Тибо Дамур - Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн

• Название: Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
• Автор: Тибо Дамур
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-2389-1

Как зарождалась теория относительности? Как повлияли революционные идеи Эйнштейна на представления о пространстве и времени, на науку и технику? Каково их место и значение в сегодняшней науке? Книга дает читателю возможность проникнуть в мир Эйнштейна, разделить те особые моменты, когда ему удавалось приподнимать краешек большой завесы, постигая скрытые механизмы Вселенной. Автор шаг за шагом скрупулезно, но занимательно и доступно рассказывает об истоках и формировании идей Эйнштейна, показывает их борьбу с устоявшимися представлениями, непростой путь внедрения этих идей в головы физиков и философов и значение для нашего времени.

---

«Но, что удивительно, оказалось, чтобы преодолеть описанную трудность, нужно было лишь осознать концепцию времени с большей степенью ясности. Было достаточно осознать, что вспомогательная величина, введенная Лоренцом и которую он назвал “местным временем”, могла быть определена как самое натуральное, обычное “время”», а также тем, что писал сам Лоренц в 1915 г.:

«Основной причиной моей неудачи [в открытии теории относительности] было то, что я цеплялся за мысль, что только переменная t может рассматриваться как истинное время и что мое локальное время t’ может рассматриваться лишь как вспомогательная математическая величина».

Что касается Пуанкаре, здесь ситуация более тонкая, поскольку он первым понял, еще в 1900 г., что «локальное время» Лоренца t’ является чем-то большим, нежели удобная вспомогательная величина. Пуанкаре действительно понял, что, если движущиеся наблюдатели решили бы синхронизировать свои часы путем перекрестного обмена световыми сигналами, предполагая одинаковую длительность передачи сигналов между двумя наблюдателями в обоих направлениях, то их часы показали бы, по крайней мере в первом приближении, «локальное время» Лоренца t’. Несмотря на это важное понимание, Пуанкаре следующим образом комментировал процедуру синхронизации в 1904 г.{26}:

«Поэтому, часы, настроенные таким образом, не будут показывать реальное время, они будут показывать то, что можно назвать локальным временем, и, как следствие, одни из них будут отставать от других. Что несущественно, поскольку у нас не будет никакой возможности это определить. Например, все явления, происходящие в точке A, будут отставать, но все в одинаковой степени, и наблюдатель не заметит этого, поскольку его часы запаздывают; таким образом, согласно принципу относительности, у наблюдателя не будет возможности определить, находится ли он в состоянии покоя или в абсолютном движении».

Эта цитата ясно показывает, что для Пуанкаре такой способ синхронизации практически (и действительно имевший практическое применение в то время){27} определял лишь некоторое приближение «реального времени» (универсального абсолютного времени Ньютона), поскольку допускал независимость от направления продолжительности передачи сигналов, что не могло быть правдой для наблюдателя в «абсолютном движении». Как пишет A. Пуанкаре в отрывке, предшествующем приведенной цитате: «В противном случае [т. е. когда наблюдатели A и B не «зафиксированы»] время передачи не будет тем же в обоих направлениях, поскольку, например, станция A движется в направлении оптического возмущения, исходящего из B, тогда как станция B удаляется от возмущения, исходящего из A». Слова, которые использует Пуанкаре: «истинное время», «отставание», «абсолютное движение» «фиксированный» и т. д., явно свидетельствуют о том, что его мысль движется внутри горизонта ньютоновских концепций – абсолютного времени, абсолютного пространства, абсолютного движения.

Важным следствием ограничения концептуального горизонта Пуанкаре является то, что «местное время», о котором он говорит в 1904 г. в процитированном выше тексте, отличается существенным образом от «времени», которое Эйнштейн связывает с движущейся системой отсчета. Действительно, внимательное чтение текста Пуанкаре 1904 г., его лекций{28} на Парижском факультете наук зимой 1906–1907 гг., а также статьи{29}, опубликованной в 1908 г., показывает, что «время», о котором он говорит, – назовем его τ – есть всегда время, секунды которого измеряются часами в «абсолютном покое». Таким образом, хотя Пуанкаре предвосхищает Эйнштейна, говоря о синхронизации посредством обмена световыми сигналами, «время Пуанкаре», τ, больше «времени Эйнштейна», назовем его t’, на фактор k, который зависит от «абсолютной» скорости наблюдателей A и B{30}.

Читатель, без сомнения, может задуматься, в чем причина такой важности численного фактора k! (Тем более, что в более поздних работах Пуанкаре фактически использует не время τ, определенное им в приведенном выше тексте, а время t’ = τ / k, предложенное Эйнштейном (и немного ранее Лоренцом)). Причина в том, что численный фактор k имеет решающее значение, поскольку представляет суть огромного концептуального различия между образом мысли Пуанкаре (и Лоренца) и восприятием Эйнштейна. Действительно, в своей статье в июне 1905 г. Эйнштейн вывел замечательное наблюдаемое следствие наличия этого фактора: часы, находящиеся в движении, идут в «ритме», отличном от часов, которые находятся в покое. Точнее, часы, движущиеся со скоростью v по отношению к некоторой системе отсчета и рассматриваемые в этой системе после устранения эффектов запаздывания, связанных с передачей электромагнитных сигналов, имеют более медленный ритм, отличающийся на фактор k = l / √(l − υ² / c²) от ритма часов той же конструкции, находящихся в покое в данной системе. Например, если скорость v равна 86,6 % от скорости света, т. е. около 260 000 км/с, то движущиеся часы будут идти в два раза медленнее, чем часы в состоянии покоя (эта скорость соответствует фактору k, равному 2). Если, на часах, рассматриваемых в состоянии покоя, проходит одна секунда, то, согласно показаниям движущихся часов, – уже две. Этот новый физический эффект, обычно именуемый теперь «замедлением времени», никогда не анализировался до Эйнштейна. Некоторые из уравнений, которыми оперировали Лоренц и Пуанкаре, были идентичны выведенным (независимо) Эйнштейном и также содержали фактор k, модифицирующий длительность «секунды» на движущихся часах, но, поскольку Лоренц и Пуанкаре всегда думали о времени с точки зрения абсолютного универсального времени Ньютона, они никогда не предлагали, как это сделал Эйнштейн, что часы в движении и те же часы в состоянии покоя могут показывать разные интервалы времени{31}.

Здесь мы подходим к самой сути концептуальной новизны теории относительности Эйнштейна: ниспровержение общего для всей Вселенной абсолютного времени Ньютона и его замена множеством независимых времен, различающихся между собой. Этот серьезный дисбаланс времени иллюстрируется так называемым парадоксом близнецов (рис. 1). В своей исходной версии этот парадокс был сформулирован Эйнштейном на конференции в Цюрихе в январе 1911 г. Он предложил представить, что некий живой организм помещается в контейнер, которому затем сообщается скорость, близкая к скорости света. (Заметим, что отношение k между «временем на Земле» и «временем в движущемся контейнере» стремится к бесконечности по мере того, как скорость контейнера приближается к скорости света.) После того как контейнер преодолевает значительное расстояние, скажем пять световых лет, он возвращается в исходную точку опять же со скоростью, близкой к скорости света. Открыв контейнер после его возвращения, мы обнаружим, что «путешествовавший» организм почти не изменился, тогда как аналогичные организмы, оставшиеся на Земле, постарели лет на 10 (или в случае более далекого путешествия или ограниченной продолжительности жизни данного организма «давно сменились бы новыми поколениями»).

Французский физик Поль Ланжевен придал этому рассуждению большую наглядность, предложив представить, что путешествующим организмом является человек, запущенный в пушечном ядре, подобно героям Жюль Верна. После возвращения путешественник, словно Рип Ван Винкль{32}, обнаружит, что его современники превратились в стариков. В более современном описании данного парадокса вместо пушечного ядра обычно используются космическая ракета и пара близнецов, один из которых совершает путешествие и после возвращения обнаруживает, что оставшийся брат стал гораздо старше него. Заметим, когда мы говорим здесь о старении или продолжительности жизни, то имеем в виду «обыкновенное время», которое организм проживает и которое измеряется, например, количеством биений сердца или интервалами, необходимыми, чтобы сварить яйцо.

Рефрижератор времени

Независимо от того, какую версию парадокса близнецов мы выбираем, эффект замедления времени, связанный с фактором k, становится ощутимым, только когда путешественник передвигается со скоростью, сравнимой со скоростью света, т. е. 300 000 км/с, что значительно превосходит все привычные нам скорости. Таким образом, поскольку парадокс близнецов возникает лишь в ситуациях, весьма удаленных от нашего повседневного опыта, кажется, что он не может повлиять на наше интуитивное восприятие времени, которое складывалось веками. Тем не менее мы можем усилить психологическое и экзистенциальное влияние этого парадокса, следуя примеру, предложенному русским физиком Г. Гамовым в его превосходных научно-популярных книгах{33}. Представим, что мы живем в мире, который отличается от нашего лишь тем, что скорость света в нем намного ниже. Например, представим, что скорость света составляет лишь 30 км/ч. В подобной вселенной внешний край детской карусели мог бы достигать скорости, весьма близкой к скорости света. Такая карусель представляла бы собой своего рода временной холодильник, который замораживает течение времени для людей, находящихся на платформе, по отношению к течению времени для внешних наблюдателей. Так, если мать двух близнецов посадит одного из них на деревянную лошадку и забудет там на год (!), то, вернувшись, она обнаружит его почти не изменившимся, тогда как его брат-близнец (и мать), оставшийся на земле станет старше на один год. Заметим, что такой временной холодильник не позволяет «жить дольше», т. е. не позволяет увеличить количество биений сердца, по сравнению с тем, что было бы на твердой земле. Полная длительность времени, прожитая движущимся близнецом и измеренная числом сердечных сокращений, будет той же (если пренебречь биологическим влиянием центробежного ускорения), что и для неподвижного близнеца. Эффект карусели позволяет лишь, как это делает криогенная консервация, вернуться в мир и обнаружить, что другие прожили определенное количество лет, которых у вас не было.