Наш формат | Блог > книжки > Ейнштейн, літаки та мандрівки в майбутнє: перші сторінки «Фізики часу»
 

Ейнштейн, літаки та мандрівки в майбутнє: перші сторінки «Фізики часу»

Що таке час? Як він плине? Та як можна описати поняття зараз? Попри те, що кожен з нас взаємодіє з часом щодня, ми всі (ну гаразд, майже всі) не надто добре розуміємо, що ж відбувається насправді.


У своїй книжці «Фізика часу. Усе відбувається зараз» фізик Річард Мюллер детально пояснює, що таке час та у чому суть цього явища з точки зору фізики, а також змальовує образ того, що означає поняття теперішнього моменту.

Як Ейнштейн все пояснив

Якщо, наприклад, я скажу: «Потяг прибуває о 7 годині», — маю на увазі приблизно таке: «Перебування малої стрілки мого годинника навпроти цифри 7 і прибуття потяга — одночасні події».

Це, здавалося б, просте твердження з’явилося 30 червня 1905 року у провідному фізичному журналі свого часу Annalen der Physik. Статтю, у якій воно містилося, можна вважати найзнаковішою публікацією від 1687 року, коли Ісаак Ньютон дав фізиці поштовх до розвитку своїми «Математичними началами натуральної філософії». Її автор згодом стане іконою геніальності й наукової продуктивності і через дев’яносто п’ять років журнал Time назве його людиною століття. Слова про малу стрілку годинника написав Альберт Ейнштейн.

Стаття Ейнштейна називалася «До електродинаміки тіл, що рухаються» і була вона насправді про час і простір: він хотів увести ці поняття до фізики. До Ейнштейна вони були лише координатами, що використовувалися для формулювання умови задачі та її розв’язання.

Свою першу статтю про відносність Ейнштейн продовжує в тому самому аж до сміху елементарному й часом нудно-педантичному стилі.

Якщо в точці А простору є годинник, то спостерігач у цій точці може визначити час подій у безпосередній близькості від неї за допомогою стрілок годинника, що перебувають у відповідному місці одночасно з подією.

До кого звертається Ейнштейн? Для чого він обрав цей дитячий стиль?

Він зробив це цілком свідомо. Щоб достукатися до своїх колег, Ейнштейн мусив зруйнувати загальноприйняті упередження, що засіли в їхній підсвідомості. Ейнштейнові довелося повернутися до фундаментальних понять, засвоєних із дитинства, коли вчили визначати час за годинником. Понять на зразок абсолютності часу. До того, що годинники можуть інколи відставати чи поспішати, але їх можна синхронізувати; що коли батько каже щось зробити зараз, то значення цього зараз для нього і для вас однакове.

Так, Ейнштейн дійшов висновку, що деякі нібито очевидні й самі собою зрозумілі принципи є помилковими.

Спробуйте змусити себе знову подумати про час і простір як дитина. Пам’ятаєте, як вам здавалося, що темп часу може бути різним? Для мене час минав швидко на літніх канікулах і в інші приємні періоди. Коли я ходив до стоматолога (який не вірив у знеболювання) або чекав на маму, яка в магазині приміряла взуття, час тягнувся дуже довго.

Звідки походить сам термін відносність? Щоб його зрозуміти, зупиніться на хвильку і дайте відповідь на питання: яка ваша швидкість у цей момент? Не читайте далі, поки не матимете відповіді на це питання.

Ви відповіли: «Нуль», — бо сидите на місці?

 

Ви можете дати таку само відповідь, навіть якщо сидите в літаку на висоті 11 000 м. Ви не рухаєтеся, отже, ваша швидкість дорівнює нулю. Чи, може, ви відповіли «900 км/год», бо з такою швидкістю рухається літак? А може, ви читаєте цю книжку в човні у гирлі Амазонки й скажете: «1670 км/год», бо такою є швидкість обертання Землі біля екватора (40 000 км за 24 год)? Можливо, ви настільки орієнтуєтеся в астрономії, що знаєте швидкість обертання Землі навколо Сонця і скажете: «30 км/с».

Яка відповідь правильна? Звісно, кожна з них. Ваша швидкість залежить від того, що саме ви берете за основу, — фізики називають це системою відліку. Системою відліку може бути земна поверхня, літак, ядро Землі, Сонце чи космічний простір. Або будь-що інше. Якщо ви в літаку, усім зрозуміло, що ви перебуваєте в стані спокою відносно літака і рухаєтеся зі швидкістю 900 км/ год відносно Землі. Обидві відповіді правильні.

Сенсаційно новою властивістю теорії відносності стало те, що не лише швидкість, але й час залежить від системи відліку. «Абсолютного часу», про який вам казали батьки і вчителі, не існує. Залежно від обраної системи відліку ви отримаєте не лише різний час, а й різну швидкість плину часу. Це означає, що час між двома подіями — двома рухами стрілки на вашому годиннику — не є універсальним і залежить від обраної вами системи відліку.

Уповільнення часу

Ейнштейн показав, що час, коли відбувається певна подія, залежить від системи відліку (земна поверхня, літак, Земля, Сонце, космічний простір). Час у різних системах відліку буде різний. Для невеликих швидкостей — тобто менше ніж 1 500 000 км/год — ця різниця мала, але вона все ж буде. Якщо системи відліку рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, різниця в часі починає ставати суттєвішою.

Припустімо, ви летите в космічному кораблі зі швидкістю, що становить 97% швидкості світла відносно Землі. У системі відліку корабля часовий інтервал між вашими днями народження — один рік. У системі відліку Землі інтервал між тими самими днями народження буде не рік, а лише три місяці.

У якій системі відліку перебуваєте ви? Це питання непросте, але спробуйте на нього відповісти.

Ви перебуваєте в усіх системах відліку. Системи відліку — це лише відправні пункти; можете обрати собі будь-яку. Якщо в якійсь із систем відліку ваша швидкість дорівнює нулю (наприклад, ви все ще сидите в літаку), її називають вашою супутньою системою відліку. У супутній системі відліку Сонця (у якій воно перебуває у спокої) ви рухаєтеся зі швидкістю 29 км/с й робите оберт навколо нього за рік.

І повертаємося до нашого космічного корабля. Провівши підрахунки [усі використані формули ви знайдете у «Фізиці часу» ], ви побачите, що один рік на космічному кораблі триватиме майже 4 роки на Землі. Іншими словами: час на космічному кораблі плине приблизно на чверть швидше, ніж час на Землі. Якщо провести на кораблі рік, ви постарієте лише на три місяці. Така фантастична іронія: хоч нам і складно визначити, що ми розуміємо під плином часу, проте ми маємо точні формули щодо його відносної швидкості.

Фактично, коли тіло рухається зі швидкістю світла, його час (відносно системи відліку Землі) зупиняється. Секунда у супутній системі тіла триває нескінченну кількість часу в системі відліку Землі.

Відносність цілком реальна.

Чи означає уповільнення часу, що коли літати швидкими літаками — житимеш довше? Так, ефект польоту виміряли в 1971 році Джозеф Гафеле і Річард Кітінґ.

Як систему відліку вони використали звичайний пасажирський літак. Увесь бюджет цього недорогого експерименту становив приблизно 8000 американських доларів, більшість з яких пішла на навколосвітню подорож літаком (включно з окремим місцем для годинника).  Гафеле і Кітінґу був потрібен дуже екзотичний годинник, спроможний виявити ефект польоту, і їм вдалося такий годинник позичити. 

За 900 км/год швидкість відносно світла дорівнює 0,000000821. Як покаже обчислення, така прогулянка літаком подовжить кожен ваш день на 29 наносекунд (мільярдних секунди). 

Ефект уповільнення часу ще більш помітний у випадку із супутниками GPS, що мають орбітальні швидкості порядку 14 000 км/год. Через уповільнення час для такого супутника біжить повільніше на 7200 наносекунд за день.

Система GPS повинна це враховувати, адже для визначення місцезнаходження використовується годинник супутника. Радіохвилі за одну наносекунду поширюються на 30 см; якщо проігнорувати 7200 наносекунд, похибка в місцезнаходженні становитиме 2,2 км.

Якщо ви літатимете на літаках чи супутниках, отже, ви житимете довше — згідно із системою відліку Землі. Але ви не відчуєте більше часу. Коли ви рухаєтеся, час біжить повільніше. Ваш годинник працює повільніше, але так само повільніше б’ється ваше серце, сповільнюються ваші думки і всі життєві процеси. Тому ви цього не помітите. Це і є та фантастична властивість відносності: не лише годинники стають повільнішими, а і все інше.

Мандрівки у майбутнє

Уповільнення часу дає можливості для часових мандрівок у майбутнє. Якщо рухатися з достатньо великою швидкістю, ваш час уповільниться і за одну вашу хвилину ви можете переміститися на 100 років у майбутнє. Немає потреби заморожувати своє тіло, сподіваючись, що науковці майбутнього знайдуть спосіб його правильно розморозити; достатньо самої лише швидкості. Звісно, є деякі практичні незручності. У своїх переміщеннях бажано ні з чим не стикнутися, бо на надто високих швидкостях наслідки будуть сумними. Потрібно також подбати про повернення в потрібне місце, бо Земля може тоді бути зовсім не там, де ви думаєте.

Крім того, це справжня пастка: опинившись у майбутньому, ви не зможете в подібний спосіб повернутися знову до свого часу.

Подорожі в минуле можуть бути реальними. Існує припущення, що для цього потрібні швидкості, вищі за швидкість світла, або ж проходження крізь червоточину. Втім, щодо цих припущень є серйозні проблеми, й жодне з них не є достатньо вірогідним.

Написано Наш формат