Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Для того, кто движется, между двумя событиями (испусканием и детектированием света) прошло меньше времени, заключаем мы. Другими словами, для того, кто движется, время течет медленнее. Для скорости настоящего велосипеда это «медленнее» – примерно в 1,000000000000001 раза (что отличимо от единицы только в лаборатории при хитром использовании переохлажденных ионов), но для рождаемых в атмосфере мюонов – уже в 10 раз. Для спутников в системах глобальной навигации разница в ходе времени на самом спутнике и у пользователя на Земле из-за движения спутника учитывается при вычислениях в приемнике сигнала на основе информации, приходящей вместе с сигналом. (Разница в ходе времени по другой причине, обсуждаемой на следующих прогулках, учитывается на самих спутниках.) Без поправок на замедление времени никакое такси не приехало бы за вами туда, где вы его ждете.

Из приведенного рассуждения можно количественно (т. е. в виде формулы) определить, в какое в точности число раз замедляется ход времени в зависимости от скорости: точно в такое число раз, в которое один из путей длиннее другого. Это число часто обозначают буквой γ (гамма); для каждой скорости гамма вычисляется по несложной формуле. А поскольку дело с ней приходится иметь очень часто, букве гамма дали название «лоренц-фактор», хотя широко распространено и более «народное» наименование – «гамма-фактор». Гамма-фактор, равный единице, отвечает нулевой относительной скорости. Умножение и деление на единицу и в самом деле ничего не меняют. По мере увеличения скорости гамма-фактор возрастает, сначала очень медленно, но, когда скорость приближается к скорости света, гамма-фактор растет быстро и неограниченно. Тот же гамма-фактор определяет, во сколько раз короче оказываются продольные длины (вдоль направления движения). Если вы каким-то образом измерите длину летящей мимо вас ракеты (от носа до кормы, если ракета летит так, как обычно рисуют летящую ракету), а затем дождетесь, пока она остановится рядом с вами, и измерите ее снова, то данные двух ваших измерений разойдутся в γ раз.

Космические корабли «Аполлон» выходили на курс к Луне со скоростью от примерно 37 500 до почти 39 000 км/ч относительно Земли. Это менее 0,00004 скорости света; гамма-фактор равен 1,00000000065, и замедление времени в такое число раз совершенно пренебрежимо для взаимодействия астронавтов с центром управления полетом[83]. Зато протоны в Большом адронном коллайдере (рис. 5.6) попадают в большое кольцо со скоростью, составляющей 0,999997828 скорости света: до скорости света им недостает 651,149 м/с, а гамма-фактор близок к 480; после ускорения в кольце протоны достигают 0,999999991 скорости света – до нее остается 2,698 м/с, а гамма-фактор уже близок к 7500. Богатый опыт проектирования ускорителей элементарных частиц и работы на них – одно из систематически воспроизводимых (и очень точных) экспериментальных подтверждений специальной теории относительности.

Рис. 5.6. Контур Большого адронного коллайдера, наложенный на фото местности. Слева – горы Юра (Франция), справа – Женевское озеро (Швейцария). Видна взлетно-посадочная полоса аэропорта Женевы. Кольца ускорителя находятся в туннеле под землей, длина большого кольца – 26 659 м. За одну секунду пучок протонов проходит по нему более 11 000 раз

*****

Сверхколлайдер: догнать свет. Но что произойдет с ходом времени (да и с продольными длинами), если ракета летит не со скоростью, равной 0,9999999999 скорости света, а точно со скоростью света? А если ракета разогналась до скорости света, то, значит, весь мир летит ей навстречу с такой же скоростью: как же этот мир будет выглядеть глазами экипажа? Попробуем, впрочем, быть реалистами: с производством быстрых ракет не все пока налажено в практическом плане, поэтому потренируемся на том, что мы действительно умеем разгонять, – на протонах. В Большом адронном коллайдере, как мы видели, протонам остается до скорости света сущая ерунда, меньше трех метров в секунду; что же мешает их преодолеть?

Сократить их, скажем, до полутора метров в секунду мешает отсутствие бюджета на более мощный ускоритель. Но в попытках полностью преодолеть оставшийся метр-с-небольшим в секунду мы обречены на проигрыш – из-за бюджета более фундаментального, чем любой национальный или «всеземной». Из-за бюджета энергии.