Космические рубежи теории относительности

Если теперь вернуться к наблюдению неба в иллюминатор космического корабля, то нетрудно понять, что из-за эффекта Доплера цвет звёзд будет сильно меняться. Свет звёзд, наблюдаемых впереди корабля, будет испытывать фиолетовое смещение, так как они приближаются к наблюдателю. Напротив, свет звёзд, видимых в кормовой иллюминатор, будет подвержен красному смещению, так как они удаляются от космического корабля. Но такая картина будет наблюдаться лишь при сравнительно малых скоростях полёта. Если скорость космического корабля велика и составляет заметную долю скорости света, то начинает проявляться новый эффект.

Атомы, которые испускают видимый нами свет, подобны крошечным часам, а как мы уже знаем, движущиеся часы замедляют ход, причем замедление течения времени происходит независимо от направления движения. Отстают все часы: и приближающиеся и удаляющиеся. Значит, помимо эффекта Доплера частота света Движущихся атомов будет понижаться (а длина волны увеличиваться) просто вследствие замедления течения времени. Иными словами, одновременно, действуют два эффекта. Вдобавок к смещению, связанному с эффектом Доплера, замедление времени также вызывает некоторое красное смещение. Вклад замедления времени в сдвиг длины волн света меньше, чем вклад эффекта Доплера. Однако при субсветовых скоростях необходимо учитывать оба эффекта. На рис. 3.14 показано, в каких частях неба наблюдается красное, а в каких фиолетовое смещение при наблюдениях с космического корабля, летящего с субсветовой скоростью. По мере приближения к скорости света красное смещение, вызванное эффектом замедления течения времени, становится всё заметнее. В результате область неба, в которой наблюдается фиолетовое смещение, непрерывно сокращается.

РИС. 3.14. Красное и фиолетовое смещение. Одновременное действие эффекта Доплера и замедления течения времени приводит к заметному сдвигу длины волны света звёзд, если проводить наблюдения с движущегося реактивного космического корабля.

Любое обсуждение специальной теории относительности было бы неполным без упоминания о странных свойствах таxионов. Хотя обычное вещество нельзя разогнать до скорости, равной или превышающей скорость света, преобразования Лоренца формально математически допускают движение по пространственроподобным траекториям, если только вещество, совершающее такие путешествия, обладает некоторыми необычными свойствами. В обычном мире можно говорить о массе покоя, собственной длине и собственном времени в следующем смысле. Представьте себе, что вы держите кирпич. Масса покоя кирпича - это масса, которую вы измерите, когда находитесь в покое относительно кирпича. Собственные размеры кирпича - это те значения длин его ребер, которые вы измерите линейкой у покоящегося относительно вас кирпича. Если бы кирпич был радиоактивным, например был сделан из урана, то собственным периодом полураспада этого радиоактивного вещества был бы период полураспада, который вы измерили бы по вашим часам, покоящимся относительно кирпича. Эти «собственные» величины описывают свойства вещества в его, как говорят, системе покоя. Величины же, наблюдаемые в движущихся системах отсчета, будут связаны с собственными величинами в соответствии с преобразованиями Лоренца.

Поразмыслив о преобразованиях Лоренца, математик придет к заключению, что путешествия со сверхсветовыми скоростями могут совершаться, лишь если у движущегося вещества все собственные величины «мнимые». Для математика слово «мнимый» имеет вполне определённый смысл (пропорциональность корню квадратному из минус единицы), но в повседневной жизни ничто и никогда не описывается мнимыми числами. Однако гипотетическое вещество, способное двигаться быстрее света, должно обязательно характеризоваться мнимой массой покоя, мнимыми собственными размерами и. мнимым собственным временем. Такое вещество состоит из тахионов (от греческого корня, означающего «быстрый»). Тахионы всегда движутся быстрее света в отличие от частиц обычного реального мира, называемых тардионами, которые всегда движутся медленнее света. Между тардионами и тахионами лежат люксоны- частицы, которые движутся со скоростью, равной скорости света (к ним относятся фотоны и нейтрино). Если тардионы, как правило, покоятся в реальном мире, а чтобы ускорить их до субсветовых скоростей, нужно затратить много энергии, то тахионы, напротив, обычно имеют бесконечно большую скорость, и требуется много энергии, чтобы замедлить их до скоростей, лишь незначительно превышающих световую.

Пожалуй, одно из самых серьёзных возражений против существования тахионов - это нарушение причинности. Мы привыкли к вполне определённому соотношению между причиной и следствием в окружающем нас мире. Все события происходят по той или иной причине, и причина всегда предшествует следствию. Но для тахионов соблюдение принципа причинности вовсе не обязательно.