Маркус дю Сотой - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

В приложении к нашим часам, расположенным на космическом корабле и на Земле, принцип относительности приводит к довольно странным результатам. С точки зрения человека на космическом корабле, это Земля уносится от него со скоростью, равной 3/5 скорости света. Из того же анализа, который мы провели выше, следует, что медленнее идут не мои часы, а ваши, оставшиеся на Земле. Выходит, что концепция времени гораздо менее очевидна, чем подсказывает наш повседневный опыт.

Все это кажется странным почти до невероятия. Как может быть, что часы на космическом корабле идут медленнее, чем на Земле, и в то же время часы на Земле идут медленнее, чем на корабле? Но, как только мы получаем неоспоримое экспериментальное подтверждение того, что скорость света остается постоянной независимо от способа ее измерения, математика неизбежно приводит нас к такому выводу. В этом заключается одна из причин, по которым я так люблю математику. Она подобна кроличьей норе логики, упав в которую можно неожиданно попасть в Страну чудес.

С точки зрения наблюдателя, оставшегося на Земле, замедляется не только тиканье часов, установленных на космическом корабле. Все, что так или иначе связано с отсчетом времени, должно замедлиться. Человек, находящийся на корабле, не знает, что с его часами происходит нечто странное. Поэтому аналогичный эффект затрагивает все, что отмеряет время, будь то кристалл кварца, пульсирующий в наручных часах, музыка Прокофьева, транслируемая по корабельному радио, старение моего тела или нервная деятельность моего мозга. Находясь на борту космического корабля, я не могу понять, что там происходит нечто необычное, потому что все, что находится на борту корабля, «тикает» с одинаковой скоростью.

Но с точки зрения наблюдателя, находящегося на Земле, кажется, что мои часы отстают, Прокофьев звучит на басах в замедленном темпе, сам я старею медленнее, а мои нейроны срабатывают не так быстро, как обычно. Время и ощущение его течения относительны. Они основаны на сопоставлении. Если все замедляется или ускоряется в одинаковой степени, разницу заметить невозможно. На борту космического корабля все кажется нормальным. Необычно только то, что, если я взгляну на Землю, я увижу, что все происходящее вокруг вас замедлилось до черепашьей скорости.

Довольно яркий пример такой относительной разницы течения времени можно найти в странном случае мюонного распада, который мы встретили на втором «рубеже». Когда космические лучи сталкиваются с верхними слоями атмосферы, такое столкновение порождает ливень элементарных частиц, в том числе мюонов, которые представляют собой более тяжелый аналог электрона. Мюоны неустойчивы и быстро распадаются на более стабильные виды материи.

Ученые используют понятие периода полураспада. Он равен времени, за которое имеющееся количество мюонов уменьшается в два раза вследствие распада. Как мы обсуждали на третьем «рубеже», точный момент распада конкретной частицы остается тайной; предсказание этого события может быть только вероятностным, сродни броску игральной кости. Что касается мюонов, через 2,2 микросекунды в среднем половина этих частиц должна распасться.

Скорость их распада такова, что, учитывая то расстояние, которое они должны пролететь до поверхности Земли, лишь немногие из них должны быть способны проделать этот путь. Однако ученые зарегистрировали гораздо большее число мюонов, чем можно было ожидать. Объяснение заключается в том, что часы, установленные «на борту» мюона, идут медленнее, так как эти частицы перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому период полураспада мюона, измеренный земными часами, и оказывается больше ожидаемого. Внутренние часы мюона идут медленнее, чем часы, находящиеся на Земле, и поэтому, так как в системе отсчета мюона проходит меньшее количество времени, те 2,2 микросекунды, за которые половина мюонов должна распасться, занимают гораздо больше времени, чем 2,2 микросекунды, измеренные часами на поверхности Земли.

Но как выглядит эта ситуация с точки зрения мюона? Его внутренние часы идут с нормальной скоростью, а вот часы, находящиеся на Земле, отстают. Так что же с его точки зрения позволяет достигать поверхности Земли большему, чем ожидалось, числу мюонов? Дело в том, что относительное перемещение объектов с большой скоростью влияет не только на время, но и на пространство. Оно также затрагивает пространство, расположенное между планетой и мюонами. Такое движение сжимает расстояния, и поэтому расстояние между верхними слоями атмосферы и поверхностью Земли с точки зрения мюона представляется гораздо меньшим, чем оно кажется нам. Поэтому мюон считает, что лететь ему не так далеко, в результате чего до цели долетает большее количество этих частиц.