Страница:
Станислав Николаевич Зигуненко
Как устроена машина времени?
К читателю
«В этом то и заключается зерно моего великого открытия. Вы совершаете ошибку, говоря, что нельзя двигаться во Времени…» – так утверждает Путешественник во Времени из известного романа знаменитого английского фантаста Герберта Уэллса «Машина времени». «…А теперь обратите внимание на следующее: если нажать на этот рычажок, машина начинает скользить в будущее, а второй рычажок вызывает обратное движение. Вот седло, в которое должен сесть Путешественник во Времени. Сейчас я нажму этот рычаг – и машина двинется…»
С помощью своей машины Путешественник, как вы наверное помните, смог перенестись на сотни тысяч лет в будущее.
Ну а как обстоит дело с путешествиями во времени сегодня? Мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются, и то, что раньше казалось совершенно не реальным, сегодня становится обыденностью.
А все же, что нужно, чтобы построить машину времени? Когда этого можно ожидать? Как далеко продвинулась здесь наука? – одни сплошные вопросы, которые можно продолжать и продолжать. Но главным среди них будет конечно «что такое время?» Ведь чтобы построить машину времени, надо понять сущность времени, научиться им управлять. И именно с этого-то все трудности и начинаются…
«Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время». Эти слова, сказанные много веков назад философом Августином Блаженным, верны и в наши дни.
И все-таки дело не столь безнадежно, как может показаться сначала. Современная наука знает о сущности времени не так уж мало. Более того, ей известны некоторые виды «машин времени», которые издавна существуют в природе.
Как именно они работают? Какую практическую пользу мы можем иметь от них? Насколько правы в своих предположениях фантасты?.. Об этом и пойдет речь ниже.
С помощью своей машины Путешественник, как вы наверное помните, смог перенестись на сотни тысяч лет в будущее.
Ну а как обстоит дело с путешествиями во времени сегодня? Мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются, и то, что раньше казалось совершенно не реальным, сегодня становится обыденностью.
А все же, что нужно, чтобы построить машину времени? Когда этого можно ожидать? Как далеко продвинулась здесь наука? – одни сплошные вопросы, которые можно продолжать и продолжать. Но главным среди них будет конечно «что такое время?» Ведь чтобы построить машину времени, надо понять сущность времени, научиться им управлять. И именно с этого-то все трудности и начинаются…
«Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время». Эти слова, сказанные много веков назад философом Августином Блаженным, верны и в наши дни.
И все-таки дело не столь безнадежно, как может показаться сначала. Современная наука знает о сущности времени не так уж мало. Более того, ей известны некоторые виды «машин времени», которые издавна существуют в природе.
Как именно они работают? Какую практическую пользу мы можем иметь от них? Насколько правы в своих предположениях фантасты?.. Об этом и пойдет речь ниже.
Спираль или прямая?
Еще тысячелетия назад наши предки как-то осознали время силою своего разума и воображения, дали ему имя и даже научились его измерять. И как теперь выясняется, обретенные ими знания вовсе не бесполезны для нас сегодня.
Если современному человеку задать вопрос: «Как течет время?», то большинство из нас скорее всего уподобит его некой реке, текущей из будущего в прошлое и никогда не поворачивающей свои воды вспять.
А вот древние греки так не считали. «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». Эта точка зрения, принадлежавшая современнику Гераклита философу Проклу, продержалась многие столетия, и даже средневековая инквизиция не смогла с ней окончательно разделаться. И все выгоды такого столь наглядного представления о времени нам, пожалуй, не мешало бы детально обсудить.
Конечно, древние во многом и ошибались. Так, скажем, длительность «великого года», то есть одного кольцевого цикла, согласно Платону, исчислялась в 36 тысяч лет. Сегодня мы знаем, что это не так. Что, впрочем, не мешает нам соглашаться с другим изречением великого мыслителя: «…мы не смогли бы сказать ни единого слова о природе Вселенной, если бы никогда не видели ни звезд, ни Солнца, ни неба. Поскольку же день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной».
Ну а тем, кто интересуется взаимосвязью окружающего нас мира и времени, позвольте напомнить слова еще одного ученого античности – Лукреция. В своей обширнейшей, полной всяческих сведений поэме «О природе вещей» он, в частности, пишет:
– А никак! – решил этот вопрос известный в древности любитель парадоксов Зенон Элейский. – Движения в мире нет…
И в подтверждение своего утверждения высказал апорию (т. е. загадку) «Стрела», дошедшую до нас в пересказе Аристотеля.
Как мы представляем себе полет стрелы? Ее движение – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разное время находится в разных местах. Но мы ведь с вами живем мгновениями. Ну а коли так, значит, в любое определенное 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 покоится в данном месте. А коль нельзя отличить движущуюся стрелу от покоящейся, значит, никакого движения и не существует…
Это умозаключение вызвало большие толки в научном мире Благодаря им имя Зенона оказалось не затерянным в веках. Даже современные ученые так и не могут однозначно определить свое отношение как к самому Зенону, так и к его апориям. Одни считают, что знаменитая апория оказала громадное влияние на развитие науки. Другие же полагают, что то очень старая и… глупая проблема.
А пока вы будете определять свое собственное отношение к Зенону и его загадкам, позвольте сказать следующее. Зенона нужно поблагодарить уже за то, что он заставил ученых пристальнее всматриваться в окружающий мир, поставил вопросы, задевавшие за живое, и в конце концов позволил продвинуть науку дальше. А она, в свою очередь, дала ответы на многие вопросы, в том числе и на вопрос: «Время движется по окружности или по прямой?»
Аристотель, назвавший Зенона первым диалектиком, в стиле диалектики и ответил на этот вопрос. Он объединил круг и прямую – получилась спираль. Правда, Аристотель не предлагал свое изобретение в качестве нового образа времени. Но спираль соединяет воедино то, что раньше казалось несопоставимым, что противопоставлялось друг другу, когда говорили о наглядном представлении времени.
Таким образом, наука о времени получила новый образ, физическое толкование которого предстояло найти последователям античных мыслителей.
Натиск инквизиции на много веков приостановил материалистическое познание мира. Лучшие представители человечества, подобно Джордано Бруно, горели за свои идеи на кострах, подобно Галилею, подвергались унизительной процедуре отречения от ереси.
Но истину все же не удалось удержать в темницах. Пожалуй, самое значительное научное достижение эпохи Возрождения – учение Коперника. Начав с попыток усовершенствования геоцентрической системы Птолемея, полагавшего, что в центре Вселенной находится Земля, он в конце концов пришел к идее системы гелиоцентрической: Земля, как и все другие планеты, вращается вокруг Солнца.
Это был поворот от церковной догмы к научным взглядам на природу. Новая система мировоззрения дала толчок к развитию небесной механики Галилея и Ньютона. А это, в свою очередь, послужило отправной точкой к созданию первой научной теории времени.
Глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. Например, 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 покоится? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Ответ зависит от точки отсчета. Если мы примем точку зрения путешественника, то книга находится в покое. Если будем рассматривать ситуацию с точки зрения стоящего на берегу, то книга, конечно, движется.
Таким образом, из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейно и равномерно – 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 свалиться поближе к корме. Надоедливого же шума мотора во времена Галилея не знали – паруса работали бесшумно…
Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, как помните: движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить. Очень образно этот парадокс описал А. С. Пушкин:
С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, введенными его предшественником, 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 чтобы сделать эту связь полностью определенной, чтобы от слов перейти к формулам, Исааку Ньютону пришлось ввести новое понятие – массу. Тогда и родился знаменитый закон:
Итак, три этих закона навели порядок в нашем представлении об окружающем мире. Однако Ньютон на том не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Такой силой оказалось гравитационное воздействие, производимое введенной им массой тела: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Причем закон одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте – камню на Земле или планете во Вселенной.
Так родилась классическая механика Ньютона – Галилея, с помощью которой удалось объяснить до мельчайших деталей движение планет, явление океанских приливов, вызываемое тяготением Луны, движение камня, брошенного под углом к земному горизонту, и вращение искусственного спутника.
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.
Измерять время, конечно, хотелось бы идеально точными часами, ход которых не зависел бы от происходящих вокруг событий. Такие ритмично идущие часы называют инерциальными, так как их показания не зависят от того, действительно ли они находятся в покое или все участвуют в движении – прямолинейном и равномерном. Помните, мы говорили о путешественнике, который по опыту, проведенному в закрытой каюте, не может определить, движется он или находится в покое. Так и по инерциальным часам, находящимся в этой каюте, нельзя выявить какие-либо отклонения по отношению к часам, идущим на берегу. Все инерциальные часы показывают некое абсолютное время, ход которого всегда одинаков для всей Вселенной.
Это понятие абсолютного времени, введенное в механику Галилея – Ньютона в качестве аксиомы, стало краеугольным камнем фундамента, на котором покоится здание классической физики. «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Такое определение ему Ньютон дает в самом начале своих знаменитых «Начал», отделяя его от того времени, которое показывают реальные часы с их отнюдь не идеальной точностью. Об этом времени Ньютон говорит с легким налетом иронии, наделяя его эпитетом «обыденное».
Вообще И. Ньютон был не очень высокого мнения о творении Господа Бога. (Хотя не забывайте, что великий физик был глубоко верующим человеком, за ним значатся и труды в области теологии.) Но это, впрочем, не мешало ему оставаться критичным, строго придерживаться фактов, когда дело касалось не потустороннего, а реального, физического мира.
«Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, – писал он, – которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени измениться не' может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет».
' Но зачем тогда Ньютону понадобилось понятие абсолютного времени, которое повлекло за собой и понятие абсолютного пространства, то есть не имеющего границ, всюду и везде одинакового по своим свойствам, вмещающего в себя все природные тела и дающего место всем природным явлениям?.. Для удобства решения задач той же практики.
Как писал в одной из своих статей Альберт Эйнштейн, «цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: „Существует ли простое правило для полного вычисления движений небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определенный момент времени?“ И Ньютон дал простой ответ на этот вопрос. Но для этого ему пришлось абстрагироваться от всего случайного и мелочного, то есть от реальности перейти к идеалу, иначе он попросту бы запутался в мелочности реальных поправок. И его теория верой и правдой служила практике многие десятки лет, пока не появилась теория относительности.
«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки… Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов… В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера… Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке».
Отдав этими словами должное своему предшественнику, «этому блестящему гению», А. Эйнштейн тем не менее принялся перекраивать Вселенную по своему разумению. Говорят, он удивил своих собеседников, признавшись однажды, что никогда не понимал понятия «абсолютное время». Конечно, это была шутка в стиле Эйнштейна – он знал и об абсолютном времени, и об абсолютном пространстве классической физики достаточно много. Столько, чтобы понять несовершенство механики Ньютона – Галилея.
Почему время везде и всюду течет одинаково? Чем этот темп задается и что (или кто) его контролирует? Эти «проклятые» вопросы не давали ему покоя. И он в конце концов разрешил их, создав теорию относительности.
За этой теорией, законченной автором в 1916 году, с самого начала утвердилась' слава непостижимой. Сначала говорили, что ее во всем мире понимают всего три человека, включая самого автора. Потом число посвященных увеличилось до двенадцати, но сам автор из этой дюжины, как ни странно, выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».
Действительно, математическая сторона теории весьма непроста. Но можно ведь и о самых сложных вещах рассуждать просто, объясняясь, как говорится, на пальцах. Сам Эйнштейн, кстати, владел таким способом изложения своих мыслей достаточно хорошо.
«Представим себе двух физиков, – говорил он. – У обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого – в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения существующих в природе законов – один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, – найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета». Таким образом Эйнштейн своими словами пересказал притчу о путешественнике в запертой каюте, соглашаясь тем самым с правильностью в определенных случаях теории Галилея – Ньютона. И действительно, эта теория около двухсот лет служила верой и правдой человечеству, и никто на нее не жаловался. Так что же заставило Альберта Эйнштейна пересмотреть устоявшиеся позиции? Все та же практическая необходимость.
За два столетия многое переменилось в окружающем мире. Скорости, в нем существующие, заметно возросли. Появились новые отрасли знания – физики, в частности, вплотную занялись явлениями электромагнетизма. И потому на; смену принципу относительности Галилея должен был прийти принцип относительности Эйнштейна. Он добавил в теорию одну важную аксиому: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Долгое время считали, что скорость света вообще равна бесконечности. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимите ночью голову к небу. Вы увидите звезды. Закройте глаза – звезды исчезнут. Откройте их снова – звезды тотчас появятся. Поскольку между мигом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка, то свет распространяется мгновенно».
А вот уже известный нам Галилей был по этому поводу другого мнения. Он предложил проделать эксперимент по измерению скорости света. Пусть два человека, снабженных сигнальными фонарями, станут подальше друг от друга, рассуждал он. Один из них открывает свой фонарь. Второй делает то же самое, как только видит свет фонаря первого. А наблюдатель, стоящий рядом с первым фонарщиком, пусть замерит промежуток времени, который пройдет между тем мгновением, когда первый фонарщик откроет свет своего фонаря, и тем мигом, когда наблюдатель увидит свет второго фонаря.
Галилей даже попытался провести такой эксперимент на практике, но вскоре убедился – скорость света чересчур велика, чтобы ее можно было было замерить вручную.
Опыты по схеме Галилея удалось провести в XVII и XIX веках. Сначала в 1675 году датский астроном Олаф Кристенсен Ремер провел наблюдения во время затмения открытых Галилеем спутников Юпитера. При этом впервые было подтверждено, что скорость света имеет конечную величину. А потом опыт Галилея был проведен в лабораторных условиях французским экспериментатором Ипполитом Физо в 1849 году с помощью сконструированного им простейшего механического устройства.
Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами шестеренки, распространялся на некоторое расстояние (в своих экспериментах Физо доходил и до дистанции в 9 км). На этом расстоянии стоит зеркало, отразившись от которого световой луч идёт обратно. Если зубчатое колесо неподвижно, этот луч попадет в глаз наблюдателя через тот же промежуток между зубцами. А вот если колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения световой луч попадет либо на зубец, либо – при дальнейшем повышении скорости – в следующий промежуток.
Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно вычислить скорость распространения света. Физо получил в своих опытах значение скорости света, равное 313 тыс. км/с. (Для сравнения заметим, что в современных опытах, проведенных с помощью атомных часов, это значение равно 299 799 456 м/с с погрешностью + 0,2 м/с.)
Так вот, разрабатывая свою теорию относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что скорость света в пустоте, вакууме абсолютна. Она равна примерно 300 тыс. км/с, и быстрее света не может двигаться ничто.
К этому выводу Эйнштейн пришел на основании логических рассуждений, основанных на известных ему экспериментах, связанных с изучением электромагнитных процессов. Особенно высоко ценил ве ликий теоретик эксперимент голландского астронома де Ситтера, основанный на наблюдениях двойных звезд. Проведенные им исследования показали, что скорость света не зависит от скорости перемещения звезды, испускающей этот свет. Затем этот же факт неоднократно подтверждался и в других опытах.
Итак, скорость света постоянна. Так что же тогда меняется в этом изменчивом мире? Очень многое, в том числе и скорость… течения времени!
Чтобы понять, как это может быть, давайте вслед за Эйнштейном проведем мысленный эксперимент. Снова обратимся к двум лабораториям, одна из которых расположена в чистом поле, а другая в вагоне движущегося поезда.
Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Физик-наблюдатель движущейся лаборатории находится посредине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света.
Эксперимент построен так, что вспышки света от этих лампочек достигают «поездного» и «полевого» физиков строго одновременно, а 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 в полевой лаборатории 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 ими несколько ранее момента, когда меня достиг – ведь как-никак световые лучи имеют пусть и огромную, но конечную скорость. Отсюда логично предположить, что в момент испускания света передняя стенка вагона была ко мне ближе, чем задняя. А так как свет от обоих источников распространяется с одинаковой скоростью, получается, что лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней…»
В итоге вслед за нашими физиками мы должны будем прийти к выводу: одновременно или неодновременно случилось некое событие, зависит от того, с какой точки зрения мы будем их рассматривать. Если с точки зрения двигавшегося физика, то лампочки вспыхнули одновременно; если с точки зрения физика, находившегося неподвижно, то нет.
А это, в свою очередь, неумолимо приводит нас к некому логическому парадоксу (по крайней мере таковым он кажется на первый взгляд): время в разных системах отсчета течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно не абсолютно, а относительно… С точки зрения теории относительности нельзя сказать просто «сейчас столько-то времени». Надо обязательно добавлять, в какой именно системе координат.
Из чисто логических построений Эйнштейна вскоре последовали и практические расчеты зависимости течения, времени от скорости движения. Позвольте здесь опустить математические выкладки (как помните, их не очень жаловал и сам Эйнштейн) и сообщить вам сразу конечный результат. В движущейся системе координат время замедляется по отношению к неподвижной системе в зависимости от близости скорости движения нашего объекта к скорости света.
Это уже дает нам по крайней мере одну 'принципиальную возможность построить машину времени. Садитесь в ракету, отправляйтесь в длительное путешествие, разогнавшись до скорости, близкой к световой, и вы вернетесь на Землю значительно более молодым, чем ваши современники, провожавшие вас в полет.
В «Популярной физике» Дж. Орира даже приводится точный рас-i чет, насколько вы будете моложе. Если один из близнецов в возрасте 20 лет отправится в космическое путешествие к звезде Арктур на корабле, летящем со скоростью 0,99 скорости света, то, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он вернется 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 путешественник окажется моложе его на целую жизнь– 69,4 года!
Так что летайте субсветовыми звездолетами! Вы сэкономите себе массу времени! И был совершенно прав известный писатель В. Войнович, когда в одной из своих книг послал своего героя преодолевать 100-летний промежуток именно таким образом. Отправил его звездолетом в путешествие, а когда тот вернулся, на Земле прошло ровно столетие.
Истины древних
Если современному человеку задать вопрос: «Как течет время?», то большинство из нас скорее всего уподобит его некой реке, текущей из будущего в прошлое и никогда не поворачивающей свои воды вспять.
А вот древние греки так не считали. «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». Эта точка зрения, принадлежавшая современнику Гераклита философу Проклу, продержалась многие столетия, и даже средневековая инквизиция не смогла с ней окончательно разделаться. И все выгоды такого столь наглядного представления о времени нам, пожалуй, не мешало бы детально обсудить.
Конечно, древние во многом и ошибались. Так, скажем, длительность «великого года», то есть одного кольцевого цикла, согласно Платону, исчислялась в 36 тысяч лет. Сегодня мы знаем, что это не так. Что, впрочем, не мешает нам соглашаться с другим изречением великого мыслителя: «…мы не смогли бы сказать ни единого слова о природе Вселенной, если бы никогда не видели ни звезд, ни Солнца, ни неба. Поскольку же день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной».
Ну а тем, кто интересуется взаимосвязью окружающего нас мира и времени, позвольте напомнить слова еще одного ученого античности – Лукреция. В своей обширнейшей, полной всяческих сведений поэме «О природе вещей» он, в частности, пишет:
Но все-таки как оно движется, это самое время, по прямой или по кругу?
«Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершалось,
Что происходит теперь и что воспоследует позже.
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя…»
– А никак! – решил этот вопрос известный в древности любитель парадоксов Зенон Элейский. – Движения в мире нет…
И в подтверждение своего утверждения высказал апорию (т. е. загадку) «Стрела», дошедшую до нас в пересказе Аристотеля.
Как мы представляем себе полет стрелы? Ее движение – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разное время находится в разных местах. Но мы ведь с вами живем мгновениями. Ну а коли так, значит, в любое определенное 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 покоится в данном месте. А коль нельзя отличить движущуюся стрелу от покоящейся, значит, никакого движения и не существует…
Это умозаключение вызвало большие толки в научном мире Благодаря им имя Зенона оказалось не затерянным в веках. Даже современные ученые так и не могут однозначно определить свое отношение как к самому Зенону, так и к его апориям. Одни считают, что знаменитая апория оказала громадное влияние на развитие науки. Другие же полагают, что то очень старая и… глупая проблема.
А пока вы будете определять свое собственное отношение к Зенону и его загадкам, позвольте сказать следующее. Зенона нужно поблагодарить уже за то, что он заставил ученых пристальнее всматриваться в окружающий мир, поставил вопросы, задевавшие за живое, и в конце концов позволил продвинуть науку дальше. А она, в свою очередь, дала ответы на многие вопросы, в том числе и на вопрос: «Время движется по окружности или по прямой?»
Аристотель, назвавший Зенона первым диалектиком, в стиле диалектики и ответил на этот вопрос. Он объединил круг и прямую – получилась спираль. Правда, Аристотель не предлагал свое изобретение в качестве нового образа времени. Но спираль соединяет воедино то, что раньше казалось несопоставимым, что противопоставлялось друг другу, когда говорили о наглядном представлении времени.
Таким образом, наука о времени получила новый образ, физическое толкование которого предстояло найти последователям античных мыслителей.
Время Галилея и Ньютона
Натиск инквизиции на много веков приостановил материалистическое познание мира. Лучшие представители человечества, подобно Джордано Бруно, горели за свои идеи на кострах, подобно Галилею, подвергались унизительной процедуре отречения от ереси.
Но истину все же не удалось удержать в темницах. Пожалуй, самое значительное научное достижение эпохи Возрождения – учение Коперника. Начав с попыток усовершенствования геоцентрической системы Птолемея, полагавшего, что в центре Вселенной находится Земля, он в конце концов пришел к идее системы гелиоцентрической: Земля, как и все другие планеты, вращается вокруг Солнца.
Это был поворот от церковной догмы к научным взглядам на природу. Новая система мировоззрения дала толчок к развитию небесной механики Галилея и Ньютона. А это, в свою очередь, послужило отправной точкой к созданию первой научной теории времени.
Глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. Например, 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 покоится? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Ответ зависит от точки отсчета. Если мы примем точку зрения путешественника, то книга находится в покое. Если будем рассматривать ситуацию с точки зрения стоящего на берегу, то книга, конечно, движется.
Таким образом, из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейно и равномерно – 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 свалиться поближе к корме. Надоедливого же шума мотора во времена Галилея не знали – паруса работали бесшумно…
Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, как помните: движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить. Очень образно этот парадокс описал А. С. Пушкин:
Тот же Галилей определил и силу, которая объединяет тела, находящиеся в абсолютном и относительном покое, – это сила инерции. Она никак не проявляет себя, пока тело действительно покоится или находится в равномерном прямолинейном движении. Но стоит лишь чуть притормозить его или заставить двигаться криволинейно, как тотчас начинает проявлять себя ускорение. Мы по инерции, т. е. за счет ее силы, как бы стараемся восстановить утраченный покой.
«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».
С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, введенными его предшественником, 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 чтобы сделать эту связь полностью определенной, чтобы от слов перейти к формулам, Исааку Ньютону пришлось ввести новое понятие – массу. Тогда и родился знаменитый закон:
Его называют вторым законом Ньютона. Первым же считается закон инерции, который по справедливости надо бы считать законом Галилея, Ньютон лишь уточнил его формулировку. И наконец, третий закон утверждает равенство действия и противодействия.
F = ma.
Итак, три этих закона навели порядок в нашем представлении об окружающем мире. Однако Ньютон на том не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Такой силой оказалось гравитационное воздействие, производимое введенной им массой тела: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Причем закон одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте – камню на Земле или планете во Вселенной.
Так родилась классическая механика Ньютона – Галилея, с помощью которой удалось объяснить до мельчайших деталей движение планет, явление океанских приливов, вызываемое тяготением Луны, движение камня, брошенного под углом к земному горизонту, и вращение искусственного спутника.
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.
Измерять время, конечно, хотелось бы идеально точными часами, ход которых не зависел бы от происходящих вокруг событий. Такие ритмично идущие часы называют инерциальными, так как их показания не зависят от того, действительно ли они находятся в покое или все участвуют в движении – прямолинейном и равномерном. Помните, мы говорили о путешественнике, который по опыту, проведенному в закрытой каюте, не может определить, движется он или находится в покое. Так и по инерциальным часам, находящимся в этой каюте, нельзя выявить какие-либо отклонения по отношению к часам, идущим на берегу. Все инерциальные часы показывают некое абсолютное время, ход которого всегда одинаков для всей Вселенной.
Это понятие абсолютного времени, введенное в механику Галилея – Ньютона в качестве аксиомы, стало краеугольным камнем фундамента, на котором покоится здание классической физики. «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Такое определение ему Ньютон дает в самом начале своих знаменитых «Начал», отделяя его от того времени, которое показывают реальные часы с их отнюдь не идеальной точностью. Об этом времени Ньютон говорит с легким налетом иронии, наделяя его эпитетом «обыденное».
Абсолют времени и пространства
Вообще И. Ньютон был не очень высокого мнения о творении Господа Бога. (Хотя не забывайте, что великий физик был глубоко верующим человеком, за ним значатся и труды в области теологии.) Но это, впрочем, не мешало ему оставаться критичным, строго придерживаться фактов, когда дело касалось не потустороннего, а реального, физического мира.
«Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, – писал он, – которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени измениться не' может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет».
' Но зачем тогда Ньютону понадобилось понятие абсолютного времени, которое повлекло за собой и понятие абсолютного пространства, то есть не имеющего границ, всюду и везде одинакового по своим свойствам, вмещающего в себя все природные тела и дающего место всем природным явлениям?.. Для удобства решения задач той же практики.
Как писал в одной из своих статей Альберт Эйнштейн, «цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: „Существует ли простое правило для полного вычисления движений небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определенный момент времени?“ И Ньютон дал простой ответ на этот вопрос. Но для этого ему пришлось абстрагироваться от всего случайного и мелочного, то есть от реальности перейти к идеалу, иначе он попросту бы запутался в мелочности реальных поправок. И его теория верой и правдой служила практике многие десятки лет, пока не появилась теория относительности.
Все в мире относительно
«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки… Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов… В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера… Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке».
Отдав этими словами должное своему предшественнику, «этому блестящему гению», А. Эйнштейн тем не менее принялся перекраивать Вселенную по своему разумению. Говорят, он удивил своих собеседников, признавшись однажды, что никогда не понимал понятия «абсолютное время». Конечно, это была шутка в стиле Эйнштейна – он знал и об абсолютном времени, и об абсолютном пространстве классической физики достаточно много. Столько, чтобы понять несовершенство механики Ньютона – Галилея.
Почему время везде и всюду течет одинаково? Чем этот темп задается и что (или кто) его контролирует? Эти «проклятые» вопросы не давали ему покоя. И он в конце концов разрешил их, создав теорию относительности.
За этой теорией, законченной автором в 1916 году, с самого начала утвердилась' слава непостижимой. Сначала говорили, что ее во всем мире понимают всего три человека, включая самого автора. Потом число посвященных увеличилось до двенадцати, но сам автор из этой дюжины, как ни странно, выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».
Действительно, математическая сторона теории весьма непроста. Но можно ведь и о самых сложных вещах рассуждать просто, объясняясь, как говорится, на пальцах. Сам Эйнштейн, кстати, владел таким способом изложения своих мыслей достаточно хорошо.
«Представим себе двух физиков, – говорил он. – У обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого – в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения существующих в природе законов – один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, – найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета». Таким образом Эйнштейн своими словами пересказал притчу о путешественнике в запертой каюте, соглашаясь тем самым с правильностью в определенных случаях теории Галилея – Ньютона. И действительно, эта теория около двухсот лет служила верой и правдой человечеству, и никто на нее не жаловался. Так что же заставило Альберта Эйнштейна пересмотреть устоявшиеся позиции? Все та же практическая необходимость.
За два столетия многое переменилось в окружающем мире. Скорости, в нем существующие, заметно возросли. Появились новые отрасли знания – физики, в частности, вплотную занялись явлениями электромагнетизма. И потому на; смену принципу относительности Галилея должен был прийти принцип относительности Эйнштейна. Он добавил в теорию одну важную аксиому: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Долгое время считали, что скорость света вообще равна бесконечности. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимите ночью голову к небу. Вы увидите звезды. Закройте глаза – звезды исчезнут. Откройте их снова – звезды тотчас появятся. Поскольку между мигом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка, то свет распространяется мгновенно».
А вот уже известный нам Галилей был по этому поводу другого мнения. Он предложил проделать эксперимент по измерению скорости света. Пусть два человека, снабженных сигнальными фонарями, станут подальше друг от друга, рассуждал он. Один из них открывает свой фонарь. Второй делает то же самое, как только видит свет фонаря первого. А наблюдатель, стоящий рядом с первым фонарщиком, пусть замерит промежуток времени, который пройдет между тем мгновением, когда первый фонарщик откроет свет своего фонаря, и тем мигом, когда наблюдатель увидит свет второго фонаря.
Галилей даже попытался провести такой эксперимент на практике, но вскоре убедился – скорость света чересчур велика, чтобы ее можно было было замерить вручную.
Опыты по схеме Галилея удалось провести в XVII и XIX веках. Сначала в 1675 году датский астроном Олаф Кристенсен Ремер провел наблюдения во время затмения открытых Галилеем спутников Юпитера. При этом впервые было подтверждено, что скорость света имеет конечную величину. А потом опыт Галилея был проведен в лабораторных условиях французским экспериментатором Ипполитом Физо в 1849 году с помощью сконструированного им простейшего механического устройства.
Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами шестеренки, распространялся на некоторое расстояние (в своих экспериментах Физо доходил и до дистанции в 9 км). На этом расстоянии стоит зеркало, отразившись от которого световой луч идёт обратно. Если зубчатое колесо неподвижно, этот луч попадет в глаз наблюдателя через тот же промежуток между зубцами. А вот если колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения световой луч попадет либо на зубец, либо – при дальнейшем повышении скорости – в следующий промежуток.
Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно вычислить скорость распространения света. Физо получил в своих опытах значение скорости света, равное 313 тыс. км/с. (Для сравнения заметим, что в современных опытах, проведенных с помощью атомных часов, это значение равно 299 799 456 м/с с погрешностью + 0,2 м/с.)
Так вот, разрабатывая свою теорию относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что скорость света в пустоте, вакууме абсолютна. Она равна примерно 300 тыс. км/с, и быстрее света не может двигаться ничто.
К этому выводу Эйнштейн пришел на основании логических рассуждений, основанных на известных ему экспериментах, связанных с изучением электромагнитных процессов. Особенно высоко ценил ве ликий теоретик эксперимент голландского астронома де Ситтера, основанный на наблюдениях двойных звезд. Проведенные им исследования показали, что скорость света не зависит от скорости перемещения звезды, испускающей этот свет. Затем этот же факт неоднократно подтверждался и в других опытах.
Итак, скорость света постоянна. Так что же тогда меняется в этом изменчивом мире? Очень многое, в том числе и скорость… течения времени!
Чтобы понять, как это может быть, давайте вслед за Эйнштейном проведем мысленный эксперимент. Снова обратимся к двум лабораториям, одна из которых расположена в чистом поле, а другая в вагоне движущегося поезда.
Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Физик-наблюдатель движущейся лаборатории находится посредине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света.
Эксперимент построен так, что вспышки света от этих лампочек достигают «поездного» и «полевого» физиков строго одновременно, а 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 в полевой лаборатории 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 ими несколько ранее момента, когда меня достиг – ведь как-никак световые лучи имеют пусть и огромную, но конечную скорость. Отсюда логично предположить, что в момент испускания света передняя стенка вагона была ко мне ближе, чем задняя. А так как свет от обоих источников распространяется с одинаковой скоростью, получается, что лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней…»
В итоге вслед за нашими физиками мы должны будем прийти к выводу: одновременно или неодновременно случилось некое событие, зависит от того, с какой точки зрения мы будем их рассматривать. Если с точки зрения двигавшегося физика, то лампочки вспыхнули одновременно; если с точки зрения физика, находившегося неподвижно, то нет.
А это, в свою очередь, неумолимо приводит нас к некому логическому парадоксу (по крайней мере таковым он кажется на первый взгляд): время в разных системах отсчета течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно не абсолютно, а относительно… С точки зрения теории относительности нельзя сказать просто «сейчас столько-то времени». Надо обязательно добавлять, в какой именно системе координат.
Парадокс близнецов
Из чисто логических построений Эйнштейна вскоре последовали и практические расчеты зависимости течения, времени от скорости движения. Позвольте здесь опустить математические выкладки (как помните, их не очень жаловал и сам Эйнштейн) и сообщить вам сразу конечный результат. В движущейся системе координат время замедляется по отношению к неподвижной системе в зависимости от близости скорости движения нашего объекта к скорости света.
Это уже дает нам по крайней мере одну 'принципиальную возможность построить машину времени. Садитесь в ракету, отправляйтесь в длительное путешествие, разогнавшись до скорости, близкой к световой, и вы вернетесь на Землю значительно более молодым, чем ваши современники, провожавшие вас в полет.
В «Популярной физике» Дж. Орира даже приводится точный рас-i чет, насколько вы будете моложе. Если один из близнецов в возрасте 20 лет отправится в космическое путешествие к звезде Арктур на корабле, летящем со скоростью 0,99 скорости света, то, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он вернется 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 путешественник окажется моложе его на целую жизнь– 69,4 года!
Так что летайте субсветовыми звездолетами! Вы сэкономите себе массу времени! И был совершенно прав известный писатель В. Войнович, когда в одной из своих книг послал своего героя преодолевать 100-летний промежуток именно таким образом. Отправил его звездолетом в путешествие, а когда тот вернулся, на Земле прошло ровно столетие.