Однако, если бы точно такие же измерения произвел человек, находящийся в самом поезде, для него и длина и масса поезда остались бы теми же. Он установил бы, что поезд по-прежнему длиной в один километр и массой в миллион тонн. Более того, с точки зрения наблюдателя из поезда, это мы, те, кто находится снаружи, потеряли бы в длине и приобрели в массе.
Миллиардные доли граммов и сантиметров мало кого волнуют. Может показаться, что все эти сложности вокруг новых воззрений на Вселенную не стоят того, чтобы вокруг них огород городить.
Но не всегда происходящие изменения столь незначительны. Всего за несколько лет до того, как Эйнштейн выдвинул свою теорию, было обнаружено, что радиоактивные атомы испускают крошечные субатомные частицы, движущиеся со скоростями, значительно превышающими скорость нашего воображаемого поезда. Скорости субатомных частиц лежат в пределах от 16 000 до 300 000 километров в секунду. Вот их-то длина и масса претерпевают огромные изменения, которые можно и заметить, и измерить; более того, не заметить их просто нельзя! Поэтому с прежними представлениями о Вселенной, в которой и длина и масса были незыблемыми свойствами предмета, вне зависимости от движения или нахождения в покое, пришлось расстаться. Вместо них пришлось принять точку зрения Эйнштейна.
Естественно, если товарный поезд, или что угодно еще столь же материальное, разовьет скорость, при которой изменения его массы и длины станут заметны, гравитационное поле Земли больше не будет его удерживать. Действие перейдет в открытый космос — так давайте же перенесем туда наши воображаемые опыты.
Представим себя на космическом корабле А, длиной в 300 метров и массой в 1000 тонн. Мимо нас со скоростью 260 000 километров в секунду пролетает космический корабль В, точная копия нашего корабля А.
С помощью некоего хитрого оборудования мы измеряем его длину и массу, когда это происходит, и обнаруживаем, что теперь его длина всего 150 метров, зато масса — 2000 тонн, иными словами — он стал вдвое короче и вдвое тяжелее.
Мы тут же связываемся с кораблем В и передаем его экипажу эту информацию, но в ответ нас уверяют, что, согласно их собственным измерениям, корабль, в котором они находятся, ничуть не изменился, зато, измерив наш корабль А, они также обнаружили, что его длина стала всего 150 метров, а масса — 2000 тонн.
Тогда оба корабля останавливаются, сближаются борт о борт и обе команды производят уже неторопливые точные измерения — и оказывается, что теперь оба корабля вернулись к своим первоначальным массе и длине, оба длиной по 300 метров и весом по 1000 тонн.
Какое же из полученных значений верное? Правильный ответ — все. Ведь данные измерений, как мы помним, меняются по мере движения. С точки зрения экипажа корабля А, корабль В пролетал мимо них со скоростью 260 000 километров в секунду, а с точки зрения экипажа корабля В, — наоборот, это корабль А пролетал мимо в противоположном направлении. С точки зрения каждого из экипажей, именно другой корабль пребывал в движении с данной скоростью и, соответственно, обладал удвоенной массой и вдвое меньшей длиной. Когда же корабли оказались борт о борт, ни один из них более не находился в движении относительно другого, и результаты измерений вернулись к «нормальным» показателям.
Если вас все еще продолжает мучить вопрос о том, «так укорачивался все-таки корабль А или нет?», то необходимо понять одну простую вещь: производя измерения, вы не можете получить абсолютные данные о некоей «реальности». Вы можете лишь считать показания приборов, которые, в свою очередь, подвержены влиянию определенных условий.
Теория Эйнштейна касается не только длины и массы — она затрагивает также и время. Согласно этой теории, на движущемся объекте время замедляется. Маятник часов движется медленнее, часовая пружина разворачивается не спеша. Замедляется любое движение.
Но ведь именно периодическое движение позволяет нам измерять время — различного рода регулярные вибрации, пульсации, ритмичные удары. Если все это движение разом замедлится, то можно сказать, что замедлилось и само время.
Некоторым принять такое положение теории еще сложнее, чем положение об изменении длины и массы. В конце концов, нам известно, что длину и массу предметов можно при желании изменять: например, масса сосуда с водой уменьшается по мере испарения воды; а укоротить предмет можно, допустим, сплющив его молотком. Но само представление о том, что можно хоть как-то повлиять на ход времени, кажется противоестественным. Само собой разумеющимся представляется, что ход времени — это нечто вечное и неизменное, не подвластное ничему.
Однако предположение Эйнштейна об изменениях течения времени по мере движения уже получило экспериментальное подтверждение. Даже в отношении скоростей в несколько сантиметров в секунду открыт физический феномен, получивший название «эффект Мёссбауэра». С его помощью можно фиксировать крайне малые изменения в скорости течения времени — здесь снова речь идет о субатомных частицах, чьи огромные скорости позволяют получать достаточно большие изменения, доступные приборам.
Существует частица, именуемая «мю-мезон» [8]. Срок ее жизни — две микросекунды (микросекунда — это одна миллионная секунды). То есть, двигаясь со средней скоростью, она живет две микросекунды. Но иногда случается так, что мю-мезон образовывается космическими лучами в верхних слоях атмосферы и энергия создания бросает их вниз к поверхности Земли со скоростью более 290 000 километров в секунду.
Если бы, двигаясь с этой скоростью, мю-мезон по-прежнему продолжал существовать только две микросекунды, то ему хватило бы времени на преодоление только 520 метров. А поскольку формируются мю-мезоны за много километров от поверхности Земли, долететь до нас ему было бы невозможно.
Но они долетают. Самые быстрые мю-мезоны успевают пролететь до распада по пять километров. Это можно объяснить, если предположить, что время для него замедляется. По собственным меркам он живет, как и положено, две микросекунды, но для стороннего наблюдателя это какие-то очень медленные микросекунды, равные двум десяткам микросекунд земного времени.
Время жизни мю-мезонов изменяется в строгом соответствии с предсказаниями Эйнштейна, так что придется нам согласиться с тем, что время не является неизменным и незыблемым, а свойства его зависят от точки зрения наблюдателя.
Давайте теперь вновь вернемся к нашим космическим кораблям А и В. Вот опять корабль В пролетает мимо корабля А, и допустим, что на борту корабля А имеется прибор, позволяющий экипажу в течение часа (по часам корабля А) наблюдать за часами, находящимися на корабле В.
Часы на корабле В покажутся наблюдателям отстающими, поскольку корабль В находится в движении. Через час (по часам корабля А) часы на корабле В покажут, что прошло чуть меньше часа. Чем быстрее движется корабль В, тем медленнее на нем идет время и тем меньшее время отмерят на нем часы.
Существует формула для вычисления замедления времени в зависимости от скорости. Используя эту формулу, мы получим таблицу со следующими значениями:
Что же произойдет в том случае, если корабль В пролетит мимо корабля А со скоростью, превышающей 299 800 километров в секунду? Часы пойдут в обратном направлении?
Нет. Повернуть время вспять не получится, потому что 299 800 километров в секунду — это наивысшая возможная относительная скорость, какую только можно замерить. Это скорость света в вакууме, и, согласно теории Эйнштейна, материальные предметы не могут развивать скорость больше ее.
Нельзя забывать еще вот о чем. С точки зрения экипажа корабля А, корабль В пролетает мимо них вперед, но вот с точки зрения экипажа корабля В, это корабль А пролетает мимо них назад с той же скоростью. Для каждого из экипажей движущимся кажется именно второй корабль. Так что если экипаж корабля В засечет время, отмеряемое часами, находящимися на корабле А, то они обнаружат, что именно на корабле А часы отстают.