Механика машины времени

Но в античности так считали далеко не все: многие древнегреческие философы придерживались мнения, что время циклично. Так, Прокл из самых общих соображений доказывал, что «…Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно». Его дополнял знаменитый Эпикур: «Время не поддается такому расследованию, как все остальные свойства предметов…»

Подобные философские идеи продержалась многие столетия, и даже средневековая инквизиция не смогла с ними окончательно разделаться. Разумеется, пытаясь давать точные оценки «длительности темпоральных процессов», древние мыслители во многом ошибались. Так, философская школа Платона полагала длительность «Великого года», то есть одного кольцевого цикла времен, почему-то в 36 тысячелетий. Смысл этого загадочного числа совершенно не ясен, хотя и в восточных мистических учениях ламаизма, буддизма и индуизма тоже можно встретить сходные оценки мгновения вечности. Но все-таки: как оно движется, это самое время, по прямой или по кругу?

«Никак! – решил этот вопрос Зенон. – Движения в мире нет…»

До нас дошли его удивительные парадоксы: «Если что-то движется, то оно движется либо в том месте, которое занимает, либо в том, где его нет. Однако оно не может двигаться в том месте, которое занимает (поскольку в каждый момент времени оно занимает все это место), но оно также не может двигаться и в том месте, где его нет. Следовательно, движение невозможно».

Факт противоречия между данными опыта, с одной стороны, и их мыслительным анализом, с другой, был выражен Зеноном в форме парадоксов-апорий. Наиболее известны его апории, направленные против возможности движения: «Дихотомия», «Ахилл», «Стрела».

Большинству современных читателей парадоксы Зенона знакомы в формулировке дихотомии (разделение надвое). Чтобы пересечь комнату, сначала нужно преодолеть половину пути. Но затем нужно преодолеть половину того, что осталось, затем половину того, что осталось после этого – и так далее. Это деление пополам будет продолжаться до бесконечности, из чего делается вывод, что пересечь комнату не удастся никогда.

Апория «Ахилл» еще оригинальнее. Древнегреческий герой Ахилл состязается в беге с черепахой. Если черепаха стартует немного раньше Ахилла, то ему, чтобы ее догнать, сначала нужно добежать до места ее старта. Но к тому моменту, как он туда доберется, черепаха проползет некоторое расстояние, которое нужно будет преодолеть Ахиллу. А за это время черепаха уползет вперед еще на некоторое расстояние. Поскольку число таких отрезков бесконечно, быстроногий Ахилл никогда не догонит черепаху.

Еще один парадокс называется «Стрела». Полет стрелы – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разное время находится в разных местах – но мы живем мгновениями. Значит, в каждое мгновение стрела находится в определенном, единственном положении. Она находится в данном месте точно так, как если бы она покоилась здесь всегда. А значит, полагал Зенон, ее никоим образом нельзя отличить от другой стрелы, которая действительно лежит в данном месте. А коль нельзя отличить движущуюся стрелу от летящей, значит, никакого движения и не существует…

Самый прямолинейный метод опровержения апорий Зенона – это привлечение практического опыта, вспомните стихи Пушкина:

Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.

Действительно, можно просто встать и пересечь комнату, обогнать черепаху или выпустить стрелу. Но в философских диспутах той поры применение опытных данных и практических наблюдений считалось неприемлемым. Проблема была разрешена только после создания Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем дифференциального исчисления. Этот раздел математики оперирует понятиями «предел», «дифференциал» и «интеграл», позволяющими суммировать бесконечно малые величины.

В наше время одно из умозаключений Зенона приобрело вдруг совершенно необычное применение в квантовой физике. Будет ли уменьшаться вероятность распада атома в нестабильном состоянии, если достаточно часто измерять, распадается ли этот атом? Будет ли уменьшаться вероятность перехода атома из его начального состояния под влиянием фиксированного воздействия, если достаточно часто измерять, произошел ли этот переход? Утвердительный ответ квантовой теории на этот вопрос с классической точки зрения кажется совершенно невозможным, парадоксальным. Этот эффект изменения закона распада, вероятности перехода в зависимости от частоты измерения так и называется: квантовый эффект Зенона.

Следующий этап в постижении понятия «физическое время» связан с именем Галилео Галилея. Великий ученый одним из первых применил на основе практических наблюдений принцип мысленного эксперимента. Так, глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. По его словам, путешественник, находящийся в каюте плывущего корабля, с полным основанием может считать, что книга, лежащая на его столе, находится в состоянии покоя. В то же время человек на берегу видит, что корабль плывет, а значит, у него есть все основания считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль. Так движется ли в самом деле книга или лежит спокойно? Очевидно, что ответ полностью зависит от точки отсчета. Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, что движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить.

Из принципа относительности Галилея следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейное и равномерное – нет принципиальной разницы. Тот же путешественник, находящийся в закрытой каюте корабля, движущегося по спокойному морю, не замечает никаких признаков этого движения. Мухи свободно летают по всей каюте. А если мячик подбросить вертикально, то он упадет прямо вниз, не стремясь оказаться поближе к корме.

С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, которые ввел его предшественник, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело. Однако Ньютон на этом не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Эта сила – гравитационное воздействие, оказываемое массой тела, которое также ввел Ньютон. По его закону два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте, будь то камень на Земле или далекая планета на просторах Вселенной.

Так родилась классическая механика. С помощью этой почтенной науки можно и сегодня успешно объяснять и предсказывать множество явлений – от мельчайших подробностей движения небесных тел, полета ракет и обращения искусственных спутников Земли до океанских приливов, вызываемых тяготением Луны и Солнца.

Однако чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия – без пространства. Время в классической физике измеряется ритмично идущими часами, в самом общем случае показывающими некое абсолютное время, ход которого неизменен во всем окружающем мире.

На протяжении столетий казалось, что эта величественная классическая картина мироздания вечна и неизменна, как сам бег времени. Однако на пороге прошлого века наступили времена новой физики…

Глава 2. Релятивистские парадоксы

Контрамоция – это, по определению, движение по времени в обратную сторону. Как нейтрино. Но вся беда в том, что, если бы попугай был контрамотом, он летал бы задом наперед и не умирал бы на наших глазах, а оживал бы… А вообще-то идея хорошая. Попугай-контрамот действительно мог бы знать кое-что о космосе. Он же живет из будущего в прошлое. А контрамот-Янус действительно не мог бы знать, что происходило в нашем «вчера». Потому что наше «вчера» было бы для него «завтра»…

    А. и Б. Стругацкие. Понедельник начинается в субботу

Скромный служащий швейцарского патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн любил размышлять в свободное время над очень странными вопросами окружающей физической реальности. Еще в гимназии он задумывался о том, что будет, если «оседлать» луч света? Позже, студентом цюрихского Политехникума, он пытался понять: почему же неуловимый поток времени везде и всюду должен быть одинаков? Так постепенно он пришел к проблеме темпа времени в окружающей природе и его «контролируемости» при течении различных физических процессов.

Эти и другие необычные вопросы в конечном итоге привели великого теоретика к созданию одного из краеугольных камней современной физической науки – теории относительности. За этой знаменитой теорией с самого начала утвердилась слава физически трудно постижимой, а уж математически и совсем непонятной. Родился даже исторический анекдот, в котором утверждалось, что вначале гениальное творение Эйнштейна во всем мире понимали только три человека, включая самого автора. Затем количество «релятивистски просвещенных» увеличилось до двенадцати, но сам автор странным образом из этой дюжины выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я и сам перестал ее понимать».

Таким образом, закладывая фундамент современного релятивизма (на латыни – относительности), Эйнштейн постепенно пришел к выводу, что скорость света в пустоте, например в межзвездном вакууме, является одной из мировых констант. Она всегда близка к 300 тыс. км/с и парадоксально не складывается и не вычитается со скоростями других тел, поэтому ничто не может двигаться быстрее луча света.

Но если скорость света постоянна, то что же тогда произойдет при встрече на параллельных курсах двух фотонных звездолетов из фантастических романов, стремительно пожирающих пространство с субсветовой скоростью?

Альберт Эйнштейн (1879–1955)

Родился в Германии в 1879 г. Познакомившись с научно-популярной и философской литературой, увлекся математикой и физикой. Закончил цюрихский Политехникум. Устроился в бернское патентное бюро. В это время написал работы по статмеханике, физике молекул, броуновскому движению, квантовой теории фотоэффекта и Специальной теории относительности. Через десятилетие создал Общую теорию относительности, известную как теория гравитации Эйнштейна. После прихода к власти в Германии нацистов переехал в Принстон (США), где до конца жизни занимался единой теорией поля, пытаясь объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия.

Оказывается, что теория предсказывает очень многое, в том числе и изменение скорости… течения времени!

Чтобы понять этот в высшей степени необычайный вывод, давайте попробуем вслед за самим Эйнштейном провести важный мысленный эксперимент. Рассмотрим двух наблюдателей, один из которых стоит на переезде и смотрит на проносящийся мимо экспресс, а другой находится в купе движущегося поезда. Оба они фиксируют время прохождения световых сигналов вдоль вагона и к наблюдателю на переезде.

Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Наблюдатель движущейся лаборатории находится посередине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света. Эксперимент построен так, что световые сигналы от этих ламп достигают движущегося и покоящегося наблюдателей строго одновременно, и именно в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы должен сделать из этого наблюдения каждый из экспериментаторов?

Физик в вагоне может рассуждать так: «Поскольку сигналы были посланы источниками, находящимися от меня на равных расстояниях, и пришли одновременно, значит, и испущены они были строго одновременно». Физик на переезде имеет полное право прокомментировать описываемое событие несколько иным образом: «Когда середина вагона поравнялась со мной, обе лампочки были от меня на одинаковом расстоянии. Но свет был испущен несколько ранее того момента, когда достиг меня, ведь световые лучи имеют конечную скорость. Отсюда следует, что в момент наблюдения передняя стенка вагона была ко мне ближе, и лампочка на задней стенке вспыхнула раньше».

В результате последующего анализа своих данных наши физики должны прийти к парадоксальному результату, показывающему, что время в движущемся поезде и на обочине дороги течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно предстает совсем не абсолютным, а относительным…

В теории Эйнштейна, дополненной его студенческим преподавателем математики Германом Минковским, пространство и время становятся неразрывными. Они составляют «многообразие Минковского», где единое пространство – время состоит теперь не просто из точек и моментов, но из событий, и для описания места каждого из них в мире нужны уже четыре координаты. Движения частиц и тел в пространстве – времени представляются цепями событий и изображаются линиями, которые называются мировыми.

В пространстве Минковского эти движения мнимые: частицы и тела в действительности неподвижны, события не происходят, а прочно и раз и навсегда закреплены на своих местах, тех самых, что обозначаются тремя пространственными и одной временной координатами. Это относится ко всем событиям независимо от того, происходят они в прошлом или произойдут в грядущем.

Мировые линии

Известный американский ученый Джей Орир в своей «Популярной физике» описывает такой «парадокс близнецов». Предположим, что на Земле живут два близнеца в возрасте 20 лет, и один из них отправляется в космическое путешествие к звезде Арктур. Его субсветовой космолет летит со скоростью 0,99 скорости света и, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он возвращается на Землю через 11,4 года по корабельному времени. На Земле же за это время пройдет 80,8 года. Так что брат, оставшийся на планете, должен очень постараться, чтобы дождаться возвращения межзвездного путешественника. Ведь ему к моменту возвращения корабля стукнет 108,8 года! Космический странник окажется моложе его на целую жизнь – 69,4 года!

Правда, на сегодняшний день единственные специалисты, которые могут воспользоваться выводами из теории Эйнштейна в своих практических целях, – это астрономы и физики-ядерщики. Ведь только элементарные частицы в сверхмощных ускорителях – циклотронах – достигают околосветовых скоростей.

Расстояния во Вселенной не случайно измеряются световыми годами. Световой год равен расстоянию, проходимому световым лучом за земной год. Стало быть, глядя на звезды, мы видим их не такими, какие они есть в настоящее время, а такими, какими они были много лет назад. Вполне возможно, что сегодня мы видим свет далеких небесных объектов, которых давно уже нет.

Не так давно астрономы открыли группу сверхдалеких квазизвездных объектов (квазаров) на расстоянии свыше 14 млрд световых лет. На основании этого ученым придется пересмотреть часть теории образования Вселенной. Ведь пока считалось, что наш мир образовался в Большом взрыве 15–20 млрд лет тому назад. Однако, если объекты удалены от нас на расстояние в 14 млрд световых лет, это равносильно тому, что мы наблюдаем их в период ранней юности Метагалактики, когда квазары еще не должны были образоваться. Астрономам остается только надеяться, что некоторую ясность в эти вопросы внесут новые обсерватории, выводимые на околоземные орбиты. Возможно, тогда и удастся рассмотреть таинственные истоки вселенской реки времени, истекающей из сингулярности (мнимой точки) Большого взрыва.

В рассказе о практических приложениях временных парадоксов теории относительности важная роль принадлежит физике элементарных частиц. Действительно, многие элементарные частицы, рождающиеся в столкновениях с атомными ядрами, живут очень недолго. Тем не менее их успевают много раз зафиксировать стоящие на пути чувствительные детекторы. Это происходит в полном соответствии с теорией относительности, ведь время их жизни в тысячи раз больше, чем у покоящихся собратьев. Так, сохраняя короткоживущие частицы в релятивистском «застывшем» времени, можно спокойно изучать их удивительные свойства, реакции с другими частицами и рассеяние на атомах.

Вот так совершенно фантастическое замедление времени уже является обыденной процедурой из области экспериментальной физики, оно прочно вошло в научный арсенал исследования микрочастиц, а для профессионалов даже потеряло некоторую часть своего очарования.

На самых мощных ускорителях потоки микрочастиц разгоняются до субсветовых скоростей. Релятивистское увеличение в несколько раз времени жизни таких частиц для некоторых из них является весьма существенным, поскольку только это и позволяет их надежно зарегистрировать.

Давайте совершим фантастическое допущение, что нам удалось построить космический аппарат, движущийся со сверхсветовой скоростью. Мы уже знаем, что для анализа релятивистских эффектов полет ракеты нужно рассматривать в двух системах координат. Одна (условно назовем ее первой) – это поверхность Земли, тот космодром, с которого стартовала ракета. В этой системе отсчета все происходит как обычно: ракета стартует, предположим, в полдень и при пятикратной скорости света достигает цели, например, в следующую полночь.

А вот с точки зрения наблюдателя во второй – релятивистской – системе координат порядок событий в первой системе отсчета может оказаться нарушенным. Как в кино при запуске пленки в обратном направлении, он увидит, что ракета от достигнутой ею цели направляется к месту старта.

Однако при всей своей необычности подобный мысленный эксперимент все же не лишен физического смысла. Здесь надо вспомнить гипотезу о существовании частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями, – тахионов. Такое предположение основано лишь на некоторых теоретических предпосылках. Но если такие частицы вдруг действительно существуют, не исключено, что время для них может течь навстречу нашему. То есть, говоря другими словами, прошлое и будущее таких частиц (с точки зрения стороннего наблюдателя) как бы меняются местами.