Нереальная реальность – 2. Книга вторая. Настоящее

Андрей Владимирович Кананин

«Нереальная реальность» – фундаментальный научно-публицистический труд. Во второй части трилогии «Настоящее» А. Кананин рассказывает о современном научном взгляде на мир, в популярной и доступной форме излагает основы наиболее значимых теорий, объясняющих законы природы. Особое внимание уделено разгадкам чудес квантовой физики и вопросам, связанным с феноменами разумной жизни и сознания.

Глава 4. Теория относительности Эйнштейна

Свет — это вечный странник Вселенной. В обычных условиях он никогда не останавливается, постоянно путешествуя сквозь космическое пространство с максимально возможной в природе скоростью.

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.

Эйнштейн открыл, что пространство и время, которые до него казались абсолютными и независимыми, на самом деле тесно взаимосвязаны между собой и являются относительными. Фундаментальные физические свойства Вселенной напрямую связаны друг с другом.

Самое знаменитое уравнение Эйнштейна — E=mc² — наглядно демонстрирует эту связь.

Энергия (E) и масса (m) не являются независимыми. Зная массу, можно определить энергию объекта, умножив её на квадрат скорости света. Зная энергию, аналогично можно установить массу. Таким образом, энергия и масса взаимозаменяемы. А поскольку квадрат скорости света — огромное число, то в очень маленькой массе можно сосредоточить гигантский объём энергии. Это две стороны одной медали. Энергия — это освобождённая материя, а материя — это огромное сосредоточение энергии, дожидающейся своего часа.

К сожалению, человечество уже знает о мощи, скрытой в формуле E=mc² не только теоретически, испытав последствия атомных взрывов, когда в сокрушительную энергию превращались всего-то граммы радиоактивного вещества. Внутри такого небольшого материального объекта как ваше тело, заключено 7х10¹⁸ джоулей энергии. Это очень много. Если одномоментно высвободить такую энергию, то взорвётся несколько десятков водородных бомб.

В специальной литературе пространство и время, как правило, неразделимы и формулируются термином «пространство-время» как единый континуум. Нам с вами достаточно понимать это в том смысле, что нечто, верное и применимое для пространства, таким же образом истинно для времени.

Грандиозность выводов Эйнштейна заключается в том, что великому физику удалось доказать: наше мировоззрение неполно, интуитивно мы не ощущаем всё многообразие окружающего нас мира. Мы слишком медлительны, чтобы постичь истинную суть пространства-времени. Теория относительности Эйнштейна разгадала загадку и раскрыла нам природу фундаментальных характеристик Вселенной.

Постулаты специальной теории относительности поначалу привели к «невозможным» для учёных начала XX века следствиям. Тот факт, что ничто не способно превысить скорость света вступал в прямое противоречие не просто с отдельными законами, а с основой основ физики — теорией всемирного тяготения Исаака Ньютона³. В чём суть возникшей коллизии?

Наш субъективный опыт уверенно подсказывает нам, что сила тяжести — явление повсеместное. Она удерживает нас с вами на Земле, а Землю на орбите вокруг Солнца. Закону всемирного тяготения беспрекословно подчиняются все материальные тела во Вселенной. В самых отдалённых галактиках планеты движутся вокруг звёзд точно также, как в нашей Солнечной системе.

Любая материя испытывает воздействие силы тяжести. Чем больше масса тела — тем больше сила взаимного притяжения. Однако, она уменьшается, если между массивными телами увеличивается расстояние. Соответственно, сила притяжения по теории Ньютона зависит исключительно от массы тел и расстояния между ними. В этом весь казус.

Теория всемирного тяготения предполагает, что если изменится масса объектов или дистанция между ними, то тела мгновенно отреагируют. Сила взаимного гравитационного притяжения возрастёт, либо ослабнет немедленно. Как же быть с тем фактом, что в соответствии со специальной теорией относительности абсолютным пределом является скорость света? Возникает нестыковка.

Если предположить, что Солнце внезапно исчезнет, то, согласно Ньютону, Земля мгновенно сойдет со своей орбиты, поскольку притяжение материнской звезды пропадёт. Но, согласно Эйнштейну, никакие данные, в том числе возмущения сил тяготения, не могут распространятся быстрее света. А свет достигает Земли от Солнца только через восемь минут.

Эйнштейн смог разрешить это противоречие. Он догадался, что в его теорию необходимо включить гравитацию. И что гравитация напрямую связана с движением.

Более того, он установил, что по своей сути они неотличимы. Сила, которая ощущается от гравитации — это та же самая сила, которая ощущается от ускорения. Поэтому, если вы ощущаете гравитацию, вы должны ускоряться.

Эйнштейн назвал этот постулат принципом эквивалентности. Он лёг в основу общей теории относительности, которая смогла объединить гравитацию и движение. Объединение базируется на ещё одном удивительном свойстве природы — кривизне пространства-времени. К искривлению приводит именно ускоренное движение.

Когда Эйнштейн установил, что ускоренное движение связано с искривлением пространства-времени, он понял каким образом работает сила притяжения. Учёный догадался, что гравитация есть ничто иное, как искривление пространства и времени. В результате, специальная теория относительности не только не отменила классическую механику Ньютона, а значительно усовершенствовала и расширила её.

В отсутствии материи или энергии пространство-время гладкое, не имеющее деформаций, «впадин» и «бугров». Но такие массивные объекты, как звёзды и планеты, искривляют вокруг себя саму его структуру. Пространство деформируется. Как будто твёрдый шар положили на упругое и тонкое резиновое полотно. Поэтому пространство во Вселенной — это не пустота. Это динамичная структура, форма которой меняется под воздействием находящихся в ней материальных тел.

Действительно, может создаться впечатление, что гравитация распространяется быстрее скорости света. Но это не так. Эйнштейн рассчитал насколько быстро «рябь» от деформаций переносится в пространстве от одного места к другому. Выяснилось, что кривизна пространства уменьшается при увеличении расстояния до массивного тела точно со скоростью света. Поэтому, если Солнце внезапно исчезнет, то мы некоторое время не почувствуем никаких изменений. После исчезновения звезды Земля будет оставаться на своем месте в структуре пространства-времени те же самые восемь минут, пока волна деформированного пространства не отбросит нашу планету с привычной орбиты.

Гравитация — это искажение пространства одним телом, что направляет движение других. Любой объект искривляет пространство. Это универсальный принцип. Вы тоже его постоянно искривляете вокруг собственного тела. Но ваша масса ничтожна по сравнению с планетой или звездой, поэтому никаких аномальных гравитационных искажений вы лично не производите.

Гравитация проявляется как деформация пространства-времени под воздействием массы. Сила тяжести только кажется нам силой. А по сути она является внешним проявлением искривления пространства-времени. Мы «умышленно» прижаты к Земле, потому что наши тела постоянно стремятся «соскользнуть» в пространственно-временное углубление, созданное планетой.

Таким образом, гравитация — это кривизна.

Электромагнитные и звуковые волны движутся по пространству, а гравитационные волны — внутри самого пространства. Они являются искажениями в геометрии пространства. Гравитация не является силой, действующей на наши тела. Она является следствием геометрии пространства-времени. Материя направляет искривление пространства-времени, а пространство-время направляет движение материи.

Чем сильнее гравитация, тем сильнее искривляется время. Кривизна времени означает, что скорость его течения зависит от положения наблюдателя. Вообще, описание любого физического события зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Пространственно-временные флуктуации проявляют себя как колебания гравитационного поля. Образно можно назвать это пространственно-временной рябью в океане Мироздания.

Теория относительности проверена в многочисленных экспериментах. Она раскрыла тайны гравитации в классическом мире. Однако, не объясняет процессы, происходящих в сильных гравитационных полях. То есть тогда, когда образуются сингулярности в начале и конце эволюции Космоса, а также в чёрных дырах. В этих экстремальных условиях величины, характеризующие пространство-время, становятся бесконечными. А это противоречит классической физике. Видимо, теория относительности неполная, если речь идёт об описании сильных гравитационных полей, где её уравнения перестают работать. Она как бы сама подсказывает, что граница её применимости находится вблизи точки сингулярности. А учёным всегда хочется преодолевать границы. Поэтому теория относительности наверняка не является последним словом в физике.

Завершая разговор о великом открытии Эйнштейна, хочу рассказать ещё об одном потрясающем и строго научном факте.

Он заключается в том, что в эту самую секунду вы движетесь со скоростью света. Кажется, что это совершенно невозможно, но это так, и прямо следует из специальной теории относительности: общая скорость движения через пространство и движения через время всегда равна скорости света.

Только вообразите себе: прямо сейчас вы несётесь со скоростью 300 000 км/с и даже не замечаете этого.

Несмотря на то, что со скоростью света может двигаться только свет, это верно лишь для движения через пространство. Ситуация меняется, когда речь идет о тесно переплетённом пространстве-времени, об объединённом движении через этот континуум. Движение через пространство и движение через время всегда взаимно дополнительны. Когда объект движется в пространстве, часть его движения во времени отвлекается. Чуть выше я рассматривал эту ситуацию, когда рассказывал о движении поезда. Но такой же подход применим к любому материальному объекту, в том числе к человеческому телу.

Удивительно, но время и пространство во Вселенной непосредственно зависят в том числе от вас, точнее от того, как вы двигаетесь именно сейчас. Это не трюк и не розыгрыш. Так реально устроено Мироздание.

Примечания

3

Ньютон Исаак — выдающийся британский физик, математик и астроном. Создатель теории классической механики, автор закона всемирного тяготения.