Чтобы понять, почему так происходит, рассмотрим луч света, распространяющийся на космическом корабле и на Земле. Его скорость в часах на Земле и на корабле одна и та же.
Стоп-кадры, изображенные на следующей иллюстрации, показывают, где свет окажется в разные моменты. Поскольку свет на космическом корабле должен дополнительно пройти через пространство в направлении движения корабля, он не может переместиться в направлении противоположного зеркала часов корабля на такое же расстояние. Поэтому, с точки зрения наблюдателя, находящегося на Земле, свет в его часах достигает этого зеркала раньше, чем свет в часах корабля. Таким образом, часы, расположенные на Земле, «тикают» быстрее.
Точки обозначают положения каждого из лучей света в каждом стоп-кадре, определенные с Земли
Ну хорошо, допустим… и все-таки, когда я сравниваю часы со своей точки зрения, находясь на космическом корабле, происходит нечто, явно противоречащее здравому смыслу. Чтобы понять, почему случаются такие странные вещи, нужно обратиться к так называемому «принципу относительности». Он утверждает, что равномерное движение (т. е. движение без ускорения и изменений направления) невозможно отличить от неподвижного состояния. Принцип относительности не принадлежит Эйнштейну: он был изложен еще в «Началах» Ньютона, хотя честь его осознания, по-видимому, должна быть отдана Галилею. Он отражает то странное ощущение, которое может возникнуть, когда находишься в поезде, стоящем на станции рядом с другим поездом и начинающем движение относительно его. Пока не покажется платформа, невозможно сказать, какой из поездов движется (ускорение при этом должно быть таким плавным, чтобы его нельзя было ощутить).
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.
Быстрее движешься – дольше живешь
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.
Можно ли использовать эту стратегию для продления нашей конечной жизни? Могу ли я обмануть свой собственный период полураспада? Проблема состоит в том, что, как я уже объяснял, на моем стремительном космическом корабле одновременно замедляется все. Разгон до околосветовой скорости не позволит мне выжать из Вселенной никакого дополнительного времени, чтобы решить наконец те задачи, над которыми я работаю, потому что, хотя мое тело и будет стареть медленнее, срабатывание моих нейронов замедлится тоже. В соответствии с принципом относительности мне будет казаться, что сам я неподвижен, а стремительно движется все остальное.
