пор.
Китсолт, Канада
5. В городе Китсолт, расположенном в канадской провинции Британская Колумбия, в нескольких десятках километров от границы с Аляской, есть все, что нужно небольшому населенному пункту, - сотни домов, больница, кинотеатр, спорткомплекс, банк и торговый центр. Единственное, чего не хватает Китсолту, - жители.
Китсолт появился в 1979 году, градообразующим предприятием для него стал рудник по добыче молибдена, месторождения которого геологи обнаружили незадолго до этого. Пока стоимость молибдена на рынке металлов оставалась достаточно высокой, город жил, однако идиллия оказалась не слишком долгой - в 1982-м произошел обвал цен, и Китсолт практически в одночасье опустел.
В 2004 году один из американских предпринимателей выкупил территорию города за $5 млн - по его мнению, Китсолт можно вернуть к жизни. Время покажет, удастся ли энтузиасту осуществить задуманное, однако перспективы этого бизнес-плана представляются сомнительными.
Парижская «капсула времени»
6. Вероятно, вы знаете, что такое «капсула времени» - что-то вроде письма самому себе и всему человечеству, которое следует вскрыть через определенный промежуток времени. В отличие от простых «писем в будущее» «капсулы времени» содержат не только текстовое послание, но и некоторые предметы, характеризующие время, когда «капсула» была запечатана. Чаще всего «капсулы времени» создаются намеренно, однако порой люди находят случайные «приветы из прошлого», которые никто и никогда не думал отправлять потомкам - о них просто долгое время не вспоминали, как об одной обнаруженной недавно парижской квартире.
В 1930-х годах жилище принадлежало некоей миссис де Флориан, которая покинула Париж в 1939-м, за несколько недель до начала Второй Мировой войны. Хозяйке не суждено было вернуться, поэтому квартира оставалась запертой более 70-ти лет, пока о ней не узнали наследники госпожи де Флориан. Среди имущества, находившегося в квартире, кроме всего прочего, обнаружили картину, принадлежащую кисти известного итальянского художника XIX века Джованни Больдини. По некоторым данным, изображенная на полотне очаровательная женщина в розовом вечернем плате - не кто иная, как знаменитая актриса и куртизанка Марта де Флориан, бабушка последней хозяйки квартиры.
Дом-памятник Бузлуджа, Болгария
7. Сооружение, с виду напоминающее гигантское бетонное блюдце или летающую тарелку, «припаркованную» на вершине горы, представляет собой монумент, воздвигнутый в 1980-х годах в честь Болгарской коммунистической партии.
9. Дом-памятник можно назвать типичным шедевром советской архитектурной мысли: стены здания богато украшены советской символикой, в том числе прекрасными мозаиками, изображающими различные сцены из жизни болгарского народа. Расположенные в центре купола огромные «серп и молот» логично завершают и дополняют пафосную эстетику оформленного в лучших социалистических традициях интерьера.
10. К сожалению, после роспуска в 1989 году Болгарской коммунистической партии самобытное здание оказалось никому не нужным и быстро пришло в запустение.
Дойл, Бельгия
11. История небольшого бельгийского городка Дойл насчитывает более 700 лет, однако в последние годы правительство страны активно переселяет его жителей в связи с планами по расширению близлежащего морского порта, поэтому вероятнее всего, в скором времени город превратится в поселение-призрак. Некоторые обитатели Дойла высказываются против переселения, в городе проводятся различные акции протеста, а стены его зданий стали объектом творчества для многих европейских уличных художников, выступающих за сохранение города.
12. Сейчас Дойл похож на огромную художественную галерею под отрытым небом, контраст между древними зданиями и современными граффити одновременно ужасает и поражает воображение. Сотни арт-объектов превратили Дойл в излюбленное место паломничества поклонников современного искусства, но, скорее всего, его дни в качестве населенного пункта сочтены - в настоящее время здесь постоянно живут лишь 25 человек, при этом решение о сносе города никто не отменял.
Курорт «Коко-Палмс», штат Гавайи, США
Курорт появился в 1953 году, снимавшийся здесь фильм «Мисс Сэди Томпсон» обеспечил ему популярность среди отдыхающих, однако поток туристов 1950-х - ничто по сравнению с лавиной поклонников «короля рок-н-ролла», которая хлынула на остров после премьеры фильма с Пресли. На протяжении десятилетий «Коко-Палмс» был одним из самых популярных гавайских курортов, и казалось, так будет продолжаться вечно, но… В 1992 году Гавайи посетил Иники - печально известный ураган, который нанес непоправимый ущерб островам архипелага. Требуемая на восстановление курорта сумма была так велика, что страховые компании отказались покрывать ущерб и объявили о своем банкротстве, так что славное рок-н-ролльное прошлое «Коко-Палмс», увы, стало частью истории.
В последнее время все чаще звучат предложения возродить курорт, однако практических шагов по реализации этого похвального намерения пока нет.
Каньон-Лодж, штат Аризона, США
15. Печальная и поучительная история поселения Каьон-Лодж началась в 1920-х годах. Только-только появившееся шоссе под номером 66 (его еще называют «Мать Дорог» или «Главная улица Америки») быстро завоевывало любовь автомобилистов, многие из них останавливались на отдых в местечке Каньон-Лодж, которое по большому счету представляло собой лишь небольшой магазин, принадлежавший Эрлу и Луизе Кандифф. Путешественников на шоссе 66 становилось все больше, прибыли супругов росли, в результате чего на Каньон-Лодж обратил внимание предприниматель Гарри Миллер по прозвищу «Два Ствола». Делец убедил супружескую чету сдать ему землю в аренду сроком на десять лет, после чего начал работы по превращению Каньон-Лодж в туристический рай со множеством достопримечательностей и даже зоопарком.
Одной из главных приманок для туристов Миллер считал расположенный неподалеку от города каньон, где в незапамятные времена произошла битва между племенами апачей и навахо. По мнению Гарри, реальные исторические события были недостаточно привлекательными для туристов, поэтому он решил подогреть интерес к Каньон-Лодж по-своему - силами его рабочих около города возникли «древние развалины», была налажена торговля поддельными останками индейцев, а в так называемой «Пещере Смерти», служащей усыпальницей для 42 воинов-апачей, даже появились автоматы с газировкой, само захоронение было переименовано в «Таинственную Пещеру».
Попытка нажиться на мертвых не сошла Миллеру с рук - городок навестили грабители, после чего состоялся неприятный разговор между предпринимателем и четой Кандифф. Кульминацией спора стал выстрел - вспыльчивый бизнесмен уложил Эрла на месте. Невероятно, но суд оправдал Гарри, однако его злоключения на этом не закончились: вскоре после этого на него дважды напала пума, кроме этого, Миллера укусил аризонский ядозуб - ядовитая ящерица, укусы которой для человека, как правило, не смертельны, но бывают очень болезненными. В 1929 году пожар уничтожил Каньон-Лодж практически дотла, предпринимателю не удалось в суде доказать свое право на эти земли, и Миллер перестал заниматься городом. После того как шоссе 66 изменило свое направление, Каньон-Лодж остался в стороне от оживленного маршрута и быстро пришел в упадок.
«Кинотеатр конца света», Египет
16. Посреди Синайской пустыни расположен, вероятно, самый редко посещаемый кинотеатр в мире - его единственный зал до сих пор не видел ни одного посетителя.
17. Столь странное место для постройки кинотеатра выбрал французский меценат, которому почему-то показалось, что лучше всего наслаждаться фильмами среди безлюдных песчаных холмов Синая.
18. Предприниматель сумел получить разрешение на строительство, добыл нужное оборудование, однако после завершения работ в 1990 году выяснилось (сюрприз!), что публика не очень-то хочет драться за билеты в новый кинотеатр - иными словами, здание оказалось никому не нужным, ни одного фильма в нем так и не показали.
«Калифорнийская Ривьера», США
19. Курорты озера Солтон-Си выглядят как фантазия на тему постапокалиптического будущего - заброшенные туристические домики и ни единой души вокруг, кроме разросшихся представителей местной флоры.
20. Солтон-Си появилось можно сказать, случайно. Тысячи лет озера как такового не существовало - местность регулярно пересыхала и наполнялась водой, однако в начале XX века из-за невнимательности фермеров, прокладывавших ирригационные каналы для орошения полей, воды реки Колорадо хлынули в низину, в результате чего и возник постоянный водоем, получивший название Солтон-Си.
21. Многие полагали, что озеро быстро высохнет, однако шли годы, уровень воды не падал, и несколько предприимчивых энтузиастов решили превратить берега озера в аналог французской Ривьеры. Однако амбициозным планам не суждено было сбыться - из-за особенностей системы водоснабжения озера соленость его воды увеличивалась из года в год и в один прекрасный момент достигла такого уровня, что все живое в Солтон-Си начало умирать. Мало кто из туристов был готов делить пляжи с миллионами зловонных рыбьих трупов, поэтому популярность «Калифорнийской Ривьеры» быстро сошла на нет.
Научный мир облетела сенсация - из нашей Вселенной испаряется время. Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют "атомными часами". Первые атомные часы появились в середине XX века одновременно с космонавтикой. Сегодня их главные потребители - навигация и цифровая связь.
В космосе и на Земле время течёт по-разному. Как утверждают ученые, из-за гравитации. Чем она сильнее, тем медленнее будет идти время. Например, на МКС, которая вращается вокруг Земли на низкой орбите, время на доли секунды течет быстрее, чем на планете. Еще быстрее ход времени у спутников, работающих на высоких геостационарных орбитах.
"Изменение течения времени на станции мы не ощущаем. Потому что летаем мы не на больших высотах и не так далеко от Земли, всего лишь 400-420 километров. И, конечно, если эти изменения есть на какие-то миллисекунды, мы этого никогда не почувствуем", — рассказал космонавт-испытатель отряда космонавтов Роскосмоса Сергей Рязанский.
По теории относительности Вселенная расширяется с ускорением, которое ей придает таинственная "тёмная энергия". Точного определения этому загадочному явлению пока нет. Но есть мнение, что это связано с процессом замедления времени, которое мы воспринимаем как расширение Вселенной.
По словам ведущего научного сотрудника ГАИШ Сергея Попова, время течет по-разному в разных гравитационных полях. Чем ближе к центру Земли, тем больше величина гравитационного поля. Соответственно, на поверхности Солнца время течет не так, как на расстоянии 10 миллионов километров от его поверхности.
С помощью водородных стандартов частоты, которые еще называют "атомными часами", учёные изучают воздействие гравитации. Установленные на космических аппаратах они приводят земное и космическое время к единому знаменателю, то есть синхронизируют.
"Сейчас только у ленивого нет мобильного телефона, но никто не задумывается над тем, чтобы он работал, станции, которые образуют сеть, должны быть жестко синхронизированы по времени. Речь идет о миллионных долях секунды", — отметил начальник лаборатории системы эталонов ВНИИФТРИ Николай Кошеляевский.
Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Первые атомные часы появились в середине XX века. Сегодня его главные потребители - навигация и цифровая связь. Водородными стандартами частоты оснащены все спутники ГЛОНАСС. "Оно пронизало всю инфраструктуру, весь транспорт, все системы связи, синхронизации", — подчеркивает Кошеляевский.
Российский эталон точного времени "хранится" в Подмосковье. В научном институте физико-технических и радиотехнических измерений. В мире таких атомных часов 450. Они задают международный стандарт времени.
Сегодня в мире монополисты на точное время две страны - Россия и США. Но если в Америке атомные часы на основе цезия, радиоактивного металла, то в России - на основе водорода, элемента более безопасного и долговечного. Большая часть этих приборов рождается в Нижнем Новгороде. В год здесь выпускают до 20 атомных часов.
У них нет циферблата и стрелок. Этот прибор напоминает железную бочку с проводами. Внутри которой самые передовые технологии - высокоточная радиоизмерительная аппаратура с атомным стандартом. "Атом водорода получается в источнике водорода. Затем поступает молекулярный водород, подается высокочастотное поле и получается низкомолекулярная плазма. Где молекула водорода разваливается на два атома", — рассказал начальник отделения стандартов и эталонов частоты предприятия "Время Ч" Николай Демидов.
Сердце атомного стандарта - специальный источник, в котором хранится водород. Воздействуя на атомы водорода с помощью электромагнитного поля, получают сигнал. Это видно по ярко-малиновому свечению. Затем водород попадает в кварцевую колбу и излучает квант радиоволны.
Материалы, из которых сделаны атомные часы, включают десятки наименований: железо, серебро и кварц, алюминий и кремний. Такой набор не случаен: все материалы уникальны по природным свойствам и каждый играет свою роль. Совершенно удивительным свойством обладает никель. По словам начальника отделения предприятия "Время Ч", "если никелевую тоненькую пластинку нагреть, то, оказывается, сквозь нее прекрасно проходит водород. И никакие другие газы".
Все детали часов тщательно проверяют, ведь не каждый металл выдержит условия вакуума и космической радиации. Надежность приборов рассчитывают с помощью математических моделей.
Перед сборкой все детали атомных часов проходят многоступенчатую обработку. Сначала металл очищают от грязи, щелочи и жира. Для атомного стандарта высочайшие требования стерильности. Затем температурные испытания от минус 50 до плюс 50. Потом установленный на платформу прибор тестируют в условиях вакуума.
Несколько лет назад нижегородцы выполнили заказ Астрокосмического центра Академии наук. И теперь водородные стандарты частоты работают на спутнике "Спектр-Р2 с телескопом "Радиоастрон". Он уже четыре года изучает в режиме интерферометра "темную энергию" и материю Вселенной.
"Впервые активный стандарт частоты успешно работает в космосе на протяжении уже почти 4-х лет, собственно, благодаря тому, что мы запустили такие точные часы в космос, стабильность их находится на уровне 10-14 секунды или по-человечески они уходят на одну секунду за много миллионов лет", рассказал руководитель научной программы "Радиоастрон" Юрий Ковалёв.
Такой же прибор будет установлен и на аппарате Роскосмоса "Спектр-М" с российским космическим телескопом "Миллиметрон". Главное отличие от "Радиоастрона" - новая космическая обсерватория будет работать в другом диапазоне волн.
"Миллиметрон" увидит, как формируются звезды и экзопланеты. И самое главное - заглянет за краешек черной дыры в центре нашей галактики. Именно там, по мнению ученых, из-за чудовищной силы гравитации время почти останавливается.
Различное течение времени в движущихся друг относительно друга инерциальных системах можно проверить наглядным экспериментом. Из космического пространства в атмосферу Земли проникают очень быстрые атомные ядра, главным образом ядра водорода и гелия. Энергия таких космических частиц очень велика. При столкновении ядер большой энергии с атомами газов атмосферы образуются ливни новых частиц, которые содержат различные элементарные частицы. В числе прочих частиц образуются и так называемые тяжелые электроны, или мюоны. Эти частицы не стабильны. Вскоре после образования каждый мюон распадается на электрон (или позитрон) и нейтрино. Среднее время жизни покоящегося мюона несколько больше двух миллионных секунды. Если же измерять время жизни мюона, движущегося с большой скоростью, то получим значительно большее время жизни.
В принципе такие измерения просты. В настоящее время имеются различные установки, позволяющие считать отдельные элементарные частицы или же сделать видимыми их следы и сфотографировать их.
Мы здесь не будем описывать детально методики опытов, позволяющих определить время жизни мюонов. Расскажем лишь о самых существенных результатах, которые получаются после обработки эксперимента. Оказывается, что мюон, движущийся, например, со скоростью 300 км/сек, проходит до распада путь длиной в 6 мм , а мюон, движущийся, например, со скоростью 290 000 км/сек , проходит до распада в среднем путь длиной 2,3 км . Простые расчеты показывают, что в первом случае среднее время жизни мюона составляет 2 миллионных секунды, во втором случае — 8 миллионных секунды.
Почему движущийся с большой скоростью мюон живет в четыре раза дольше? Причина ясна. Мы измеряем время жизни движущегося мюона с помощью часов, находящихся на земной поверхности, все же процессы, происходящие с мюоном, регулируются воображаемыми «часами», движущимися вместе с мюоном. Эти «часы» и определяют момент распада мюона. «Часы» мюона (движущиеся часы) идут медленнее лабораторных (неподвижных) часов. Чтобы по часам мюона истекло 2 миллионных секунды, на лабораторных часах должно пройти больше времени: если скорость мюона равна 290 000 км/сек , часы мюона идут в четыре раза медленнее лабораторных часов. Это значит, что движущийся с такой скоростью мюон будет в четыре раза стабильнее покоящегося мюона. Многочисленные опыты, проведенные с элементарными частицами, подтверждают, что в движущейся системе время течет медленнее, чем в покоящейся системе: движущиеся часы идут медленнее.
Увеличение времени жизни мюона при его движении с большой скоростью не связано со свойствами самого мюона, а является только следствием физических свойств времени. Следовательно, такое же явление должно иметь место не только для элементарных частиц, но и для любых тел, приборов и для живых существ.
Длительность жизни человека, к сожалению, невелика. Однако благодаря открытым теорией относительности свойствам времени, он имеет возможность за время своей относительно короткой жизни предпринять, по крайней мере в принципе, весьма и весьма длительные космические путешествия. Рассмотрим некоторые примеры.
Как идёт время в космосе? Если космический корабль будет двигаться прямолинейно со скоростью 100 км/ с ек, то за 50 лет он пройдет путь, равный расстоянию всего в 0,02 световых года. Если скорость космического корабля будет равна 100 000 км/сек, то за 50 лет (в системе отсчета корабля) он пролетит расстояние 17,9 световых лет (на Земле за время этого рейса пройдет немного больше 53 лет). Если космический корабль будет иметь скорость 290 000 км/сек, то за 50 лет (по часам космического корабля) он покроет расстояние в 193,4 световых года (на Земле за это время пройдет уже 198 лет). Если экипаж космического корабля будет лететь со скоростью 299 780 км/сек, то за 50 лет (по часам космического корабля) он удалится от Земли на 6205 световых лет (за это время космонавты на корабле состарятся на 50 лет). В космическом корабле будут жить все те же люди, а на Земле со времени их старта пройдет 6130 лет, за это время на Земле сменятся сотни поколений людей. Таким образом, человек в принципе может пролететь за время своей жизни такое огромное расстояние, для покрытия которого, даже для самого быстрого явления в природе — света, требуются тысячи лет. Чем ближе будет скорость космического корабля к скорости света, тем дальше в мировое пространство сможет долететь человек за время своей жизни — такая возможность принципиально есть. Никаких противоречий эта возможность в себе не содержит.
Оставшиеся на Земле скажут: у летящего с большой скоростью экипажа время течет медленнее, чем на Земле. Все процессы природы, в том числе и движения человека, мышление и жизненные процессы, будут происходить в таком космическом корабле медленнее, чем на Земле. И стареть человек будет в таком корабле медленнее. Благодаря этому он и может в принципе за время своей жизни пролететь огромные космические расстояния.
Для экипажа космического корабля замедленного течения времени не существует. Ритм их жизни будет нормальный. Однако они заметят, что расстояние от Земли до космического объекта назначения короче, чем это утверждали живущие на Земле люди. Сокращение длины будет обусловлено тем, что Земля и космический объект, к которому направляется космический корабль, движутся по отношению к кораблю с большой скоростью (см. § 8). Космонавтам будет совершенно ясно, как им удастся долететь до космического объекта, который для находящихся на Земле отстоит на тысячи световых лет. В этом им будет помогать сокращение длины при больших скоростях.
Нет никаких сомнений, что описанные выше дальние космические полеты принципиально вполне осуществимы. Опыты с мюонами и другими элементарными частицами являются непосредственным контролем возможности таких космических полетов.
Несколько сложнее, если такой сверхбыстрый космический корабль движется не равномерно и прямолинейно, а в конце своего рейса возвращается обратно на Землю. Космонавты окажутся современниками своих далеких потомков. По мнению космонавтов, они попадут в будущее человечества. Находящиеся же на Земле люди, в свою очередь, будут утверждать, что вернувшиеся космонавты отстали от времени и живут в прошлом... Положение кажется парадоксальным.
Парадокс, связанный с этим эффектом, называется парадоксом часов. Его можно сформулировать следующим образом: если двое синхронизированных часов покидают одну и ту же точку пространства и движутся с различными скоростями, то они показывают при встрече различное время. Это означает, например, что близнецы, двигавшиеся в пространстве с различными скоростями, при встрече не будут уже одного возраста. Эти явления лишь кажутся парадоксальными, по существу они совершенно естественно вытекают из теории относительности.
Перемещение в будущее в принципе вполне возможно — так говорит теория. Правда, ни одного прямого эксперимента, который имитировал бы возвращение космического корабля и сравнение разницы часов Земли и корабля, пока не удалось поставить даже с элементарными частицами. Принципиально же в проявлении парадокса часов не может быть никаких сомнений — так считают все выдающиеся специалисты теории относительности.
Скептики рассуждают обычно так. Допустим, что космический корабль сделал в мировом пространстве круг и вернулся обратно на Землю. Сравнение часов показало, что часы космического корабля отстали от земных часов. Но это же самое событие мы можем описывать и в системе отсчета, связанной с космическим кораблем. Тогда получим картину движения такой, как ее видят космические путешественники: Земля удаляется от космического корабля, совершает в мировом пространстве круг и возвращается обратно к космическому кораблю. Движущейся системой на этот раз была Земля. Следовательно, мы должны сказать, что земные часы отстали от часов космического корабля. Мы пришли к противоречию. Поэтому в действительности парадокса часов вообще не может быть. Приведенное рассуждение неверно. Земля и космический корабль, как системы отсчета, не равноправны. Земля все время остается инерциальной системой, космический же корабль, который то разгоняется, то тормозит, — нет. Так как инерциальные системы по отношению к другим системам отсчета находятся в предпочтительном положении, то рассуждение можно проводить только в связанной с Землей системой отсчета.
Чтобы точно ответить, на сколько отстали часы на вернувшемся на Землю космическом корабле от земных часов, нужно еще установить, как действуют на ход часов ускорение и замедление космического корабля. Эти проблемы относятся уже к излагаемой в следующей главе общей теории относительности. Забегая вперед, скажем, что некоторые осуществленные в 1960 г. опыты показывают: часы, движущиеся ускоренно, идут медленнее, чем покоящиеся часы. Тем самым ускорение и торможение корабля не могут воспрепятствовать замедлению процесса старения космонавтов во время полета..
Таким образом, анализ показывает, что перемещение в будущее принципиально возможно с помощью сверхбыстрых космических полетов. Но осуществимо ли это на практике?
Предположим, что мы садимся в космический корабль, двигатели которого сообщают ему ускорение 20 м/се к 2 . Двигаясь все время прямолинейно с таким ускорением, космический корабль через год, прошедший на Земле, уже наберет скорость 270 000 км/сек. (От Земля за это время космический корабль удалится на расстояние 0,6 световых года, т. е. пройдет путь в тысячу раз больший расстояния между Землей и планетой Плутоном). Затем начнем тормозить корабль, на что пойдет еще один год, в течение которого корабль удалится от Земли еще на 0,6 световых года. Обратный путь на Землю при тех же условиях займет также два года. Люди, оставшиеся на Земле, будут считать, что полет продолжался четыре года, тогда как вычисления участников полета покажут, что они отсутствовали не больше двух лет и десяти месяцев. Осуществив такой космический полет, нам удалось бы «сдвинуть» свою жизнь вперед на год и два месяца.
Космический полет, который необходимо предпринять даже для такого маленького «сдвига» времени жизни, находится вне всяких границ реальных возможностей сегодняшнего дня. Количество горючего, которое израсходовали бы двигатели космического корабля за эти четыре года, фантастически велико. Если же двигатели корабля будут работать меньшее время, то скорость корабля останется настолько малой, что, предпринимая полет, в нем не удастся сколько-нибудь заметно «передвинуть» время жизни.
Простой расчет показывает, что кинетическая энергия движения 5-тонного космического корабля, который летит со скоростью 250000 км/сек, составляет примерно 100 000 000 000 000 кв т . час. Это сравнимо с теперешним мировым производством энергии за год. При этом следует также учесть, что космический корабль, отправляясь в полет, должен взять с собой весь запас горючего, на ускорение которого также придется затратить дополнительную энергию. Далее, энергия необходима, чтобы затормозить космический корабль по прибытии в намеченное место. Все это показывает, что рекомендуемый теорией относительности? способ перенестись в будущее практически не так просто осуществить. В принципе же мы имеем здесь дело с увлекательнейшей возможностью.
У читателя теперь может возникнуть вопрос: если теория относительности указывает принципиальную возможность попасть в будущее (для этого нужно «только» осуществить сверхбыстрый космический полет), не указывает ли она также возможности переместиться в прошлое? Нет, не указывает. Такое путешествие в прошлое невозможно. Почему же? Почему будущее находится в предпочтительном отношении по сравнению с прошлым? Причина здесь простая. Часы путешественника всегда идут медленнее, чем неподвижные, они никогда не идут быстрее. Но это можно понять и с точки зрения причинности. Если мы решили перенестись в будущее, то тем самым должны принять активное участие в грядущих событиях и в большей или меньшей мере воздействовать на эти события. Если мы оказываем влияние на события будущего, то в этом нет ничего странного или противоречащего существующей в природе причинности. Иное дело, если мы каким-либо способом смогли бы осуществить путешествие в прошлое. Тогда мы смогли бы принять участие в событиях, которые произошли в прошлом. Наше участие могло бы даже изменить результаты этих событий, что, однако, абсурдно, так как результаты событий, происшедших в прошлом, уже давно зафиксированы историей. Приведем один пример. Если бы нам каким-либо способом удалось перенестись в прошлое, то мы смогли бы попасть с нашими современными знаниями, скажем, в 1887 год и присутствовать при постановке опыта Майкельсона — Морли. Мы могли бы уже тогда объяснить результаты этого опыта с позиции теории относительности и этим изменить весь последующий ход развития физики. Но это абсурдно, так как совершившееся уже никак нельзя изменить. Этот пример ясно иллюстрирует, что путешествие в прошлое ведет к абсурдным результатам. Однако возможно, хотя бы в принципе, путешествие в будущее.