Физика времени

Действительно, если источник света удаляется от нас, то цвет видимого нами света неизбежно должен измениться. Вследствие эффекта Доплера длина волны и период света, регистрируемые нашими приборами, окажутся больше, чем в собственной системе отсчета источника. Линии излучения любого атома должны представляться нам сдвинутыми к красному концу спектра по сравнению с их «лабораторным» положением, то есть с тем положением на шкале электромагнитных волн, которое установлено по часам, находящимся вместе с атомом в одной лаборатории, в одной системе отсчета.

Так было открыто самое грандиозное по масштабу явление природы — общее разбегание галактик. Объем, занимаемый данными галактиками, постоянно расширяется из-за их взаимного разбегания. Поэтому говорят о расширении Вселенной, понимая под этим увеличение со временем вообще всего объема наблюдаемой области мира.

Наиболее далекие из известных сейчас небесных тел принадлежат к классу звездных систем с очень яркими центральными областями. Это мощнейшие излучатели света во Вселенной. Из центральной области размером с Солнечную систему испускается столько света, сколько дают сотни и тысячи галактик, подобных нашей Галактике с ее ста миллиардами звезд. Эти источники получили название квазаров. Наиболее удаленные из них очерчивают границу видимой Вселенной. Красное смещение в их свете столь велико, что длины волн и периоды увеличены три, четыре и даже в пять раз.

О разбегании галактик, о пространстве и времени Вселенной мы будем еще говорить в главе 10.

Сверхсветовые скорости?

Не так давно произошло одно астрономическое открытие, которое поначалу необычайно всех изумило. Удивительные открытия в астрономии следуют в последние двадцать лет одно за другим*). Но это… Судите сами — открыты движения со сверхсветовыми скоростями.

*) Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрономии и астрофизики; о новейших открытиях в мире звезд и галактик можно прочитать в книгах: Чернин А. Д. Звезды и физика. — М.: Наука, 1984.— Вып. 38.—(Б-чка «Квант»); Ефремов Ю. Я. В глубины Вселенной.— М.: Наука, 1984.

Вот точные факты астрономических наблюдений.

В 1974 году в самом центре довольно далекой галактики, которая значится под номером 120 в 3-м Кембриджском каталоге, произошла яркая вспышка. Возникла светящаяся область, которая прямо, можно сказать, на глазах увеличивалась в размерах. Светящееся пятно разрасталось, и за полгода его радиус увеличился практически от нуля до 3-х световых лет. С какой же скоростью расширялось пятно?

Один световой год — это путь, который свет проходит за один год; но чтобы за полгода пройти расстояние в три световых года, требуется скорость, в шесть раз превышающая скорость света. Выходит, что с такой скоростью и расширялось пятно.

Другой пример. Одна из галактик в созвездии Ящерицы давно уже привлекла внимание астрономов своим необычным поведением. Наблюдая ее центральную область в декабре 1980 года, астрономы нашли там два ярких пятнышка, расстояние между которыми составляло 3 световых года. Было замечено, что эти светящиеся пятна удаляются друг от друга, и в июне 1981 года расстояние между ними составило уже 5,5 световых лет. За полгода расстояние увеличилось на 2,5 световых года. Следовательно, скорость удаления одного пятна от другого составляет пять скоростей света.

Вот явление, наблюдаемое в центральной области знаменитого квазара, который в 3-м Кембриджском каталоге значится под номером 273. Это был первый открытый квазар. С его обнаружения в 1963 году и начался настоящий каскад замечательных астрономических открытий 60—80-х годов.

Из центра этого квазара выбрасывается светящаяся струя. Ее яркий конец за четыре года удалился от центра на расстояние 20 световых лет. Выходит, он двигался со скоростью, в пять раз превышающей скорость света.

Есть и другие примеры такого рода сверхсветовых движений. Нужно сказать, что почти все они открыты по наблюдениям не в видимом свете, а в радиолучах, с помощью самых крупных современных радиотелескопов. Рекорд (на 1987 год) – скорость, превышающая скорость света в 21 раз!

Теория относительности учит нас, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превосходящей скорость света. Как же понимать тогда свехсветовые скорости в ядрах галактик и квазаров?

После первого удивления и даже растерянности астрономы все же догадались, как объяснить это явление. Теория относительности, как оказалось, нисколько не была поколеблена. Напротив, найденное объяснение целиком на ней основывается.

Вот самый простой пример такого объяснения.

Пусть тело движется навстречу нам, — но не строго по лучу зрения, а под небольшим углом к нему. Пусть объект испустил два сигнала по направлению к нам. сначала один, а затем, через определенный промежуток времени, другой. За время между испусканием сигналов тело прошло путь ОА на нашем рисунке. Видимое нами перемещение меньше — оно, очевидно, представляет собой проекцию этого пути на то, что астрономы называют картинной плоскостью. Это плоскость, перпендикулярная к лучу зрения. Проекция составляет отрезок ОВ.

Как астрономы получили свои оценки скорости? Они делили видимое перемещение (отрезок ОВ) на время между приемом первого и второго сигналов. Они брали именно время между приемом, а не между испусканием двух сигналов.

Но это разные промежутки времени. Когда источник движется на нас, промежутки времени, как мы знаем, сокращаются — в соответствии с эффектом Доплера. Промежуток между приемом сигналов меньше промежутка между их испусканием. И если скорость источника близка к скорости света, разница между ними может оказаться сколь угодно большой.

При вычислении видимой скорости перемещения мы, так сказать, проигрываем в пути (проекция ОВ меньше пути ОА), но зато можем очень сильно выиграть во времени. Из-за этого и получается пугающе большое отношение видимого пути к времени между приемом двух сигналов, посланных в начале и в конце этого пути. Это отношение и считали скоростью движения.

Такая «видимая» скорость вполне может оказаться больше скорости света. Но она не совпадает с реальной скоростью движения тела. Реальная скорость равна отношению пройденного пути (ОА на нашем рисунке) к промежутку времени между испусканием — а не приемом! — сигналов. Как показывают расчеты, она должна быть довольно большой, близкой к скорости света, но при этом никак ее не превышать.

Видимые сверхсветовые скорости — это иллюзия. Она возникает из-за относительности времени. Нельзя вычислять скорость делением пути, пройденного «там», на промежуток времени, измеренный «здесь». Стоило астрономам забыть об этом, и они натолкнулись на парадокс.

К счастью, загадка оказалась не такой уж трудной. Правильный ответ был вскоре найден. Теория относительности и, прежде всего, идея относительности времени в очередной раз восторжествовали.

ГЛАВА 7 МИРОВАЯ ЛИНИЯ

Герман Минковский (1864—1909), немецкий математик и физик, много сделавший для разработки математического аппарата теории относительности, разъясняя в 1908 году новые взгляды на пространство и время, заявил: «Отныне понятия пространства самого по себе и времени самого по себе осуждены на отмирание и превращение в бледные тени, и только своего рода объединение этих двух понятий сохранит независимую реальность».

Мы обсудим сейчас это решительное утверждение, постараемся разобраться, что на самом деле скрывается за «своего рода объединением» и «независимой реальностью», о которых говорит один из основоположников новейшей физики.

Далее мы коснемся таких важных тем как причинная связь явлений во времени и абсолютный характер различия между прошлым и будущим.

4 = 3 + 1

Чтобы изучить какое-то событие в мире физических явлений, нужно прежде всего знать, где и когда оно произошло. Ответить на вопрос где! — значит указать место происшествия; ответить на вопрос когда! — указать соответствующий момент времени.