Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

Вот где пригодятся математические расчеты, выполненные нами ранее в этой главе. Мы сделали точный прогноз величины, на которую скорость движения замедляет скорость течения времени. Давайте воспользуемся нашим уравнением, чтобы определить величину замедления времени при движении со скоростью 99,94 % от скорости света и установить, на сколько при этом увеличивается продолжительность жизни мюонов. Эйнштейн предсказывает, что для мюонов в Брукхейвене продолжительность жизни повышается в γ = 1 ÷ √(1 − v ² ÷ c ²) раз, где v / c = 0,9994. Если у вас есть подходящий калькулятор, введите в него числа и подсчитайте результат. Формула Эйнштейна дает γ = 29, что и обнаружили экспериментаторы в Брукхейвенской лаборатории.

Здесь стоит сделать небольшую паузу и поразмышлять о том, что произошло. Используя теорему Пифагора и предположение Эйнштейна о постоянстве скорости света для всех наблюдателей, мы вывели математическую формулу, которая позволила нам предсказать увеличение продолжительности жизни мюонов при их разгоне в ускорителе частиц в Брукхейвенской лаборатории до 99,94 % от скорости света. Наш прогноз относительно того, что движущийся мюон должен жить в 29 раз дольше мюона, находящегося в состоянии покоя, точно согласуется с наблюдениями ученых в Брукхейвенской лаборатории. Только подумайте, как это замечательно. Добро пожаловать в мир физики! Разумеется, в конце 90-х годов XX столетия теория Эйнштейна уже получила всеобщее признание. Ученых в Брукхейвенской лаборатории интересовали другие свойства мюонов, и увеличение продолжительности их жизни оказалось просто бонусом, позволившим наблюдать за мюонами в 29 раз дольше.

Итак, мы должны сделать вывод об эластичности времени, поскольку об этом говорят результаты эксперимента. Скорость течения времени меняется от человека к человеку (или от мюона к мюону) в зависимости от скорости их движения.

Но оказывается, мы кое-что упустили (как будто нам мало странного поведения времени), и внимательный читатель, возможно, это заметил. Вернемся к мюонам, быстро движущимся в ускорителе. Давайте разместим в кольце небольшую финишную черту и подсчитаем, сколько раз мюоны пересекут ее, прежде чем погибнуть. С точки зрения стороннего наблюдателя они пересекут ее 400 раз. А с точки зрения движущегося мюона? Конечно 400, в противном случае все это было бы полной бессмыслицей. Проблема в том, что если бы мы двигались вместе с мюонами, то, согласно нашим наблюдениям, их жизнь составляла бы всего 2,2 микросекунды. Тем не менее за этот короткий срок мюоны должны успеть сделать более 400 оборотов в ускорителе. Так что же происходит? 400 оборотов за 2,2 микросекунды кажутся совершенно невозможными. К счастью, из этой ситуации есть выход: можно представить, что в восприятии мюона кольцо становится меньше. Чтобы быть полностью последовательными, длина кольца, которую определили вы с мюоном, должна уменьшиться ровно настолько, насколько, с точки зрения стороннего наблюдателя, увеличилась продолжительность жизни мюона. Получается, что изменчиво не только время, но и пространство! Как и замедление времени, это реальный эффект, а не иллюзия. Реальные объекты действительно сжимаются в процессе движения. В качестве несколько гротескного примера представьте себе четырехметровый автомобиль, который пытается втиснуться в гараж длиной 3,9 метра. Согласно Эйнштейну, если автомобиль движется быстрее, чем 22 % от скорости света, то он поместится в гараже – по крайней мере на ничтожную долю секунды до того, как передний бампер упрется в стенку гаража, а задний уже пересечет линию ворот. Если вы проверите математические выкладки, то убедитесь, что 22 % от скорости света как раз хватит. Автомобиль, движущийся с еще большей скоростью, сожмется до размера менее 3,9 метра; но если скорость будет меньше, он не поместится в гараж.

Открытие, что течение времени может замедляться, а расстояние – сжиматься, выглядит достаточно странным даже по отношению к субатомным частицам, но рассуждения Эйнштейна применимы в равной мере и к объектам размером с человека. Однажды нам даже, быть может, придется положиться на это необычное явление ради выживания. Представьте себе жизнь на Земле в далеком будущем. Через несколько миллиардов лет Солнце уже не только не будет стабильным источником света, поддерживающим жизнь на нашей планете, но и превратится в непредсказуемого клокочущего монстра, который может поглотить Землю в своей агонии. Если человечество не погибнет гораздо раньше по иной причине, ему придется покинуть дом предков и искать счастья среди звезд. Млечный Путь, наш местный спиральный остров в космосе, состоит из сотни миллиардов звезд и имеет 100 тысяч световых лет в диаметре. Это означает, что свету требуется 100 тысяч лет, чтобы пересечь галактику, – с точки зрения наблюдателя на Земле. Хотелось бы надеяться, что необходимость в этом уточнении понятна, учитывая всего вышесказанное. Может показаться, что возможное распространение человечества в пределах Млечного Пути всегда будет ограничено лишь крошечной частью звезд, расположенных неподалеку (по астрономическим масштабам) от нашего дома, так как вряд ли можно ожидать путешествия в удаленные уголки галактики, куда сам свет добирается только за 100 тысяч лет. Но нас спасет Эйнштейн. Если бы мы могли построить космический корабль, который бы развивал скорость, близкую к скорости света, то расстояние до звезд сократилось бы, причем тем сильнее, чем ближе скорость корабля будет к скорости света. Если мы достигнем скорости в 99,99999999 % от скорости света, то сможем пролететь весь Млечный Путь и даже путь до ближайшей галактики (Туманности Андромеды, находящейся почти в 3 миллионах световых лет от нас) за каких-то 50 лет. Правда, это очень сложная задача, особенно с точки зрения мощности двигателей корабля, необходимой для такого разгона, но главное в том, что искривление пространства и времени позволяет путешествовать в отдаленные части Вселенной за реально воспринимаемое время. Если бы вы входили в состав первой экспедиции к Туманности Андромеды, до которой добрались бы за 50 лет, то ваши дети, рожденные в космосе, могли бы захотеть вернуться в мир своих родителей, чтобы взглянуть на Землю собственными глазами (хотя для них наша голубая планета была бы не более чем красивой сказкой). Если бы вы развернули корабль и вернулись за 50 лет на околоземную орбиту, вся продолжительность экспедиции составила бы 100 лет. Но за это время для обитателей Земли прошло бы шокирующих 6 миллионов лет. Разве пережила бы это время цивилизация-прародительница? Эйнштейн открыл нам глаза на очень странный и удивительный мир.