Дэйв Голдберг - Вселенная. Руководство по эксплуатации

• Название: Вселенная. Руководство по эксплуатации
• Автор: Дэйв Голдберг
• Издательство: ООО «Издательство ACT»
• Жанр: Физика
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-17-062989-3

Книга «Вселенная. Руководство по эксплуатации» — идеальный путеводитель по самым важным — и, конечно, самым упоительным — вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?». Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Г. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина! Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, — от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук!

---

Однако, с точки зрения Бонни, часы Эмили (и стенные, наручные, и пульс, и все прочее) все это время были замедленны. Эмили отсутствовала не два года, а целых 14!

Как ни верти, это правда. Бонни стукнет 44, а Эмили — 32. Можно даже считать движение со скоростью, близкой к Скорости света, своего рода путешествием во времени, только путешествовать вы все равно будете в будущее, а не в прошлое.

Будут и другие, не такие яркие последствия. Например, поскольку, с точки зрения Бонни, Эмили Летела прочь от Земли в течение семи лет со скоростью, близкой к скорости света, значит, она должна была пролететь семь световых лет от Земли и только потом передумала и вернулась. Значит, она пролетела почти всю дорогу до звезды Wolf-359, пятой по близости к нашему Солнцу. Однако, с точки зрения Эмили, нельзя двигаться быстрее света, так что за год она прошла только расстояние в 99 % светового года. Иначе говоря, в пути она оценивает расстояние между Солнцем и Wolf-359 всего в один световой год.

Это явление известно как, «сокращение длины». Как и замедление времени, сокращение длины — не оптическая иллюзия. Двигаясь со скоростью 99 % скорости света, Эмили наблюдает, что все, что расположено вдоль направления ее движения, сокращается в длину в семь раз. Земля покажется ей сплющенной, а Бонни — тощей, как щепка, но при этом она будет нормального роста и, так сказать, глубины.

В повседневной жизни мы не замечаем этого явления так же, как и сокращения времени. Если наш друг-пилот решит взглянуть, что делается внизу, улицы, над которыми он будет пролетать, будут несколько уже, чем обычно, но даже при полете на скорости 1000 километров в час разница составит примерно 0,04 % величины атома. При помощи теории относительности легко объяснять диковинные явления, происходящие на очень высоких скоростях, однако очевидно, что здорового питания и физкультуры она не заменит.

Замедление времени и сокращение длины наблюдаются симметрично, когда Бонни смотрят на Эмили и когда Эмили смотрит на Бонни. Тут и таится парадокс. Когда Эмили спускается с трапа своего звездолета, вернувшись на Землю после полета на Wolf-359, все единодушно говорят о том, что она постарела всего на два года, а Бонни — на целых 14. Это категорически противоречит чуть ли не всему, что мы с вами только что обсуждали, потому что мы сразу понимаем, что «двигалась» именно Эмили, а не Бонни, а первое правило, которое нам внушают, заключается в том, что невозможно различить, кто двигался, а кто был неподвижен. Как же нам разрешить этот парадокс?

Мы уже познакомили вас с одним правилом, которое говорит, включились ли в действие законы специальной теории относительности или нет: чтобы специальная теория относительности заработала, нужно двигаться равномерно и прямолинейно. А чтобы расставить все по местам, мы вам скажем с определенностью: нет, Эмили двигалась иначе. Чтобы улететь от Земли, ей нужно было взлететь и набрать скорость (подвергнувшись при этом чудовищным перегрузкам из-за ускорения), а добравшись до Wolf-359, ей пришлось сбросить скорость и развернуться, а затем — еще раз сбросить скорость, когда она садилась на Землю.

Если учитывать все эти ускорения, ничего нельзя утверждать с определенностью, и для описания происходящего нужна гораздо более сложная теория. Это видно даже из истории вопроса: Эйнштейн выдвинул специальную теорию относительности (без учета ускорений) в 1905 году, а общую теорию относительности (которая учитывает гравитацию и другие разновидности ускорения) разработал лишь к 1916 году.

IV. Можно ли развить скорость света (и поглядеть на себя в зеркало)?

Мы ушли страшно далеко от первоначального вопроса, и это никуда не годится, потому что это очень хороший вопрос — настолько хороший, что его задавал себе сам Эйнштейн. Однако вам, наверное, кажется, что мы ничуть не приблизились к ответу на него.

Au contraire![15]

Ответ будет состоять из двух частей, и одну из них вы уже готовы сформулировать (и даже уже сформулировали). Вспомним старину Рыжего и его поезд. Теперь представим себе, что поезд Рыжего едет со скоростью 90 % скорости света (или с любой другой скоростью на ваш выбор). Однако Рыжий ничего вокруг не замечает, потому что лихорадочно прихорашивается перед свиданием с красоткой Лили по прозвищу Окорочок. Не заметит ли он, глядя в зеркало на свою симпатичную физиономию, что чего-то не хватает? Нет, не заметит. Поскольку в его вагоне нет окон, а движется он равномерно и прямолинейно, нет никакого эксперимента, который показал бы ему, что он движется, а не стоит на месте. Пока зеркало движется вместе с Рыжим, он выглядит совершенно так же, как если бы никуда не ехал.

Все это прекрасно и правильно, пока Рыжий движется медленнее света, но что будет, если он движется со скоростью света? Да-да, мы понимаем, мы сами говорили, что двигаться со скоростью света никому не удастся, поэтому, вероятно, вы могли бы поверить нам на слово и тем удовлетвориться. Но зачем?

Поясним на примере. Пачкуля, завидуя успеху, который Рыжий имеет у дам, наблюдает за тем, как тот готовится к свиданию. Конечно, ему надо следить очень внимательно, ведь поезд Рыжего несется со скоростью 90 % скорости света. Трагедия происходит в тот момент, когда у Рыжего звонит мобильник (только не спрашивайте, каким образом прошел сигнал) — это Лили сообщает, что не придет. Лили говорит очень ласково, но Рыжий все равно ужасно расстроен — он хватает еще тепленькую банку фасоли и швыряет ее в переднюю стенку вагона со скоростью 90 % скорости света (с его точки зрения).

Вероятно, Пачкуля вне себя от радости, точнее, от злорадства, но это не мешает ему отметить, с какой скоростью летит банка фасоли. В годы беспечной юности он бы предположил, что фасоль летит со скоростью 1,8 с — скорость поезда (0,9 с) плюс скорость банки (0,9 с). Но он давно оставил подобные глупости.

Вспомним два факта.

1. Пачкуля видит, что часы Рыжего замедлились (в данном случае в 2,3 раза).

2. Пачкуля видит, что поезд Рыжего сжался (в данном случае опять же в 2,3 раза).

Конечно, детали тут не так уж важны, но вот что Пачкуле представляется существенным:

1) фасоли нужно гораздо больше времени, чем утверждает Рыжий, чтобы долететь от руки Рыжего до стены и расплющиться об нее;

2) фасоль пролетает куда меньшее расстояние, чем утверждает Рыжий.

Главное — то, что фасоль летит гораздо медленнее, чем говорят наши (и Пачкулины) наивные первоначальные оценки. Банка летит со скоростью не 1,8 с, а жалкие 99,44 % скорости света.

Играть в эту игру можно до бесконечности. Например, представьте себе, что на банке сидит муравей. У муравья большие планы, касающиеся царицы его муравейника, но тут она сообщает ему, что должна остаться дома, чтобы вычистить панцирь. В гневе муравей швыряет комочек пищи со скоростью 0,9 с (с его точки зрения) в сторону передней части поезда. Пачкуля, обладающий невероятно острым зрением, увидит, что крошка движется со скоростью 99,97 % скорости света.

А на крошке живет амеба, которая ждала на свидание саму себя, поскольку размножается делением, безо всякого секса… в общем, сами понимаете.

Как бы мы ни старались, сколько бы ни повторяли наши воображаемые опыты, сколько бы банок и крошек ни бросали, мы так никогда и не достигнем скорости света. Будем бесконечно приближаться к ней — и все тут.

Кроме того, чем ближе мы к скорости света, тем труднее заставлять предметы двигаться быстрее. Кажется, что разогнать предмет до скорости в 99 % скорости света требует вдвое больше работы, чем до 50 % скорости света; на самом же деле работы потребуется вшестеро больше. А для того чтобы всего-навсего разогнаться с 99 % скорости света до 99,9 %, потребуется втрое больше работы.

Итак, теперь можно поработать и над вопросом шестнадцатилетнего Эйнштейна[16]; что произойдет, если двигаться со скоростью 99 % скорости света и посмотреть на себя в зеркало?

Ничего — или по крайней мере ничего особенного. Ваш звездолет будет выглядеть как обычно, ваши внутренние часы, с вашей точки зрения, будут идти как всегда. И физиономия будет все той же. Единственное, что бросится вам в глаза, — это то, что у ваших друзей, оставшихся дома, сердца, часы, корпоративные календари и прочие приборы для измерения времени замедлились в семь раз против обычного. И к тому же все предметы сплющились под воздействием неведомого фактора.

Можно сделать еще шаг вперед и задать вопрос, изменится ли что-нибудь, если посмотреть в зеркало на скорости 99,9 % скорости света. Замедление времени и сокращение длины будут чуть больше (в 22 раза, а не в 7), а так все то же самое.

Беда в том, что все эти скорости крайне близки к скорости света, но все же не дотягивают до нее. Каждое крошечное дополнительное ускорение требует все больше и больше энергии, а для того чтобы в самом деле разогнаться до с, потребуется бесконечное количество энергии. Не очень большое, просим отметить, а именно бесконечное.