c. Таким образом, один цикл его движения занимает больше времени. В результате один тик часов в поезде длительностью в одну миллионную долю секунды при наблюдении с земли занимает, скажем, две миллионные доли секунды. Следовательно, часы в поезде тикают вдвое медленнее, чем такие же часы на земле. Для часов в поезде время замедлилось.
Что еще более странно – это полностью взаимный эффект. Если некто в поезде будет наблюдать за часами, стоящими на земле возле путей, он увидит, что часы эти тикают вдвое медленнее часов в поезде, поскольку для наблюдателя в поезде картина движения света между установленными на земле зеркалами будет точно такой же.
Поэтому может показаться, будто замедление часов всего лишь иллюзия, однако повторяю: измерения эквивалентны реальности, хотя данный случай немного тоньше, чем случай с одновременностью. Чтобы позже сравнить часы двух наблюдателей и определить, которые из них на самом деле замедлились (если, конечно, это вообще произошло), по крайней мере одному из наблюдателей придется вернуться и присоединиться к другому. Этому наблюдателю придется изменить характер движения: он либо замедлится, остановится, а затем двинется в обратную сторону, либо ускорится из состояния (видимого) покоя и догонит второго наблюдателя.
В результате два наблюдателя перестанут быть равноправными. Оказывается, тот наблюдатель, который будет ускоряться или замедляться, обнаружит, вернувшись на стартовую позицию, что постарел намного меньше, чем второй наблюдатель, все это время двигавшийся равномерно и прямолинейно.
Все это сильно напоминает фантастический сюжет, да и в самом деле послужило питательной средой для огромного количества научной фантастики, как хорошей, так и плохой, поскольку в принципе именно этот сюжет открывает возможности для тех космических путешествий по Галактике, которые мы видим в многочисленных фильмах. Однако здесь есть несколько довольно существенных затруднений. Хотя в принципе такой сценарий дает возможность космическому кораблю облететь Галактику на протяжении одной человеческой жизни, чтобы Жан-Люк Пикар мог пережить все положенные ему приключения из «Звездного пути», штаб-квартира Звездного флота столкнулась бы с немалыми трудностями, пытаясь осуществлять командование и контроль над какой бы то ни было Федерацией. Полеты кораблей, подобных «Энтерпрайзу», могли бы, конечно, продолжаться лет по пять по корабельным часам, но каждое путешествие с Земли до центра Галактики и обратно на корабле, летящем с околосветовой скоростью, для всех тех, кто остался дома, заняло бы шестьдесят тысяч лет или около того. Хуже того, на одно такое путешествие потребовалось бы больше топлива, чем существует вещества в Галактике, по крайней мере при использовании традиционных ракет того типа, какими мы пользуемся в настоящее время.
Тем не менее оставим в стороне научно-фантастические передряги, потому что «растяжение времени» – именно так называют релятивистское замедление хода часов на движущихся объектах – очень и очень реально и к тому же каждый день наблюдается здесь, на Земле. На мощных ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер к примеру, мы регулярно разгоняем элементарные частицы до скоростей, составляющих 99,9999 % скорости света, и при исследовании происходящего на них просто обязаны учитывать релятивистские эффекты.
Однако релятивистское замедление времени проявляется и ближе к дому. Нас всех на Земле ежедневно бомбардируют космические лучами из глубин Галактики. Если встать в открытом поле со счетчиком Гейгера, он будет довольно регулярно – каждые несколько секунд – срабатывать, регистрируя энергичные частицы, именуемые мюонами. Эти частицы возникают там, где энергичные протоны космических лучей вторгаются в атмосферу, порождая целый ливень других, более легких частиц, включая мюоны, которые нестабильны, имеют время жизни, равное примерно одной миллионной доле секунды, и распадаются на электроны и мои любимые частицы – нейтрино.
Если бы не замедление времени, мы никогда бы не зарегистрировали мюоны космических лучей на поверхности Земли. Дело в том, что мюон, летящий с околосветовой скоростью, за одну миллионную долю секунды прошел бы всего три сотни метров, прежде чем распасться. На самом же деле мюонные ливни проходят по 20 км из верхних слоев атмосферы, где они возникают, вниз, до нашего счетчика Гейгера. Это возможно только в том случае, если внутренние «часы» мюонов (которые побуждают их к распаду примерно через миллионную долю секунды) тикают медленно по отношению к нашим земным часам – в 10–100 раз медленнее, чем тикали бы, будь эти мюоны рождены в покое здесь, в земной лаборатории.
Последнее следствие вывода Эйнштейна о том, что скорость света должна быть постоянна и одинакова для всех наблюдателей, представляется еще более парадоксальным, чем остальные, – отчасти потому, что предполагает изменение физического поведения объектов, которые мы можем увидеть и потрогать. Но оно же поможет нам вернуться к началу и заглянуть в новый мир, лежащий за пределами нашего нормального, прикованного к земле воображения.
Результат этот формулируется очень просто, хотя на переваривание его следствий может потребоваться некоторое время. Если я несу некий протяженный объект, к примеру линейку, и двигаюсь быстро по сравнению с вами, моя линейка, если вы ее измерите, покажется вам короче, чем она видится мне. Скажем, я измерил свою линейку, и ее длина оказалась равной 10 см.
Но для вас при измерении ее длина может оказаться равной лишь 6 см.
Конечно же, это иллюзия, скажете вы, потому что как может один и тот же объект иметь разную длину? Атомы не могут быть расположены компактнее для вас, чем для меня.
Здесь мы снова возвращаемся к вопросу о том, что «реально». Если любое измерение, которое вы можете проделать над моей линейкой, показывает вам, что ее длина составляет 6 см, то линейка действительно имеет длину 6 см. «Длина» вовсе не абстрактная величина, она требует измерения. А поскольку результат измерения зависит от наблюдателя, то и длина от него тоже зависит. Чтобы убедиться, что это возможно, и заодно осветить еще одну из скользких «уловок-22», связанных с теорией относительности, рассмотрим один из моих любимых примеров.
Предположим, у меня есть машина длиной 12 футов, а у вас – гараж длиной 8 футов. Ясно, что моя машина не поместится в ваш гараж.
Но теория относительности подразумевает, что если я еду быстро, то вы при измерении моей машины получите ее длину, равной, скажем, 6 футам, так что, по идее, она должна будет поместиться в вашем гараже, по крайней мере пока находится в движении.
Однако рассмотрим ситуацию с моей точки зрения. Для меня длина машины составляет 12 футов, а ваш гараж быстро движется мне навстречу, так что при измерении я получу для него глубину не 8, а скорее 4 фута.
Так что моя машина, очевидно, никак не может поместиться в ваш гараж.
Где же истина? Ясно, что моя машине не может одновременно находиться и внутри гаража, и не внутри. Или может?
Рассмотрим сначала вашу точку зрения и представим, что вы снабдили переднюю и заднюю стенки своего гаража тяжелыми прочными воротами. Поэтому, чтобы я не убился, въезжая в гараж, вы делаете следующее. Вы закрываете задние ворота гаража, но открываете передние, чтобы моя машина могла въехать внутрь. Когда она окажется внутри, вы закрываете передние ворота.
Однако затем вы быстро – так, чтобы мой автомобиль не успел в них врезаться, – открываете задние ворота, позволяя мне спокойно выехать из гаража сзади.
Таким образом, вы продемонстрировали, что моя машина была внутри вашего гаража, – и это, разумеется, правда, поскольку она достаточно мала, чтобы там поместиться.
Однако не забывайте, что для меня временной порядок отдаленных событий может быть иным. Вот что при этом увижу я.
Я увижу, как ваш крохотный гаражик несется мне навстречу, и я увижу, как вы открываете передние ворота – как раз вовремя, чтобы нос моей машины прошел в них.
Затем я увижу, как вы благородно открываете задние ворота гаража, пока я не успел в них врезаться.
После этого – и после того, как багажник моей машины окажется внутри гаража, – я увижу, как вы закрываете передние ворота.
При этом мне будет очевидно, что моя машина ни в какой момент не находилась внутри вашего гаража при закрытых с обеих сторон воротах, потому что это попросту невозможно. Ваш гараж для этого слишком мал.
Все просто. «Реальность» для каждого из нас основана на том, что мы можем измерить. В моей системе отсчета машина длиннее гаража. В вашей системе отсчета гараж длиннее машины. И точка. Суть в том, что каждый из нас может в каждый момент времени находиться лишь в одной точке и реальность там, где мы находимся, совершенно однозначна. Но те выводы, которые мы делаем о реальном мире в других местах, основаны на дистанционных измерениях, результаты которых зависят от состояния наблюдателя.
Однако преимущества тщательных измерений этим не ограничиваются.
Новая реальность, которую вскрыл Эйнштейн, – а она основана на эмпирической обоснованности закона Галилея и замечательном максвелловском объединении электричества и магнетизма – на первый взгляд заменяет все остатки объективной реальности результатами субъективных измерений. Однако Платон напоминает нам, что задача естествоиспытателя – проникать глубже, в самую суть вещей.
Говорят, что Фортуна покровительствует тем, чей разум готов воспринять новое. В каком-то смысле Платонова пещера подготовила наш разум к эйнштейновской относительности, хотя завершить эту задачу предстояло профессору Герману Минковскому, который когда-то преподавал Эйнштейну математику.
Минковский был блестящим математиком и в конечном итоге получил заслуженную кафедру в Гёттингенском университете. Но в Цюрихе, где он был одним из профессоров Эйнштейна, Минковский был просто блестящим математиком, занятия у которого Эйнштейн прогуливал, поскольку в студенческие времена, судя по всему, весьма пренебрежительно относился к чистой математике. Позже время изменило его взгляды.