Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Как это возможно? Единственный ответ: если расстояние, проходимое светом с точки зрения полицейского, не равно расстоянию, проходимому светом с точки зрения наблюдателя, сидящего в машине, то и время должно быть другим, чтобы скорость света могла оставаться постоянной. Скорость – это расстояние, проходимое в единицу времени, например, километр в час. Если кажется, что длина пути изменилась, то для сохранения постоянства скорости время, необходимое для преодоления этого пути, также должно измениться. Таким образом, полицейский снаружи измерит чуть больший временной интервал, а внутри машины он будет чуть меньшим, то есть в ней время идет как бы медленнее.

Этот эффект называется релятивистским замедлением времени, и он резко противоречит нашей интуиции. Мы привыкли к тому, что скорость может быть переменной. Если я еду на своей машине и делаю крюк, но хочу приехать к месту назначения в то же время, я поеду быстрее. Некоторые люди ради этого даже превышают скорость, рискуя получить штраф. Со светом такого быть не может: он всегда движется с одной и той же скоростью и просто изменяет течение времени, поскольку именно свет определяет время. Мы все должны подстраиваться под время, но само время подстраивается под свет.

Все это звучит невероятно абстрактно, особенно история про световые часы в машине. Нам же кажется, что на самом деле все часы идут одинаково. Чтобы проверить, так ли это, ученые Джозеф Хафеле и Ричард Китинг совершили два кругосветных полета – сначала в направлении вращения Земли, а затем в обратном направлении. Исследователи взяли с собой четыре пары высокоточных цезиевых атомных часов, показания которых они планировали впоследствии сравнить с показаниями таких же атомных часов на земле. Следовало ответить на вопрос: будут ли часы отсчитывать время иначе, если они полетят очень быстро и очень далеко? Эксперимент был простым и дешевым: атомные часы ученые заполучили бесплатно, поэтому самой дорогой частью эксперимента оказались авиабилеты на кругосветные путешествия, приобретенные для часов и купленные на имя “Мистер Клок” (мистер Часы). Эти необычные пассажиры сидели, пристегнутые, каждый на своем месте. Если не считать стоимости авиабилетов, это был, должно быть, самый дешевый эксперимент по проверке теории относительности.

Как и предполагалось, эксперимент Хафеле и Китинга продемонстрировал, что путешествующие в самолете часы идут не так, как часы на земле. Часы, летевшие на восток, то есть по вращению Земли, когда их скорость относительно центра Земли была больше скорости часов на земле, отстали от земных часов на 60 наносекунд за полет. Когда часы летели на запад – против вращения Земли, их скорость была меньше скорости земных часов, и они опередили лабораторные часы на полные 270 наносекунд[41]. Эксперимент позже повторялся несколько раз и всегда убедительно подтверждал важные аспекты теории относительности.

Так что мы не можем доверять времени, поскольку оно может течь по-разному. Но тогда и измеряемые нами расстояния тоже не всегда одинаковы, поскольку мы измеряем расстояния с помощью света. Если автомобиль мчится относительно полицейского почти со скоростью света, тот может измерить длину автомобиля с помощью секундомера, умножив скорость автомобиля на время, которое требуется ему, чтобы проехать мимо. Но если у водителя автомобиля есть две пары идеально синхронизированных часов – одни на переднем сидении, а другие на заднем – и он тоже измерит ими время, за которое проедет мимо полицейского, то измеренный им интервал времени будет другим из-за эффекта замедления времени. Полицейский измерит более короткий промежуток времени, чем водитель, и в результате получит меньшую длину автомобиля, чем водитель. Полицейскому машина покажется гораздо более короткой, хотя на самом деле в ее салоне очень просторно и можно вытянуть ноги.

А следовательно, мы больше не сможем доверять не только времени, но и пространству – во всяком случае, когда происходит движение, – и это будет иметь существенные последствия, когда в игру вступит еще и гравитация.

Казус Меркурия: новая теория пространства и времени