Розділ без назви (16)

У зв’язку з цим постає очевидна велика проблема. У світі, у якому, на переконання більшості з нас, ми живемо, причини стаються перед наслідками. Але якщо «до» та «після» можуть мінятися залежно від спостерігача, то що відбувається з причиною та наслідком?

На диво, усесвіт має щось на зразок вбудованої пастки-22, яка гарантує, що, хоча нам слід тримати розум відкритим для сприйняття реальності, нема потреби, як любив казати видавець «New York Times», відкривати його настільки, щоб мозок випадав. У цьому випадку Ейнштейн продемонстрував, що обернення впорядкування часу віддалених подій, зумовлене сталістю швидкості світла, можливе лише тоді, коли події рознесені достатньо далеко, щоби променю світла знадобилося більше часу для подолання відстані між ними, ніж становить визначений часовий інтервал між цими подіями. Тоді, якщо ніщо не може рухатися швидше за світло (а саме таким виявляється ще один наслідок із зусиль Ейнштейна узгодити Галілея з Максвеллом), жоден сигнал від однієї події ніколи не зможе надійти так швидко, щоби вплинути на іншу подію, тож перша подія не може бути причиною другої.

Але як бути з двома різними подіями, що відбуваються в одному місці з певним часовим інтервалом? Чи виникнуть у різних спостерігачів суперечки стосовно них? Щоби проаналізувати цю ситуацію, Ейнштейн уявив собі встановлений у поїзді ідеалізований годинник. Годинник тікає щоразу, як промінь світла, що відбився від годинника на одному боці поїзда, відбивається від встановленого на протилежному його боці дзеркала та повертається назад до годинника на стартовому боці поїзда (див. нижче).

Припустімо, що кожен оберт променя (тік годинника) триває мільйонну частку секунди. Тепер розглянемо спостерігача на землі, який бачить цей самий оберт. Оскільки поїзд рухається, промінь світла рухається за траєкторією, показаною нижче, оскільки за час, що минає між випроміненням та прийомом, годинник та дзеркало зміщуються.

Очевидно, що стосовно спостерігача на землі цей промінь проходить більшу відстань, аніж стосовно годинника в поїзді. Проте в обох випадках виміряна швидкість променя дорівнює с. Тобто оберт займає більше часу. У результаті тікання годинника, яке на поїзді триває одну мільйонну частку секунди, під час спостереження із землі триває, скажімо, дві мільйонні частки секунди. Таким чином, годинник у поїзді тікає вдвічі повільніше за годинник на землі. Для годинника в поїзді час сповільнився.

Ще химерніше те, що цей ефект абсолютно симетричний. З точки зору спостерігача в поїзді годинник на землі тікатиме вдвічі повільніше за годинник у поїзді, оскільки пасажир поїзда, який спостерігає за переміщенням світла між дзеркалами, установленими на землі, бачитиме ту саму картину.

Може скластися враження, що сповільнення годинників є лише ілюзією, проте знов-таки вимірювання дорівнює реальності, хоча в цьому випадку дещо вишуканіше, ніж у випадку одночасності. Для того, щоб пізніше порівняти годинники й визначити, годинник кого зі спостерігачів дійсно сповільнився (якщо сповільнився), принаймні одному зі спостерігачів необхідно повернутися назад і приєднатися до іншого. Цей спостерігач буде вимушений змінити свій рівномірний рух, або сповільнившись і розвернувшись, або ж прискорившись зі стану (позірного) спокою й наздогнавши іншого спостерігача.

Після цього два спостерігачі вже не будуть еквівалентними. Виявляється, що, коли спостерігач, який прискорювався чи сповільнювався, повернеться назад у початкову точку, він побачить, що постарів значно менше за свого колегу, який весь цей час перебував у рівномірному русі.

Це звучить наче наукова фантастика, і це дійсно стало поживним матеріалом для значної кількості як гарних, так і поганих фантастичних творів, оскільки робить принципово можливим якраз такий спосіб космічних перельотів галактикою, який зображено в численних кінофільмах. Однак існують кілька суттєвих ускладнень. Хоча завдяки цьому космічний корабель у принципі може облетіти галактику, уклавшись у тривалість людського життя, і Жан-Люк Пікар може пережити всі пригоди, показані в серіалі «Зоряний шлях», командувачам Зоряним флотом було б дуже важко організувати хоч якесь командування та керування хоч якою-небудь федерацією. Місія кораблів на кшталт «Ентерпрайза» могла тривати п’ять років із точки зору екіпажу на його борту, проте кожна подорож кораб­ля від Землі до центру галактики й назад на білясвітловій швидкості з точки зору населення їхньої рідної планети зайняла б десь шістдесят тисяч років. Гірше того, для забезпечення однієї такої мандрівки знадобилося б більше пального, ніж маса всієї галактики, принаймні за умов використання традиційних ракет такого типу, який наявний наразі.

Утім, якщо відкинути всі науково-фантастичні негаразди, «уповільнення часу» — а саме так називається релятивістське сповільнення годинників стосовно рухомих об’єктів — абсолютно реальна річ, яка щодня відчувається тут, на Землі. Приміром, у прискорювачах високоенергетичних частинок на кшталт Великого адронного колайдера ми регулярно розганяємо елементарні частинки до швидкостей, які становлять 99,9999 % швидкості світла, а під час дослідження того, що сталося, спираємося на релятивістські ефекти.

Проте релятивістське вповільнення часу впливає на нас і в буденному житті. Щодня ми на Землі зазнаємо бомбардування космічними променями. Якщо взяти лічильник Ґейґера й стати посеред поля, лічильник клацатиме кожні кілька секунд, реєструючи зіткнення з високоенергетичними частинками, які називаються мюонами. Ці частинки породжуються там, де високоенергетичні протони космічних променів врізаються в атмосферу, породжуючи зливу інших, легших частинок, зокрема мюонів, які є нестабільними, із часом життя приблизно одна мільйонна частка секунди, після чого розпадаються на електрони (і мої улюблені частинки — нейтрино).

Якби не сповільнення часу, на Землі ми ніколи не зафіксували б ці мюонні космічні промені. Адже мюон, який летить із білясвітловою швидкістю, за мільйонну частку секунди, що відділяє його від розпаду, подолає десь близько трьохсот метрів. Проте мюони, що падають на Землю, долають двадцять кілометрів, що приблизно становить дванадцять із половиною миль, які відділяють верхні шари атмосфери, де вони утворюються, від нашого лічильника Ґейґера. Це можливо лише в тому разі, якщо внутрішні «годинники» мюонів (які змушують їх розпадатися приблизно через мільйонну частку секунди) ідуть повільніше стосовно наших годинників на Землі; від десяти до ста разів повільніше, ніж вони йшли б, якби утворювалися в стані спокою в земній лабораторії.

• • •

Останній наслідок здогадки Ейнштейна, що швидкість світла має бути сталою для всіх спостерігачів, виглядає навіть іще парадоксальнішим за інші, почасти через те, що стосується зміни фізичної поведінки об’єктів, які ми можемо побачити й помацати. Проте він іще й допоможе нам повернутися до наших витоків і зазирнути в новий світ поза обмеженнями нашої звичної приземленої уяви.

Попри те, що перетравлення наслідків із цього результату потребує часу, сам він формулюється дуже просто. Коли я несу предмет на кшталт лінійки й рухаюся швидко порівняно з вами, з вашої точки зору моя лінійка буде коротшою, ніж вона є для мене. Скажімо, я можу виміряти, що її довжина становить 10 см:

Але для вас вона може бути завдовжки лише 6 см:

Звісно, ви можете сказати, що це ілюзія, адже як може той самий предмет мати дві різні довжини? Атоми не можуть стиснутися тільки для вас, залишившись на місці для мене.