Один из первых экспериментов по демонстрации замедления времени заключался в сравнении показаний атомных часов, находящихся на летящем самолете и на земле. Часы провели несколько сотен часов в самолетах, двигавшихся на восток (направление полета имеет значение из-за вращения Земли). Как и предсказывала специальная теория относительности, путешествовавшие часы отставали (на десятки миллиардных долей секунды) от атомных часов, находившихся дома, в военно-морской обсерватории в Вашингтоне197.

Этот и другие эксперименты подтвердили, что время — не абсолютная величина. Ньютон ошибался, утверждая что время «протекает само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему».

ИСЧЕЗНОВЕНИЕ ОДНОВРЕМЕННОСТИ

Часовое время всегда измеряют по изменению какого-то показателя — будь то число колебаний маятника или концентрация белка Period в супрахиазматических ядрах, а изменение — явление локальное. И нам легко понять, что скорость изменения тех или иных событий может быть подвержена влиянию локального окружения.

Отчасти именно поэтому человек изобрел холодильник: помидоры в холодильнике «стареют» медленнее, чем на столе. Вообще говоря, время, измеряемое по колебаниям маятника или циркадным часам дрозофилы, тоже зависит от температуры. При этом температура по-разному влияет на показания разных типов часов, а на какие-то не влияет вовсе. Например, период полураспада радиоизотопов, о которых мы говорили в главе 7, почти одинаков при обычной температуре и вблизи абсолютного нуля.

Напротив, скорость движения влияет на все типы часов, и пренебрегать ею никак нельзя. Скорость любого физического процесса (ход атомных часов или метаболизм человека) изменяется в большую или меньшую сторону при изменении скорости перемещения тела. Сам этот факт может сбить с толку, но еще удивительнее его последствия для специальной теории относительности.

Давайте вернемся к нашему мысленному эксперименту с поездом и платформой и рассмотрим ситуацию с реальной скоростью движения. Представьте себе, что вы стреляете из пистолета, находясь в середине 400-метрового состава, движущегося со скоростью 200 м/с относительно платформы, на которой стою я (рис. 9.1). Как только головной вагон поезда оказывается напротив меня, вы стреляете одновременно из двух пистолетов: одна пуля летит в стекло первого вагона, а другая — в стекло последнего, и обе тоже движутся со скоростью 200 м/с. С вашей точки зрения обе пули движутся с одинаковой скоростью и преодолевают одно и то же расстояние, так что в окна первого и последнего вагона они врезаются одновременно — ровно через секунду после выстрела.

Рис. 9.1. Поезд Ньютона. В соответствии с законами Ньютона, если стоящий в середине поезда человек одновременно стреляет в противоположных направлениях в момент времени t = 0, стекла в первом и последнем вагоне разбиваются одновременно в момент времени t = 1 с.

Я, стоя на платформе, вижу, что пуля, летящая по ходу поезда, движется со скоростью 400 м/с (скорость поезда плюс скорость пули), и переднее стекло разбивается через одну секунду, поскольку этой пуле приходится преодолевать расстояние в 400 м (половина длины поезда плюс расстояние, пройденное поездом за 1 с). А вот пуля, летящая в обратном направлении, движется со скоростью 200 м/с (скорость поезда) минус 200 м/с (скорость пули отрицательная, поскольку пуля летит в противоположном направлении по отношению к движению поезда). Иными словами, я вижу пулю неподвижно висящей в воздухе до тех пор, пока в нее не врезается стекло последнего вагона (красивее получится, если мы представим себе, что дело происходит в вакууме на планете с небольшой силой тяжести). Столкновение тоже происходит через одну секунду, поскольку от точки, из которой произведен выстрел, стекло последнего вагона отделяло расстояние 200 м. Как и предполагал Ньютон, мы с вами оба видим, что стекла переднего и заднего вагонов разбиваются одновременно. В данном случае можно сказать, что эта одновременность является абсолютной: два события происходят одновременно как для вас, так и для меня.

Теперь давайте разберемся, что произойдет в таком же эксперименте, но при гораздо более высоких скоростях и гораздо больших расстояниях (рис. 9.2). Допустим, вы находитесь в поезде длиной 400 000 км, движущемся со скоростью 200 000 км/с (2/3 скорости света, 0,667c)198. Опять-таки, когда первый вагон проносится мимо меня, вы стреляете из пока еще несуществующих пистолетов в окна первого и последнего вагонов. Поскольку вы находитесь в середине состава, вы видите, что окна разбиваются одновременно — ровно через секунду после выстрела, поскольку обе пули летят со скоростью 200 000 км/с и преодолевают расстояние 200 000 км. Как и в предыдущем эксперименте, я, со своей стороны, буду видеть посланную назад пулю висящей в воздухе (поскольку скорость пули равна скорости поезда с противоположным знаком) и надвигающееся на нее со скоростью 200 000 км/с стекло последнего вагона. Но какой будет скорость пули, летящей по направлению движения поезда? Чтобы оба окна разбились одновременно, летящая вперед пуля должна пролететь расстояние, равное всей длине поезда (половина поезда плюс пройденное поездом расстояние) за то же самое время, которое потребуется заднему стеклу, чтобы достичь пули, летящей назад.

Рис. 9.2. Поезд Эйнштейна. Из специальной теории относительности для высоких скоростей следует, что разные наблюдатели воспринимают пространственные и временны́е изменения по-разному (поэтому изображать такие эксперименты на схеме довольно сложно). Часы на платформе и в поезде показывают нулевое время (t = 0), когда лобовое стекло первого вагона оказывается напротив стоящего на платформе наблюдателя. Когда оба наблюдателя находятся друг напротив друга, наблюдатель в поезде видит, что оба стекла разбиваются одновременно, но для наблюдателя на платформе стекло заднего вагона разбивается, а стекло переднего вагона еще нет.