А потом оказалось, что свет довольно нетороплив для нашей колоссальной Вселенной, но разогнаться быстрее, увы, невозможно. Впрочем, некоторые физики все еще надеются открыть сверхсветовые частицы.
В 1676 г. датский астроном Олаф (Оле) Ремер впервые измерил скорость светового луча. Ученый наблюдал Юпитер и его спутник Ио. Он обнаружил, что движение юпитерианской луны выглядит не совсем периодичным. По мере того, как планета-гигант удаляется от Земли, появление Ио из тени Юпитера все больше отстает от графика.
Ученый верно рассудил, что дополнительные минуты требуются свету, чтобы покрыть увеличившееся расстояние до Земли. Правда, из-за несовершенства своих приборов он занизил скорость света примерно в полтора раза.
По самым свежим данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду (обычно запоминают приближенную цифру в 300 000 км/с). Другими словами, за секунду свет проходит 7,5 земных экватора.
Немудрено, что многие мыслители — например, Декарт — считали распространение света мгновенным! Но по меркам космических расстояний он не так уж и быстр. Лунный свет добирается до Земли дольше секунды, солнечный — 8 минут, свет ближайших звезд — годами, а самых далеких галактик — более 10 млрд лет.
С какой точностью известна скорость света? Ответ неожиданный: ни с какой. С 1983 года сам эталон длины жестко привязан к скорости света. Так что нынешний подход гласит: мы абсолютно точно знаем скорость света в метрах в секунду, а теперь посмотрим, насколько велик метр (для определения секунды есть свои способы).
Чем же так важна скорость света, что к ней привязывают определение метра и, значит, измерение расстояний? Для ответа нам придется познакомиться со специальной теорией относительности.
Пространство и время сходят с ума
Специальная теория относительности (СТО) была создана в начале XX в. Альбертом Эйнштейном, Анри Пуанкаре, Хендриком Лоренцом и другими учеными. Слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Здесь оно не означает «нечто гипотетическое», как термин «теория твердого тела» не означает, что кто-то не уверен в существовании твердых тел.
СТО не просто подтверждена огромным количеством экспериментов, она стала основой работающих технологий. Усомниться в ней, конечно, никто не запретит, но без нее все равно ничего работать не будет.
Сама по себе относительность движения — очень простая вещь. Допустим, вы сидите в купе идущего поезда. Движетесь вы или нет? Относительно придорожного столба — да, относительно вагона — нет. Относительно вагона два последовательных удара вашего сердца произошли в одной и той же точке пространства. Относительно столба — в разных. Значит, бессмысленно говорить о местоположении и скорости, пока не сказано, относительно чего они измеряются. Скорость и положение в пространстве относительны.
Что же тогда абсолютно? До появления СТО считалось, что абсолютен ход времени. Часы в вагоне и на перроне показывают одинаковое время. Кроме того, абсолютна длина тел. Мы можем измерить длину движущегося вагона, ползая по нему с рулеткой или же обшаривая его радаром со станции. В обоих случаях мы получим одну и ту же величину.
Однако специальная теория относительности демонстрирует, что и длина тел, и ход времени тоже относительны. Движущиеся часы отстают от неподвижных, и не потому, что портятся, а потому, что для них замедляется само время. Оно выкидывает и еще более удивительные фокусы, о которых мы поговорим ниже.
Почему мы не замечаем всего этого? Потому что движемся слишком медленно. При скорости космического корабля 10 км/с бортовые часы будут идти лишь на 6 стомиллионных долей процента медленнее неподвижных. Только самые точные хронометры могут обнаружить этот эффект (и они его действительно обнаруживают).
Но при скорости 87% от световой время замедлится вдвое, а при 99,99% световой — более чем в 70 раз. Это прекрасно видно по нестабильным частицам, которые разгоняются в ускорителях до околосветовых скоростей.
Время их жизни отмеряется их собственными внутренними «часами», так что по нашим часам они живут непозволительно долго. Теоретически, все ближе подбираясь к скорости света, можно замедлить время в любое количество раз.
Относительно почти все…
Договорившись, относительно чего мы наблюдаем движение, мы, как говорят физики, выбираем систему отсчета. Земля и вагон — это разные системы отсчета. Ничего удивительного, что в первой пассажир движется, а во второй неподвижен.
Специальная теория относительности рассматривает только инерциальные системы отсчета (ИСО). Они так называются потому, что в них выполняется закон инерции. Этот закон гласит: если на тело не действуют никакие силы, оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.
Земля — классический пример ИСО (вообще-то вращение планеты делает ее слегка неинерциальной, но лишь чуть-чуть). Есть волшебное правило: система отсчета, которая прямолинейно и равномерно движется в некоторой ИСО, сама, в свою очередь, является инерциальной.
Если бы вагон все время шел с постоянной скоростью по идеально прямой дороге, он был бы инерциальной системой. Иное дело — реальный вагон (особенно в метро), который разгоняется, тормозит, поворачивает и покачивается. Положите на пол футбольный мяч и убедитесь, что закон инерции здесь не действует!
Еще Галилей и Ньютон осознавали глубочайшую истину, сегодня известную как принцип относительности. На современном языке она гласит: во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы.
Представим себе, что Ньютон провел всю жизнь в нашем идеальном вагоне. Там он открыл бы те же самые законы движения, что и на твердой земле. А в отсутствие окон даже этот великий физик не смог бы понять, что он вообще движется относительно чего-то внешнего. Ведь система отсчета идеального вагона ничем не отличается от любой другой ИСО, в том числе и прикрепленной к Земле.
…Кроме скорости света
Итак, согласно принципу относительности Галилея, нет единственно верной точки отсчета, с которой нужно изучать Вселенную. Поистине глубокое утверждение, если забыть, что оно относится только к законам механики, науки о движении тел.
Но почему только механики? Чем хуже, скажем, законы электричества и магнетизма? И Эйнштейн решился на смелый шаг. Он постулировал, что не только законы механики, но и вообще все законы физики одинаковы в любых ИСО. Это утверждение теперь известно как принцип относительности Эйнштейна, или первый постулат специальной теории относительности.
Проблема в том, что законы электродинамики жестко фиксируют скорость света. Это просто-напросто константа, входящая в уравнения электромагнитного поля. И если эти уравнения одинаковы во всех ИСО, то и скорость света тоже.
Что в этом удивительного? Представим себе, что вагон движется со скоростью 60 км/ч, а пассажир идет по нему по ходу движения. Относительно вагона скорость человека будет 5 км/ч, а относительно Земли — уже 65 км/ч. Это называется (классическим) законом сложения скоростей.
А теперь пусть перед нами не человек, а луч света из фонарика. В ИСО вагона его скорость 300 000 км/с, а в ИСО Земли? Согласно принципу относительности, тоже 300 000 км/с, ведь законы электродинамики одинаковы! На свет не распространяется привычное сложение скоростей. Скорость света не относительна, она абсолютна. Это второй постулат специальной теории относительности.
Всю СТО можно вывести из первого и второго постулатов, применив математику и изобретательность. И полученные следствия настолько удивительны, что современникам потребовалась немалая смелость, чтобы их принять.
Текущие часы
Установим на Земле и на космическом корабле одинаковые часы. СТО утверждает: с точки зрения землянина корабельные часы будут отставать. Правда, с точки зрения космонавта это земные часы будут отставать от корабельных. Ведь в своей системе отсчета он стоит на месте, а Земля движется.
Кто прав, космонавт или землянин? Принцип относительности говорит: правы оба, но каждый в своей системе отсчета! Теория относительности заставляет отказаться от мысли, что есть единый и истинный ход времени.
И замедление времени — еще не самое удивительное. Одновременность тоже относительна. События, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого. Даже прошлое и будущее могут меняться местами при смене системы отсчета.
Укротить относительность
Неужели выбором системы отсчета можно изменить буквально все? Можно ли настолько разогнать космический корабль, что по его часам ваш отец родился раньше вашего деда? Из постулатов Эйнштейна можно вывести правило, отвечающее на этот вопрос. Допустим, два события происходят в разных точках пространства и в разные моменты времени. Дальше все зависит от того, успеет ли свет дойти из одной точки в другую, чтобы застать оба события.
Например, первое событие — падение яблока на Земле, а второе — падение кометы на Проксиму Центавра. И произошло оно по земным часам спустя неделю после падения яблока. До Проксимы четыре световых года, так что за неделю свету никак не поспеть. Тогда найдется система отсчета, по часам которой земное яблоко упало не раньше, а позже прокисимианской кометы. Зато не будет системы отсчета, в которой эти события произошли в одной точке пространства.
Пусть теперь первое событие — рождение вашего деда, а второе — рождение вашего отца. Между этими знаменательными датами свет уж точно успел бы дойти от первого роддома до второго (если, конечно, никто из ваших родственников не инопланетянин). Значит, ни по каким звездолетным часам ваш отец не родился раньше вашего деда. Зато найдется система отсчета, в которой два семейных события произошли в одной точке пространства.
Эти правила кажутся сложными и бессмысленными. Но они обретают глубочайший смысл, если вспомнить об одном тезисе, который часто связывают со СТО: ни вещество, ни энергия, ни информация не могут двигаться быстрее света.
Это значит, что падение яблока и падение кометы никак не могли повлиять друг на друга. Никакой сигнал не покрыл бы расстояние между Землей и Проксимой Центавра за неделю. А раз они никак не связаны, то в определенном смысле все равно, какое произошло раньше, а какое позже. Прошлое меняется местами с будущим без всяких последствий.
С рождениями двух ваших родственников все наоборот. Рождение деда прямо повлияло на рождение отца, не так ли? Ничего удивительного, что СТО не позволяет переставлять порядок событий. Природа как бы запрещает машину времени, оберегая нас от смакуемых фантастами парадоксов.
Самый обидный запрет во Вселенной
Предельность скорости света, невозможность ее превзойти — это одно из самых важных свойств этой скорости, которое ужасно огорчает романтиков, мечтающих о межзвездных перелетах. Тем удивительнее, что специальная теория относительности, строго говоря, не запрещает сверхсветового движения.
Что СТО на самом деле запрещает делать, так это преодолевать световой барьер, и не важно, с какой стороны. Раз уж мы с вами движемся медленнее света, то это навсегда. Разогнаться до световой и тем более сверхсветовой скорости мы не можем: согласно формулам СТО, для этого потребовалась бы бесконечная энергия.
Свет тоже обречен на свою постоянную скорость, он не может ни ускориться, ни замедлиться. А если существуют сверхсветовые частицы, то они не могут затормозиться до световой и тем более досветовой скорости. Некоторые исследователи допускают, что такие частицы — так называемые тахионы — и впрямь существуют.
Главная трудность в том, что тахионы нарушают принцип причинности. Он гласит, что причина всегда предшествует следствию. Однако принцип причинности — не постулат и не следствие СТО, и теоретически он не обязан выполняться. При этом практически никто никогда не видел, чтобы он нарушался, и физики с этим считаются.
Между тем, сверхсветовая частица может — в определенной ИСО — достигать приемника раньше, чем вылетает из источника. Это про тахион должна была быть написана известная эпиграмма «На теорию относительности»:
Сегодня в полдень пущена ракета.
Она летит куда скорее света
И долетит до цели в семь утра
Вчера.
(перевод С. Маршака)
Ракеты не летают быстрее света, но если заменить «ракета» на «тахион», все будет правильно.
Принцип причинности заставляет многих физиков отрицать существование тахионов и говорить, что частицы не могут двигаться быстрее света. Тем более что такой запрет удивительно согласуется со всеми этими правилами насчет роддомов и яблок, выведенными из СТО без всякой опоры на причинность. Сегодня мало кто из физиков всерьез надеется, что тахионы когда-нибудь будут обнаружены.
Как обогнать свет
И все-таки сверхсветовое движение существует — правда, в этом случае движется всегда нечто нематериальное, и оно не может передать информацию из одной точки пространства в другую. Посветим на стену лазерной указкой. Легко заметить, что чем дальше мы от стены, тем быстрее мечется световое пятно, откликаясь на поворот указки. Между тем, луч мощного лазера может достать даже до Луны. И тогда достаточно поворачивать его на 45 градусов в секунду, чтобы солнечный (точнее, лазерный) зайчик проносился по Селене со сверхсветовой скоростью.
Это впечатляет. Но что именно столь быстро движется от одного лунного кратера к другому? Свет? Нет, он распространяется совсем по другой траектории: от Земли к Луне. По поверхности нашего спутника перемещается зона освещения, а это не вещество и даже не поле. И она не может передавать информацию по пути.
Если в один кратер упадет метеорит, зайчик не сможет «рассказать» об этом другому кратеру. Чтобы световое пятно как-то отреагировало на падение, нужно, чтобы оное падение увидел человек, управляющий лазером. А увидит он его не раньше, чем лучи света достигнут Земли — естественно, со световой скоростью.
Расширение Вселенной тоже может происходить со сверхсветовой скоростью. Это не противоречит СТО, ведь расширение пространства — не то же самое, что движение тела в пространстве. Так что не удивляйтесь, читая новости о «сверхсветовых галактиках».
Однако расширение Вселенной подчиняется общей, а не специальной, теории относительности. Это более позднее творение Эйнштейна рассматривает не только инерциальные, но и неинерциальные системы отсчета, а еще увязывает пространство и время с гравитацией. Но это совсем другая история, и мы расскажем ее как-нибудь в другой раз.
Иллюстрации: Виктор Богорад
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 7, октябрь 2022
