Асимметричные близнецы
Странное поведение времени в этом новом мире, открытом Эйнштейном, хорошо описывает одна классическая история. Речь в ней идет о двух однояйцовых близнецах, один из которых отправляется в космическое путешествие. Мне эта история особенно близка, потому что мои собственные дочери, Магали и Ина, – именно однояйцовые близнецы. Если Ина отправится в космическое путешествие на околосветовой скорости, а потом вернется на Землю, то, согласно физике относительности, хотя ей самой будет казаться, что она отсутствовала всего десять лет, часы ее сестры, оставшейся на Земле, уйдут далеко вперед, и Магали к моменту ее возвращения будет уже за восемьдесят.
Чтобы действительно понять асимметричную природу этой истории, нужно учесть сделанное Эйнштейном открытие относительно влияния гравитации и ускорения на время. Прежде всего Эйнштейн утверждает, что, когда Ина перемещается с постоянной скоростью, близкой к скорости света, ни одна из сестер не может определить, кто из них движется, а кто остается неподвижным. Ине кажется, что часы Магали отстают, а Магали считает, что медленнее идут часы Ины. Так почему же Ина возвращается более молодой? Почему возраст сестер оказывается разным?
Ина возвращается более молодой, ведь, чтобы достичь такой постоянной скорости, ей необходимо ускориться. Точно так же, когда она совершает разворот, она должна замедлиться, а затем ускориться в противоположном направлении. Это приводит к тому, что ее часы замедляются относительно часов ее сестры, оставшейся на Земле и не ускоряющейся. Эта-то асимметрия и приводит к тому, что Ина попадает в будущее Магали. Если бы оба близнеца улетели на космических кораблях в противоположных направлениях, их возраст остался бы одинаковым, а все те, кто остался на Земле, состарились бы быстрее их.
Общая теория относительности Эйнштейна показала, что массивные объекты притягивают не только пространство, но и время. Гравитация есть не что иное, как искривление пространственно-временной поверхности. Все, что обладает массой, искривляет такую поверхность. В качестве классической иллюстрации этого эффекта можно представить себе пространство-время в виде двумерной поверхности, а воздействующую на него массу – в виде шара, положенного на эту поверхность. Шар прогибает поверхность вниз, создавая яму. Действие гравитации можно уподобить скатыванию в эту яму.
Искажение пространства-времени оказывает интересное воздействие на свет. Свет распространяется по кратчайшему пути между двумя точками – это и есть определение «прямой» линии. Однако теперь речь идет о прямых в пространстве-времени, в котором расстояния определяются формулой Минковского, включающей в себя и пространственные, и временные координаты. Как это ни странно, оказывается, что определенное по формуле Минковского расстояние между двумя точками уменьшается, если свет преодолевает его за большее время.
Поэтому свет, стремящийся найти кратчайший путь между двумя точками пространства-времени, следует траектории, которая должна сбалансировать минимизацию проходимого им расстояния и максимизацию затраченного на это времени. При движении по траектории, на которой частица, по сути дела, находится в свободном падении, часы «на борту» этой частицы идут быстрее. Противодействуйте гравитации – и вы будете ускоряться, следовательно, замедлять ход ваших часов. Таким образом, теория Эйнштейна предсказывает, что наличие большой массы должно изгибать свет. Такое предсказание теории было в высшей степени неожиданным, но его можно было проверить на опыте, что чрезвычайно ценно для любой научной теории.
Убедительное доказательство существования такого искривления пространства-времени было получено в наблюдениях света удаленных звезд, которые британский астроном Артур Эддингтон провел во время солнечного затмения 1919 г. Теория предсказывала, что свет, идущий от удаленных звезд, должен искривляться в результате гравитационного воздействия Солнца. Затмение нужно было Эддингтону, чтобы сияние Солнца не мешало ему видеть звезды. Тот обнаруженный им факт, что свет действительно изгибается вокруг объектов большой массы, подтвердил, что кратчайший путь – не евклидова прямая линия, а кривая.
Мы сталкиваемся с тем же явлением на поверхности Земли. Самолет, летящий из Лондона в Нью-Йорк, следует не по прямой линии, как можно было бы ожидать, взглянув на карту мира, а по изогнутому пути, проходящему через Гренландию
[90]. Эта изогнутая линия соответствует кратчайшему пути между двумя точками на поверхности Земли. Звездный свет также приходил в установленный на Земле телескоп Эддингтона по кратчайшему пути.
Эддингтон объявил о полученных экспериментальных результатах, подтверждающих теорию Эйнштейна, 6 ноября 1919 г. Уже через несколько дней это великое достижение попало в газетные заголовки по всему миру. «ТРИУМФ ТЕОРИИ ЭЙНШТЕЙНА! Звезды не там, где мы думаем, но беспокоиться не о чем», – объявила газета New York Times. Лондонская Times провозгласила «Переворот в науке». Сейчас мы уже привыкли видеть в газетных заголовках бозоны Хиггса или гравитационные волны, но это был, возможно, первый в истории случай такого широкого общественного признания научного достижения. Журналисты нарекли мало кому известного сорокалетнего Эйнштейна новым Ньютоном и прославили его на весь мир.
Если вам кажется, что все эти перекосы пространства и времени чересчур сложны для вашего разума, не отчаивайтесь. Вы попали в хорошую компанию. Когда Эддингтон объявил о своем открытии искривления света, один из его коллег пришел к нему с поздравлениями: «Вы, должно быть, один из всего лишь трех человек в мире, кто понимает теорию Эйнштейна». Когда Эддингтон замешкался с ответом, коллега подначил его: «Ну же, не скромничайте». «Да нет, – отвечал Эддингтон, – я просто пытался сообразить, кто этот третий».
Однако попытки понять, что происходит со временем по мере обратного движения в сторону Большого взрыва, стали бы испытанием даже для такого понимания теории Эйнштейна, какое было у Эддингтона.
10
Есть место, где время недвижимо. Капли дождя повисают в воздухе. Маятники часов замирают на мертвой точке. Собаки задирают морды с безгласным воем. Прохожие оцепеневают на пыльных улицах с вздернутой, как у марионетки, ногой. Запахи фиников, манго, кориандра, тмина взвесью стоят в воздухе.
Алан Лайтман. Сон Эйнштейна
[91] Мне нравится дизайн моих часов. Их циферблат – это простой коричневый квадрат, обрамленный круглым серебряным корпусом. Мне нравится симметричность их формы, и в то же время между квадратом и кругом существует некое напряжение. Часы у меня недорогие, и это хорошо – я часто теряю часы.
