Что же особенного в скорости света?

Когда я был подростком и прочитал о теории относительности (в замечательной книге Георгия Гамова[52]One Two Three… Infinity («Один, два, три… бесконечность»), то задал себе вопрос: «Что особенного в свете, если обозначение его скорости с [53]присутствует во всех основных уравнениях, связанных с релятивизмом? Разве свет – это более фундаментальное явление, чем, скажем, электрон?»

Когда я начал изучать физику, сначала в старшей школе, потом в колледже и докторантуре, а затем и всю оставшуюся жизнь, понял: свет просто оказался тем первым явлением, которое обладало совершенно особенным качеством – нулевой массой покоя, то есть тем, что записывается в уравнениях как m. (Релятивистская масса обозначается γm .) Теперь мы знаем и о других таких частицах. Гравитационные волны, которые состоят из гипотетических частиц, называемых гравитонами, тоже обладают нулевой массой покоя (или нулевой массой поля) и движутся со скоростью света. То есть уравнения в теории относительности мы могли бы записать и без включения в них скорости света, а использовать для этого скорость гравитонов. Тогда буква с в уравнении обозначала бы их скорость. Такая частица, как нейтрино, тоже не имеет массы покоя. Ее можно называть безмассовым нейтрино. Тогда с обозначала бы скорость безмассового нейтрино.

Лучше всего было бы назвать с эйнштейновой скоростью. Ее можно было бы обозначить и как предельную скорость, то есть максимальную, которую способна развить масса. Тогда она существовала бы независимо от фотонов, действительно движущихся со скоростью света. По теории относительности, все лишенные массы частицы передвигаются с эйнштейновой скоростью. Именно она имеет фундаментальное значение. Фотоны, гравитоны и безмассовые нейтрино (если они существуют) имеют скорость света. Мы также считаем, что на ранних этапах существования Вселенной, еще до того, как образовалось так называемое поле Хиггса, все частицы (включая электроны и составные части протона, или кварки) были безмассовыми и двигались с эйнштейновой скоростью, то есть со скоростью света.

Парадоксальность нулевой массы покоя фотонов или других безмассовых частиц состоит в том, что привести их в состояние покоя, то есть остановить, невозможно. У них нулевая энергия (гамма-фактор составляет 1, а m – 0, так что энергия также будет равна нулю: E = γmc ² = 0). Поэтому такая частица не будет существовать в состоянии покоя. Если мы, например, попытаемся привести свет в состояние покоя за счет поглощения его черной поверхностью, он отдаст всю энергию, нагревая эту поверхность, и света больше не будет.

Черные дыры

Черные дыры – это гигантские объекты с огромной массой, плотностью и гравитацией, куда можно провалиться, но вернуться откуда невозможно. Это загадочное их качество, видимо, задает направленность времени. Более того, изучение черных дыр, судя по всему, приведет нас к обнаружению других свойств времени, которые будут еще более странными, чем те, о которых мы говорили.

Идея черной дыры зародилась еще в 1763 году у английского ученого Джона Мичелла[54], который понял, что вторая космическая скорость[55]у массивных звезд может даже превышать скорость света. Если свет не может преодолеть их силу гравитации, такие звезды будут казаться черными. Мичелл даже сделал соответствующие вычисления на основе составленного им уравнения, которое оказалось правильным. Однако идея ученого не привлекла особого внимания, потому что в то время науке уже было известно о волновой природе света, и многие ошибочно полагали, что волны не могут быть остановлены силой гравитации. Теперь из теории относительности мы знаем: поскольку волны обладают энергией, то они обладают и массой, и сила гравитации на самом деле воздействует на них.

Чтобы образовалась черная дыра, вторая космическая скорость которой будет очень высокой, в маленьком объеме пространства должна сосредоточиться колоссальная масса. Предположим, мы смогли сжать массу Солнца в шар, имеющий 1 километр в диаметре. Благодаря знаниям из начального университетского курса физики высчитаем, что в этом случае скорость убегания от него составит 500 млн м/с, или примерно 1,7 скорости света[56]. Свет не сможет прорваться к нам с поверхности такого светила. «Сжатое» таким образом Солнце будет абсолютно черным.

Теория относительности позволяет вывести свойства черной дыры другим способом, через релятивистское увеличение массы. Энергия, необходимая для запуска спутника в космос, зависит от его массы. Однако чем большая скорость ему придается, тем большей массой он обладает. Таким образом, высокая скорость увеличивает и силу гравитационного притяжения. Если масса звезды достаточно велика, а ее радиус достаточно мал, то никогда не будет возможно сообщить спутнику такую кинетическую энергию, которая преодолела бы увеличивающуюся силу гравитации.

На жаргоне физиков это выглядит так: кинетическая энергия (энергия движения) всегда будет меньше, чем энергия связи (энергия потенциальная) такой звезды. Спутник упадет независимо от придаваемой ему скорости. Это произойдет, если масса звезды M будет сжата в радиус R. При этом формула для вычисления радиуса выглядит следующим образом:

R = 1,5 × 10−27M [57].

Это значение R называется радиусом Шварцшильда, или гравитационным радиусом (радиусом сферы, на которой сила тяготения, создаваемая массой m, лежащей внутри этой сферы, стремится к бесконечности).

Масса Земли составляет 6 × 1024 кг. Если подставить это значение в вышеприведенную формулу, то гравитационный радиус Земли окажется около 0,01 м, или 1 см. Моя масса равна 83 кг, поэтому я превращусь в черную дыру, если мою массу можно будет «впихнуть» в радиус R = (1,5 × 10−27)(83) = 1,3 × 10−25 м. Это в миллиард раз меньше, чем ядро атома.

Ученые считают, что существует механизм, который превращает объекты в несколько раз тяжелее Солнца в черные дыры. Он включает в себя так называемую вспышку сверхновой звезды. Взрыв сопровождается выбросом значительной массы вещества из внешней оболочки звезды в межзвездное пространство, а внутреннее ядро звезды при этом подвергается гравитационному коллапсу – катастрофически быстрому сжатию под действием гравитационных сил. Несколько известных астрономических объектов, считающихся черными дырами, судя по всему, образовались именно таким образом. Среди них Лебедь Х-1 – известный галактический источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя.

Этот объект стал предметом знаменитого (среди физиков) пари между американским физиком и астрономом Кипом Торном и известным английским физиком-теоретиком и специалистом по черным дырам Стивеном Хокингом. Торн утверждал, что Лебедь Х-1 – настоящая черная дыра, Хокинг был убежден в обратном. Через 15 лет Стивен признал, что был неправ. Он выполнил условие пари и подарил Торну подписку на журнал Penthouse. Конечно, в результате этого проигрыша приобрел пользу и Хокинг, поскольку проводившиеся им в предыдущее десятилетие исследования черных дыр оказались бы лишенными смысла, если бы этих дыр действительно не было. Это признал и сам Хокинг. Как ни парадоксально, но далее я покажу, что Лебедь Х-1 пока не считается черной дырой с точки зрения теории относительности, хотя и очень близок к этому.

Нам неизвестны механизмы, которые превратили бы в черные дыры Землю или меня самого.

* * *

Людей волнуют в теории относительности не таинственные черные дыры, а явное противоречие, которое возникает в связи с возможностью замедления времени. Движущийся человек старится медленнее, чем тот, что находится в состоянии покоя. Хорошо, но разве любое движение не относительно? Кто из этих людей движется, а кто остается неподвижным? Это звучит таким образом, что оба они должны медленнее стареть.

И это действительно так, только в соответствующих системах отсчета. Но что же тогда происходит, когда один из них возвращается и они встречаются? Они не могут быть оба моложе, когда стоят друг против друга. Феномен времени легче понять, тщательно разбирая эти парадоксы.

Глава 4

Противоречия и парадоксы

Релятивизм выглядит логически непоследовательным, пока вы не посмотрите на него пристально и тщательно…

Всякая истина проходит через три этапа. На первом ее высмеивают. На втором ей яростно сопротивляются. На третьем принимают как самоочевидную.

Часто приписывается Артуру Шопенгауэру

Парадокс, парадокс.

Самый гениальный парадокс.

Комическая опера «Пираты Пензанса»[58]

Открытие Эйнштейном того, что время для движущихся объектов замедляется, имело ошеломляющий резонанс. Обнаружение относительности порядка происхождения событий вызывало беспокойство. А его последующие выводы касательно энергии показались вообще невероятными. Более всего изучение Эйнштейном времени показало, что само время полно неожиданностей и что сделанные ученым выводы влияют не только на наши представления о Вселенной, но и на повседневную жизнь.

Даже если вы соглашаетесь с теорией Эйнштейна, некоторые ее последствия не перестают удивлять. Сформулированные определенным образом, результаты исследований ученого приводят к явным противоречиям, которые могут свести с ума не только студентов, но и некоторых профессоров. Два самых известных и сбивающих людей с толку из таких противоречий получили название парадокс близнецов и парадокс шеста и сарая. Здесь я привожу еще третий парадокс – тахионное убийство [59].

Теория относительности совершенно последовательна, однако для новичка это не всегда очевидно. Явные противоречия и парадоксы в ней основаны на простых ошибках, подобных присутствующим в доказательстве[60], что 1 = 2. Вы можете подумать, что эти парадоксы мучают только начинающих? Но и у искушенных профессионалов существуют предрассудки и представления, о которых они не догадываются. В результате даже многие профессора путаются, пытаясь объяснить эти парадоксы своим студентам.

Парадокс шеста и сарая

У фермера есть сарай длиной 6 метров с дверью в торце. Свой 12-метровый шест он хотел бы хранить в сарае. Он изучал теорию относительности, поэтому хочет использовать эффект сжатия объектов, чтобы уместить шест внутри сарая. Он разбегается и бежит со скоростью, достаточной, чтобы длина шеста уменьшилась наполовину. Это означает, что гамма-фактор в этом случае будет равен 2. Фермер намеревается закрыть дверь сарая, когда шест окажется внутри. По его мнению, это должно получиться.

Однако как только фермер начнет разбегаться с шестом, он поймет, что в его собственной системе отсчета (когда он бежит), короче становится не шест, а сарай. При этом гамма равна 2. Значит, сарай оказывается длиной всего 3 метра. Собственную систему отсчета бегущего фермера можно считать и системой отсчета шеста, поэтому он сохраняет неизменной длину 12 метров. Конечно, 12-метровый шест не помещается в 3-метровый сарай. Однако в собственной системе отсчета сарая шест в него легко входит. Что же на самом деле произошло? Удалось фермеру поместить шест в сарай или нет? Как ответ зависит от системы отсчета? Ведь шест либо помещается в сарае, либо нет. Двух правильных ответов быть не может.

Этот парадокс легко разрешается, если будет очень точно сформулирован. Под словами внутри сарая мы подразумеваем, что оба конца шеста оказываются в сарае одновременно. Это с точки зрения собственной системы отсчета сарая. То есть имеется в виду, что когда передний конец шеста ударяется о заднюю стенку сарая, одновременно с этим за задним концом шеста закрывается дверь. Однако два этих события не одновременны с точки зрения собственной системы отсчета шеста. В этой системе отсчета сначала передняя часть шеста ударяется о стенку сарая, и только потом задняя часть шеста входит в дверь.

Как всегда, оба наблюдателя согласны друг с другом. Оба говорят, что концы шеста находятся в сарае. В собственной СО сарая два этих события одновременны. В собственной СО шеста, даже если оба его конца оказываются в сарае, они делают это не одновременно. «Нахождение внутри сарая» – утверждение, которое хитро обходит вопрос об одновременности событий.

Для тех, кто интересуется математическими деталями, в Приложении 1 приводятся вычисления, иллюстрирующие разрешение этого парадокса.

Парадокс близнецов

Представьте себе близнецов Джона и Мэри. Им по 20 лет. Джон остается дома, а Мэри отправляется в путешествие на далекую планету в космическом корабле, летящем с большой скоростью. Скорость корабля дает гамма-фактор замедления времени, равный 2. С точки зрения Джона, Мэри остается моложе. Однако с точки зрения Мэри, моложе остается Джон. Но они не могут быть правы оба. Что произойдет, когда Мэри вернется? Они поймут, кто моложе, только когда встретятся. Парадокс!

Чтобы его разрешить, мы опять-таки должны очень тщательно подбирать слова. Нужно быть очень осторожным с представлениями о том, что понимать под одновременностью , которые могут быть скрытыми и неправильными. Мы также должны отдавать себе отчет, что люди могут сообщать о результатах своих наблюдений, только используя координаты собственных систем отсчета.

Что касается путешествия Мэри, близнецы во всем согласны. Мэри движется относительно собственной СО Джона. Джон движется относительно собственной системы отсчета Мэри. В СО Джона моложе Мэри; в СО Мэри моложе Джон.

Хорошо, но что произойдет, когда Мэри прекратит движение вперед, вернется, встретится с Джоном и они сравнят свой возраст? В этот момент их собственные системы отсчета будут идентичными. Кто из них окажется моложе? Оба моложе быть не могут. И в действительности оба они не станут моложе.

Этот парадокс может быть разрешен при рассмотрении вопроса об одновременности. С числами я поработал в Приложении 1, где приведены предположительные величины скоростей и расстояний. Прежде чем Мэри повернет назад, в ее собственной системе отсчета Джон будет моложе. Это значит, что свой последующий день рождения она будет праздновать одновременно с предыдущим днем рождения Джона. Однако после того как Мэри повернет назад , в ее собственной системе отсчета эти два события уже не будут одновременными. В новой системе отсчета Джон одновременно с Мэри празднует в свой день рождения гораздо больше лет, чем она.

По пути Мэри назад в ее СО движется уже Джон, поэтому он стареет медленнее. Однако «прыжок» во времени был столь значительным, что при их встрече Джон все еще будет старше Мэри. Это тот же результат, который мы получили бы, если бы делали все вычисления в собственной СО Джона. Уравнения и расчеты приведены в Приложении 1, однако упомянутый «прыжок» времени и потеря одновременности оказываются ключевыми факторами.

Но разве не относительно любое движение? Кто определяет повернувшего назад? Не можем ли мы допустить, что это Джон направился назад, а не Мэри?

Нет, не можем. Относительно того, кто именно повернул назад, несогласия между наблюдателями нет. Именно Мэри отправилась в путешествие, и именно она испытала на себе ускорение. И Джон, и Мэри знают, что собственная система отсчета Мэри двигалась с ускорением, а собственная система отсчета Джона – нет. В теории относительности не будет истиной то, что «любое движение относительно». Истиной будет то, что вы можете делать все свои вычисления в любой СО, которая движется с постоянной скоростью. Если СО движется с ускорением, вы должны принимать во внимание «прыжки» времени относительно отдаленных событий.

Тахионное убийство

Кажущийся странным вывод теории относительности о том, что порядок событий может меняться для разных систем отсчета, открывает перед нами новую сторону действительности: глубокие вопросы причинности и свободы воли. Эти вопросы можно инсценировать историей о тахионном убийстве.

Тахион – это гипотетическая частица, которая двигается со скоростью больше скорости света. Примечательно, что теория относительности не отрицает возможности движения частиц с такими скоростями. Она говорит только, что лишенные массы частицы должны двигаться со скоростью света , а частицы, обладающие ненулевой массой, не могут двигаться с такой скоростью (поскольку гамма-фактор тогда составлял бы бесконечность и они обладали бы бесконечной энергией). Уравнения теории относительности не отрицают принципиального существования скоростей больше скорости света.

Как можно заставить что-то двигаться со скоростью больше скорости света, не минуя саму скорость света? А для этого нужно, чтобы это что-то родилось на сверхсветовой скорости. Почему бы и нет? Фотоны не разгоняются до скорости света – они обладают этой скоростью с момента своего создания. Возможно, мы могли бы создать и тахион, который с момента своего образования двигался со скоростью больше скорости света. Это не противоречило бы теории относительности. И это как раз то представление, которое разделяют физики, жаждущие обнаружить тахион.

Откройте тахион, докажите, что он существует, и вы впишете свое имя в анналы физики. Однако, несмотря на общее оживление относительно таких поисков, я много лет назад отказался от идеи обнаружить тахион. Причины моего убеждения граничат с религией. Я верю, что обладаю свободой воли и что существование тахионов противоречило бы ей. Позвольте объяснить все по порядку.

Представьте, что Мэри стоит в 12 метрах от Джона. В ее руках тахионное ружье, которое стреляет тахионными пулями, движущимися со скоростью 4с , то есть в четыре раза быстрее света. Она стреляет. Свет движется со скоростью 0,3 м/нс (наносекунда – одна миллиардная доля секунды), соответственно, тахионы летят со скоростью 1,2 м/нс. Всего за 10 наносекунд тахионная пуля достигает сердца Джона и убивает его. Давайте предположим, что он умирает моментально.

Мэри подвергают суду. Она не отрицает очевидных фактов, однако настаивает, что может оспаривать обвинение в любой системе отсчета, которую выберет. Судья знает, что все системы отсчета равноценны, поэтому соглашается с Мэри. Она выбирает СО, движущуюся с половинной скоростью света, ½с . Поскольку эта система отсчета движется медленнее, чем свет, с точки зрения теории относительности она вполне правомерна.

В земной системе отсчета два события (выстрел из ружья и удар пули) разделены +10 наносекундами. Как я показываю в Приложении 1, те же два события, описанные в системе отсчета, которая движется с половинной скоростью света, будут иметь разделение во времени −15,5 нс. Отрицательный знак означает, что они будут происходить в обратной последовательности. Пуля войдет в сердце жертвы до того, как Мэри выстрелит! У Мэри абсолютное алиби. Когда она нажимала на курок, Джон был уже мертв. Нельзя убить мертвого человека. Мэри ожидает, что суд ее оправдает.

Пример с тахионным убийством строится на том же принципе относительности, что и породившие сомнения парадоксы с близнецами и фермером с его шестом и сараем. Если два события достаточно разделены в пространстве и не очень отличны по времени, всегда будут существовать такие системы отсчета, в которых порядок событий может стать обратным. Такие отдаленные события – «пространственноподобные». Два события, которые происходят рядом, но разделены по времени, называются «времениподобными». Порядок пространственноподобных событий зависит от системы отсчета; порядок времениподобных событий от СО не зависит.

И вновь за подробными вычислениями я отсылаю вас к Приложению 1.

Возможна ли в принципе история с тахионным убийством? Как может быть правильным расчет на основании половинной скорости света, если он приводит к таким абсурдным последствиям? Означает ли это, что тахионов не существует или что теория относительности – бессмыслица? А если тахионы действительно будут обнаружены?