Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

промінь світла рухається за траєкторією, показаною нижче, оскільки за час, що минає між випроміненням та прийомом, годинник та дзеркало зміщуються.

Очевидно, що стосовно спостерігача на землі цей промінь проходить більшу відстань, аніж стосовно годинника в поїзді. Проте в обох випадках виміряна швидкість променя дорівнює с. Тобто оберт займає більше часу. У результаті тікання годинника, яке на поїзді триває одну мільйонну частку секунди, під час спостереження із землі триває, скажімо, дві мільйонні частки секунди. Таким чином, годинник у поїзді тікає вдвічі повільніше за годинник на землі. Для годинника в поїзді час сповільнився.

Ще химерніше те, що цей ефект абсолютно симетричний. З точки зору спостерігача в поїзді годинник на землі тікатиме вдвічі повільніше за годинник у поїзді, оскільки пасажир поїзда, який спостерігає за переміщенням світла між дзеркалами, установленими на землі, бачитиме ту саму картину.

Може скластися враження, що сповільнення годинників є лише ілюзією, проте знов-таки вимірювання дорівнює реальності, хоча в цьому випадку дещо вишуканіше, ніж у випадку одночасності. Для того, щоб пізніше порівняти годинники й визначити, годинник кого зі спостерігачів дійсно сповільнився (якщо сповільнився), принаймні одному зі спостерігачів необхідно повернутися назад і приєднатися до іншого. Цей спостерігач буде вимушений змінити свій рівномірний рух, або сповільнившись і розвернувшись, або ж прискорившись зі стану (позірного) спокою й наздогнавши іншого спостерігача.

Після цього два спостерігачі вже не будуть еквівалентними. Виявляється, що, коли спостерігач, який прискорювався чи сповільнювався, повернеться назад у початкову точку, він побачить, що постарів значно менше за свого колегу, який весь цей час перебував у рівномірному русі.

Це звучить наче наукова фантастика, і це дійсно стало поживним матеріалом для значної кількості як гарних, так і поганих фантастичних творів, оскільки робить принципово можливим якраз такий спосіб космічних перельотів галактикою, який зображено в численних кінофільмах. Однак існують кілька суттєвих ускладнень. Хоча завдяки цьому космічний корабель у принципі може облетіти галактику, уклавшись у тривалість людського життя, і Жан-Люк Пікар може пережити всі пригоди, показані в серіалі «Зоряний шлях», командувачам Зоряним флотом було б дуже важко організувати хоч якесь командування та керування хоч якою-небудь федерацією. Місія кораблів на кшталт «Ентерпрайза» могла тривати п’ять років із точки зору екіпажу на його борту, проте кожна подорож корабля від Землі до центру галактики й назад на білясвітловій швидкості з точки зору населення їхньої рідної планети зайняла б десь шістдесят тисяч років. Гірше того, для забезпечення однієї такої мандрівки знадобилося б більше пального, ніж маса всієї галактики, принаймні за умов використання традиційних ракет такого типу, який наявний наразі.

Утім, якщо відкинути всі науково-фантастичні негаразди, «уповільнення часу» – а саме так називається релятивістське сповільнення годинників стосовно рухомих об’єктів – абсолютно реальна річ, яка щодня відчувається тут, на Землі. Приміром, у прискорювачах високоенергетичних частинок на кшталт Великого адронного колайдера ми регулярно розганяємо елементарні частинки до швидкостей, які становлять 99,9999 % швидкості світла, а під час дослідження того, що сталося, спираємося на релятивістські ефекти.

Проте релятивістське вповільнення часу впливає на нас і в буденному житті. Щодня ми на Землі зазнаємо бомбардування космічними променями. Якщо взяти лічильник Ґейґера й стати посеред поля, лічильник клацатиме кожні кілька секунд, реєструючи зіткнення з високоенергетичними частинками, які називаються мюонами. Ці частинки породжуються там, де високоенергетичні протони космічних променів врізаються в атмосферу, породжуючи зливу інших, легших частинок, зокрема мюонів, які є нестабільними, із часом життя приблизно одна мільйонна частка секунди, після чого розпадаються на електрони (і мої улюблені частинки – нейтрино).

Якби не сповільнення часу, на Землі ми ніколи не зафіксували б ці мюонні космічні промені. Адже мюон, який летить із білясвітловою швидкістю, за мільйонну частку секунди, що відділяє його від розпаду, подолає десь близько трьохсот метрів. Проте мюони, що падають на Землю, долають двадцять кілометрів, що приблизно становить дванадцять із половиною миль, які відділяють верхні шари атмосфери, де вони утворюються, від нашого лічильника Ґейґера. Це можливо лише в тому разі, якщо внутрішні «годинники» мюонів (які змушують їх розпадатися приблизно через мільйонну частку секунди) ідуть повільніше стосовно наших годинників на Землі; від десяти до ста разів повільніше, ніж вони йшли б, якби утворювалися в стані спокою в земній лабораторії.

* * *

Останній наслідок здогадки Ейнштейна, що швидкість світла має бути сталою для всіх спостерігачів, виглядає навіть іще парадоксальнішим за інші, почасти через те, що стосується зміни фізичної поведінки об’єктів, які ми можемо побачити й помацати. Проте він іще й допоможе нам повернутися до наших витоків і зазирнути в новий світ поза обмеженнями нашої звичної приземленої уяви.

Попри те, що перетравлення наслідків із цього результату потребує часу, сам він формулюється дуже просто. Коли я несу предмет на кшталт лінійки й рухаюся швидко порівняно з вами, з вашої точки зору моя лінійка буде коротшою, ніж вона є для мене. Скажімо, я можу виміряти, що її довжина становить 10 см:

Але для вас вона може бути завдовжки лише 6 см:

Звісно, ви можете сказати, що це ілюзія, адже як може той самий предмет мати дві різні довжини? Атоми не можуть стиснутися тільки для вас, залишившись на місці для мене.

Утім, хай там як, але повертаємося до питання, що є «реальним». Якщо будь-яке вимірювання, якому ви можете піддати мою лінійку, показує, що вона завдовжки 6 см, то вона є завдовжки 6 см. «Довжина» – це не абстрактна величина, вона вимагає вимірювання. Оскільки вимірювання залежить від спостерігача, довжина також від нього залежить. Аби переконатися, що це можливо, а заодно висвітлити ще одну слизьку релятивістську пастку-22, розглянемо один із моїх найулюбленіших прикладів.

Припустімо, я маю автомобіль завдовжки 12 футів, а ви маєте гараж завглибшки 8 футів. Ясно, що моє авто у ваш гараж не влізе: