Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 18

Да и само время оказывается относительным. Ведь что такое время, как не череда своих промежутков.

Нельзя просто сказать «сейчас такой-то час». К этому нужно добавить «в такой-то системе отсчета», чтобы высказывание приобрело смысл.

Открытие относительности времени вызвало настоящий переворот в физической науке. Оно означало коренную ломку самых фундаментальных, самых первичных и исходных представлений о мире, созданных всем предшествовавшим развитием науки и, прежде всего, классической механикой Галилея — Ньютона. Время перестало быть абсолютным — что же произошло тогда с классической механикой? Неужели крах после двух столетий торжества?

Нет, новейшая физика не отменила классическую механику. Очевидным образом обнаружилось, что механика Галилея и Ньютона не столь универсальна, как на то надеялись ее творцы, а за ними и все другие физики XVIII —XIX веков (и последние чаще всего даже в большей степени). Но вся классическая теория остается в силе, если рассматривать только такие движения, скорость которых много меньше скорости света. По сравнению с этими малыми скоростями скорость света столь велика, что фактически ее можно считать бесконечной. А при таком условии сводится на нет относительность одновременности (мы уже говорили об этом), а с ней и относительность самого времени вообще.

Новейшая теория указала границы и пределы применимости классических представлений: механике Галилея — Ньютона подвластны только относительно медленные движения. И в этих ясно осознаваемых границах классическая механика продолжает и до сих пор жить полнокровной жизнью, неизменно прибавляя все новые и новые успехи к и без того уже внушительному списку своих достижений.

Когда же нужно изучать быстрые движения или распространение электромагнитных волн, классической теории для этого уже явно недостаточно. Здесь требуется теория относительности, и чем ближе скорости движений к скорости света, тем заметнее и значительнее эффекты относительности, или, как говорят, релятивистские эффекты. В следующей главе мы расскажем о таких явлениях, где эти эффекты, и в первую очередь относительность времени, действуют в полную силу.

Классическая механика обрела свои рамки, нашла свое настоящее место в нашей системе знаний о физическом мире. Тем самым она получила и новое обоснование своим исходным предпосылкам. Она стала частным случаем новой, более общей теории, рамки которой много шире, а основания надежнее и глубже. Теория относительности включила в себя классическую механику в качестве своей не вполне точной, приближенной формы, достаточной для «работы» с относительно медленными движениями.

Вместе с тем — и это гораздо важнее — теория относительности произвела принципиальный пересмотр природы времени. Это было решительное преодоление догматизма и застоя в «принципиальных вещах». Это был огромный шаг вперед на пути к проникновению в самую сущность времени, которое стало теперь не только предметом описания, но и объектом прямого исследования — теоретического и экспериментального.

Инерциальные лаборатории, которыми мы пользуемся в наших мысленных экспериментах, снабжены, как говорит Эйнштейн, «всеми мыслимыми физическими приборами». Из этих приборов самый важный для нас — часы, инструмент для измерения времени. С помощью часов мы отмеряем промежутки времени, фиксируем одновременность или неодновременность событий.

Относительность времени означает, очевидно, и относительность в самом ходе часов, в их ритме. В мире уже нет единого и всеобщего времени, которое заставляло бы все часы идти «в ногу» как по команде «раз-два, раз-два». Несколько совершенно одинаковых часов, никак не отличимых друг от друга, когда они стоят рядом в лаборатории, резко расходятся в своих показаниях, когда какие-то из них приходят в движение и летят относительно других со скоростью, приближающейся к скорости света.

Продолжая знакомство с различными свойствами относительного времени, мы выясним в этой главе, где одинаковые процессы идут быстрее — рядом с нами или в движущемся мимо нас вагоне поезда, в летящем самолете, на ракете. Мы узнаем о реальных, а не только мысленных экспериментах и наблюдениях, в которых изучается темп бегущего времени.

Начнем с нового мысленного эксперимента, в котором, как и раньше, два физика ведут наблюдения в двух инерциальных лабораториях.

Пусть в вагоне «поездной» лаборатории имеются источник света, фонарик, который располагается на потолке, и прямо под ним на полу зеркало. Эксперимент состоит в том, что оба наших физика, каждый в своей лаборатории, будут следить за тем, как свет распространяется сверху вниз, от фонарика к зеркалу и обратно, от зеркала к фонарику.

Эксперимент проведен, и физик «поездной» лаборатории сообщает: «свет упал по вертикали на зеркало и, отразившись от него, прошел тот же путь в обратном направлении. Общий путь света равен удвоенной высоте вагона».

Иную картину наблюдал «полевой» физик: «Свет падал с потолка к полу по наклонной прямой и, отразившись от зеркала, проделал путь по другой наклонной прямой, так что

в общей сложности свет проделал путь в виде латинской буквы V». Это и понятно. Ведь пока свет шел от потолка к полу, пол и зеркало вместе с ним переместились вперед по ходу поезда. Чтобы достичь зеркала, свет должен был двигаться по наклонной прямой. После отражения свет устремился обратно к фонарику на потолке, но за время движения света от потолка к полу и обратно потолок, а с ним и фонарик переместились вперед по ходу поезда, и, чтобы догнать фонарик, свет двигался по наклонной прямой. Итог: общий путь света больше удвоенной высоты вагона».

Сопоставим эти сообщения. По измерениям «полевой» лаборатории свет прошел явно большее расстояние, чем по измерениям «поездной». Вместе с тем мы знаем, что скорость света одинакова для обеих лабораторий. Значит, с точки зрения «полевой» лаборатории свет путешествовал дольше, чем с точки зрения «поездной».

Время между двумя событиями, измеренное из разных систем отсчета, оказывается, таким образом, различным. В той системе, где сами эти события произошли, время между собы-

тиями меньше, чем в другой системе, которая движется относительно нее и из которой наблюдают те же события.

Последние два предложения специально составлены так, чтобы не пользоваться названиями лабораторий — «поездной» и «полевой». Ведь мы хорошо понимаем, что движение относительно, и потому «полевая» лаборатория покоится только относительно поля, но движется относительно поезда. Если эксперимент с фонариком и зеркалом произвести в «полевой» лаборатории, то мы получим от наших физиков в точности те же сообщения, только теперь они поменяются ролями. О вертикальном пути света сообщит «полевой» физик, а о V-образном — «поездной».

Мы видим, что промежуток времени между событиями, происходящими «здесь у нас», всегда короче, чем промежуток времени между теми же событиями, когда они происходят «там у них».

Время событий, происходящих в данной инерциальной лаборатории, называется собственным временем, когда оно измеряется по часам той же лаборатории (системы отсчета).

Когда мы измеряем время между происходящими с нами самими и рядом с нами событиями, пользуясь нашими собственными часами, то видим на наших часах наше собственное время. Собственное время всегда короче всех других времен, которые измеряют по своим часам другие наблюдатели, глядя на происходящее с нами или у нас.