Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Относительность – зависимость от относительного движения
Лишь относительно недавно сверхточные методы позволили измерить, насколько медленнее «тикают часы» при движении с повседневными скоростями, от скорости бегущего человека до скорости автомобиля (от нескольких до 30 метров в секунду). Этого удалось добиться в опыте не с людьми и автомобилями, а с намного лучше контролируемыми объектами – переохлажденными ионами бериллия, магния и алюминия в остроумно придуманной схеме. Но еще в 1940-х гг. получилось проверить, насколько замедляется время, не в лаборатории, а буквально на открытом воздухе. В атмосферу Земли влетают из космоса высокоэнергетические частицы; они претерпевают там столкновения с ядрами тех атомов, которые имеются в атмосфере, отчего рождаются особые элементарные частицы – мюоны. Рождаются и быстро умирают – превращаются в другие частицы в среднем через 2,2 микросекунды (миллионной доли секунды). Некоторые мюоны движутся в сторону земной поверхности и имеют при этом большую скорость – скажем, 99 % скорости света. Но и с этой скоростью за свою короткую жизнь они могут пролететь не более 660 метров. Даже с учетом того, что не все мюоны умирают точно через указанное время – это лишь среднее время их жизни, и некоторые долгожители могли пролететь дальше, – все равно их шансы преодолеть последние 15–20 километров до земной поверхности практически равны нулю. И тем не менее наземные установки фиксируют массовый поток мюонов. Точные эксперименты ставились в 1940 г. в американском штате Колорадо, где установки были размещены на высотах 3240 и 1616 м над уровнем моря (а в 1963-м на горе Вашингтон, которая слегка недотягивает до 2000 м над уровнем моря). Разрешение парадокса в том, что мы оцениваем расстояние, которое мюонам надо преодолеть, стоя на поверхности, но относительно нас мюоны движутся так быстро, что время для них течет медленнее, чем для нас, – как оказалось, примерно в 10 раз медленнее. В итоге они (не все, но часть) успевают долететь до детекторов.
Странным в первую очередь может показаться даже не то, что время для мюона течет медленнее, чем для ученого в лаборатории, а то, что эффект вроде бы зависит от наблюдателя: что сказал бы другой ученый, летящий в суперракете вместе с мюоном по направлению к земле? Что, в более безопасном варианте, передал бы робот, помещенный в эту ракету? Ну или, чтобы обойтись даже без потери имущества, что происходит с точки зрения самого мюона? Ведь для него не имеет значения, с какой скоростью он движется относительно каких-то ученых и их установок: его среднее время жизни все равно составляет те же 2,2 микросекунды.
Относительность здесь разворачивается по полной. Факт, по поводу которого все наблюдатели согласны (мюоны долетают до поверхности в определенных измеримых количествах), получает разные объяснения для разных наблюдателей. Для наблюдателя на земной поверхности все дело в замедлении времени в 10 раз. Для мюона в те же 10 раз сокращается расстояние, которое ему предстоит преодолеть. Без привычки это выглядит не совсем обычно: про некоторые ситуации нельзя сказать, что имеет место «на самом деле». Тем не менее вся схема работает так, что не приводит к явным противоречиям – какими, например, стали бы два теоретических вывода, что мюоны не успевают пролететь 20 километров и одновременно, на основе какой-то другой цепочки рассуждений, что успевают. За 115 лет внимательного отношения к этим вопросам – с самого момента появления специальной теории относительности – таких противоречий обнаружено не было.
*****Относительность и пространство-время. Специальная теория относительности – это и есть описание движения и его свойств при наличии абсолютной скорости. Ключевые ее положения сформулированы в 1905 г. в статье Эйнштейна под техническим названием «К электродинамике движущихся тел» [65]. Слово «специальная» вошло в употребление позднее, и понимать его надо как не очень удачную замену слова «частная» в значении «не общая» (для чего есть причины, обсуждаемые на следующих прогулках). Слово «теория» же не указывает на «умозрительный» характер, а относится к математическому аппарату для выведения разнообразных следствий из основополагающих утверждений о свойствах окружающего мира. Этих основополагающих утверждений всего два. Удивительно, что они формулируются не на языке формул, а словесно. Их часто называют постулатами Эйнштейна. Законы Ньютона традиционно не называют постулатами Ньютона, но это вполне можно было бы делать, потому что они просто постулированы (объявлены верными). Закон тяготения Ньютона принимается без обоснования, а затем проверяется во всех его бесчисленных следствиях: от падения тел на землю до предела Роша и вообще всего изобилия явлений во Вселенной. Он работает в огромном числе случаев, хотя и есть ситуации, в которых он неприменим и для объяснения которых требуются более общие законы. Аналогичным образом два приведенных ниже высказывания проверяются всем опытом работающей науки. Все их следствия, собственно и составляющие специальную теорию относительности, верны для относительного движения, если оно равномерно и прямолинейно[80]. Вот эти два высказывания:
• Скорость света в пустоте – одна и та же для всех наблюдателей. Как мы уже говорили, этот тезис утверждает абсолютность скорости света.
• Все законы природы одинаковы для всех наблюдателей, которые движутся друг относительно друга с постоянной скоростью (в любом направлении, но равномерно и прямолинейно). Это высказывание известно как принцип относительности. Он говорит, что внутри вашей суперракеты после выключения двигателей жизнь устроена так же, как в моей тихоходной. Это относится к любым действиям, которые вы решите осуществить на борту в изоляции от внешнего мира. Ни один эксперимент, проведенный внутри ракеты в такой изоляции, не может подсказать вам, что вы движетесь относительно чего бы то ни было.
Эти фундаментальные высказывания об устройстве Вселенной более общие, чем, скажем, утверждения о массе нейтрино или числе кварков: мы думаем, что эти высказывания оставались бы верными, если бы наш мир населяли несколько другие элементарные частицы (собственно, нечто в этом роде и имело место в очень ранней Вселенной). Эти высказывания непосредственно относятся к движению, но глубинным образом затрагивают пространство и время. И как постепенно выяснилось, в нашей Вселенной существует не само по себе пространство и само по себе время, а нечто более общее – штука с довольно громоздким названием «пространство-время». Главное в нем, что его разделение на пространство и время происходит
