Бесконечная скорость света
Эйнштейн задумался: если луч света нельзя поймать, что это говорит о скорости света? Попробуем воспользоваться аналогией. Бесконечность в математике — это число больше любого другого числа. Если объект движется с бесконечной скоростью, его невозможно поймать. Тот факт, что свет невозможно поймать, означает, что по каким-то причинам в нашей Вселенной скорость света играет роль бесконечной скорости. Как писал Дуглас Адамс, «ничто не может двигаться быстрее света, за исключением разве что плохих новостей, распространением которых управляет особая физика».[127]
Эта аналогия очень удобна. Если что-то движется с бесконечной скоростью, ваша собственная скорость или направление движения не имеют значения. Ваша скорость будет настолько ничтожной по сравнению со скоростью света, что последняя покажется вам бесконечной. Если объект, движущийся со скоростью света, будет запущен с тела, которое движется по направлению к вам или от вас, то скоростью такого тела можно будет пренебречь по сравнению со скоростью запущенного объекта. Раз скорость света играет в нашей Вселенной роль бесконечной скорости, то она всегда остаётся постоянной, несмотря на скорость её исходной точки или наблюдателя. Скорость света постоянна для всех, вне зависимости от их движения, как и должно быть в соответствии с теорией Максвелла.
Но хватит обобщений, пора перейти к деталям. Как на практике возможно, что любой наблюдатель, с какой бы скоростью он сам ни перемещался, всегда получит одно и то же значение при измерении скорости солнечного луча?
По сути, скорость обозначает расстояние, на которое тело может переместиться за определённое время (представьте себе машину, которая преодолевает 100 километров по шоссе за один час). Если скорость света одинакова для всех, то нужно каким-то образом изменить расстояние и время для каждого.
Эйнштейн понял, что на самом деле человек, проходящий мимо вас, уменьшается в направлении движения, и одновременно замедляется его время, которое показывают его наручные часы. Он как будто бы становится плоским, как блин, и двигается как в замедленной съёмке.[128]
Это уменьшение пространства и замедление времени действуют таким образом, что для каждого из нас, вне зависимости от нашего состояния движения, луч света движется с одинаковой скоростью. Всё это — один огромный заговор Вселенной для поддержания скорости света неизменной.
Разумеется, искривление пространства и времени невозможно заметить, если мимо вас проходит человек или проезжает машина. Вы сможете наблюдать эти странные эффекты лишь в том случае, если какой-нибудь объект пролетит рядом с вами со скоростью, близкой к скорости света. Но свет движется примерно в миллион раз быстрее самолёта Boeing 747, так что ни один предмет на Земле не сможет перемещаться настолько быстро.
Расширение времени
И всё-таки расширение времени можно измерить. В 1971 году учёные синхронизировали пару абсолютно точных атомных часов. Одни остались на месте, а вторые отправились в кругосветное путешествие на борту морского лайнера. Когда они вновь воссоединились, экспериментаторы обнаружили между показаниями часов небольшое расхождение. Тот факт, что двигавшиеся часы показывали меньше времени, точно совпадал с предсказаниями Эйнштейна.
Замедление времени влияет и на астронавтов. Российский физик Игорь Новиков отмечал: «Когда в 1988 году экипаж советской космической станции “Салют” вернулся на Землю после года, проведённого в движении со скоростью восемь километров в секунду, он на сотую долю секунды заглянул в будущее».[129]
Гораздо сильнее расширение времени действует на мюоны, субатомные частицы, которые возникают, когда космические лучи (разогнанные до огромных скоростей ядра атомов из космоса) сталкиваются с молекулами воздуха в верхних слоях атмосферы нашей планеты. Доказательство того, что на скорости, приближённой к скорости света, время замедляется, а пространство сжимается, прямо сейчас может проходить через ваше тело.
Мюоны возникают в атмосфере нашей планеты на высоте 12,5 километра и падают на Землю как субатомный дождь. Особенность мюонов состоит в том, что они распадаются в строго определённый срок. Он очень мал — всего 1,5-миллионная доля секунды. Выходит, максимальная дистанция, которую мюон может пройти в атмосфере, не должна превышать 500 метров, и уж точно ни один мюон не должен достигать поверхности Земли.
Но они достигают.
Причина состоит в том, что мюоны движутся со скоростью, равной 99,92% скорости света. С нашей точки зрения, они проживают всю свою жизнь в режиме замедленной съёмки. Для мюонов время движется в 25 раз медленнее, чем для людей, и поэтому от их зарождения до распада проходит в 25 раз больше времени, и распад происходит уже на Земле.
128
Хотя теория относительности говорит, что тело, движущееся относительно вас, должно казаться вам уменьшающимся по направлению движения, на самом деле вы этого не увидите. Всё дело в действии ещё одного эффекта. Свет от тех частей тела человека, которые находятся дальше от вас, будет двигаться к вам дольше, чем от более близких. Соответственно, вам будет казаться, что человек перед вами вращается. Если он стоит к вам лицом, вы увидите часть его затылка. Это явление называют релятивистской аберрацией или релятивистским излучением.