(Сказка по физике для детей думающего возраста и их родителей)
"И как бы я ни упорствовал, ни спорил,
обойденный во времени завтрашней газетой,
я то и дело умирал в прошлом, которое было
ненаступившим завтрашним днем"
Кобо Абэ Тайное свидание
В каком ограниченном, косном мозгу могла по сей день сохраниться идея о неизменном и постоянном, вяло текущем в одном направлении - из прошлого в будущее - времени? В мире нет ничего более изменчивого, эластичного и подвижного, чем время. Оно способно растягиваться и сжиматься, искривляться и замедляться, пульсировать и останавливаться, извращаться и направляться вспять - из будущего в прошлое. Время неразрывно сплетается с пространством, увлекая его за собой в бесконечный и безначальный космический танец.
Больцман утверждал, что в космической шкале нет единого направления времени, что существуют области, где время идет вспять. Несчастный. Время жестоко поглумилось над ним: непонятый и осмеянный современниками, отчаявшийся найти хоть одну-единственную родственную душу, титан этот, опередивший свое время, безвременно и погиб. Он собственноручно надел петлю себе на шею, стремясь уйти из этого тесноватого для него мира в другое пространственно- временное измерение, более милостивое к нему. Нашел ли он его? Как знать.
Загадку времени пытались решить и другие строптивцы. Всех их постигла жестокая судьба. За исключением, пожалуй, Эйнштейна: его время оценило его труды. Но был ли он действительно понят? Увы, нет. Лишь немногими. Остальные же просто поверили в него, как верят в бога, в мессию. Попугайски твердя что-то о четвертом измерении, провозглашая относительность времени, они тут же не устают повторять, что, действительно, в квантовой механике процессы предстают обратимыми во времени. Что же касается макро процессов, космической шкалы, то здесь, по-видимому, необходимо смириться с тем фактом, что время способно двигаться лишь из прошлого в будущее - не иначе. И это утверждает такой корифей, как... Впрочем, не стану называть его имени. Подобное заблуждение - еще не самая злая шутка, которую может сыграть с человеком неуловимое и насмешливое время. И все же... Безумство храбрых - вот мудрость жизни. Давайте же попробуем выпытать у времени его тайны.
Думаю, что многие читали в детстве сказку об одном незадачливом путешественнике, который, во времена еще лошадей и кибиток, надумал навестить родственников, живущих в другом городе. Хозяин лошадей, желая содрать с клиента побольше денег, разъяснил тому, что на одной лошади он далеко не уедет, лучше взять пару, тогда дело пойдет быстрее, на тройке лошадей - и того лучше,
"А если четверку возьмешь вороных,
то за два часа ты доскачешь на них"
На что простак наш, загоревшись, воскликнул:
"Уж лучше я восемь возьму, коль найдется:
тогда мне и ехать совсем не придется!"
Тут все читатели старше двух лет начинают обычно смеяться. А почему? Да потому, что заявление нашего путешественника противоречит здравому смыслу: никуда не уезжая, не увидишь родственников, находящихся в другом городе. А вот здесь-то как раз и кроется подвох.
Отступая в сторону от основной линии повествования, замечу вкратце, что этот самый пресловутый здравый смысл зачастую абсолютно бесполезен в физике вообще и в космологии - науке о Вселенной - в частности. Так, например, с точки зрения здравого смысла, наша старушка-земля - плоская и неподвижная. Да- -да, вот именно. Плоская и неподвижная. Так люди и полагали довольно долгое время, до той поры, пока некоторые, самые из них дотошные, не нашли массы противоречий в таком представлении. Посмели заикнуться - и запылали костры инквизиции... И все-таки она вертится! Вертится - и все тут. Так вот. Вoзвращаясь к здравому смыслу и его козням. Известен ляпсус, допущенный бедолагой-троечником в школьном сочинении. Всадник вскочил на коня и поскакал в разные стороны, - написал он, чем и насмешил несказанно учителей своих и товарищей своих. Здравый смысл подсказывает нам: невозможно одновременно направиться в противоположные стороны. Будь добр, или уж - в одну, или - в другую. И действительно, в обыденной жизни, где царствует здравый смысл, иного и быть не может. А в физике? О, наука умеет много гитик!
Вот свет, например. Волна света от точечного источника (а в космосе все источники точечные) распространяется во все стороны сразу. Причем, происходит это не так, что из десяти, скажем, составляющих волну фотонов, пять мчатся, сломя голову, в одну, а пять - в другую сторону. В том-то и секрет, что один (один-единственный!) фотон, оказывается, вполне способен очутиться ... в двух местах сразу. Т.е. он, фотон этот, является как бы и отдельной частицей и - целой волной в одно и то же время. Мало того, некоторые другие элементарные, как их называют, частицы тоже способны проявлять разные свойства: иногда они ведут себя, как частицы, т.е., находятся в определенный момент времени в определенном пункте пространства, а иногда - как волны: в определенный момент времени находятся во многих сразу пунктах пространства! И тут уж лучше не цепляться за здравый смысл, а то - голова закружится! Почему и как такое происходит - об этом позже, а нам сейчас вот что запомнить надо: свет от любого источника распространяется в разные стороны одновременно.
Ну, и какое же отношение, спросит читатель, фокусы света имеют к загадкам времени? А - самое, что ни на есть, непосредственное. Дело в том, что расстояние между небесными телами мы измеряем временем, которое необходимо свету для его преодоления. В связи с этим в космологии принято говорить о времени, как о четвертом измерении, в дополнение к 3-х мерности пространственных координат. Но - так ли уж необходимо вводить понятие четырехмерного пространства, что вызывает, если не сказать оторопь, то - почтительное недоумение у обычного, среднего человека?
Хотя мы и развенчали слегка здравый смысл, но, не претендуя на ведущую роль в космологии, он, тем не менее, вполне пригоден для обычной жизни. А в обычной, повседневной жизни, где здравый смысл - царь и бог, мы довольно часто определяем расстояние посредством времени, говоря, например: в двух часах ходьбы или же в трех часах езды, или сутки поездом, или там, столько-то самолетом. И естественно: зная среднюю скорость средства передвижения, мы вполне можем обозначать расстояние временем, за которое оно будет преодолено с использованием данного средства.
Что касается космических объектов, то расстояние между ними совершенно логично определять временем, за которое это расстояние проходит свет. Скорость света - величина постоянная и неизменная, 300 000 км в секунду, при необходимости легко расстояние и в километры пересчитать, только вот - нули писать долго. Собственно, мы могли бы и обычную беговую дорожку разметить временем: например, чемпион мира пробежал по ней разок и вешками свое время отметил: 3 минуты, 5 минут, 8 ... и т.д. А остальные, тренируясь, стремятся до соответствующей вешки за то же время добежать... Т.е., пространство и время, в каком-то смысле, вещи взаимозаменяемые, как время - деньги при почасовой оплате. Так что, не усложняя картину 4-ым измерением, заметим вкратце, что космическая шкала пространства и/или времени калибруется светом. Т.е. время, которое свет затрачивает на преодоление некоторого расстояния, строго соответствует этому расстоянию:
5 световых лет = расстояние, которое свет проходит за 5 лет =
время, за которое свет проходит расстояние в 5 световых лет = 5 лет ;
Другими словами, 5 лет - это 5 лет фотоном.
Надеюсь, не получается все уж слишком сложным? А то, как сказал один датский поэт:
"Если хочешь ученым прослыть,
То представь нам простое - сложным.
Очень сложным, почти невозможным
Для всех прочих его раскусить"
Поскольку быть ученым, на мой взгляд, куда важнее, чем слыть таковым, то, продолжая свои объяснения, постараюсь не обескураживать читателя кульбитами изощренного ума, а, напротив, изложить все предельно просто. Ну, так просто, как, например, законы Менделя, за почитание которых в нашем родном отечестве инквизиторы от науки, ох, как шельмовали несчастных своих собратьев.
Итак, что касается космической шкалы, то речь пойдет не о некоем фантастическом 4-ом измерении, как таковом, а - более прозаично: об идентичности измерений, проводимых в пространственных или же - временных единицах. Здесь необходимо перевести дух и, поскольку повторение - мать учения, напомнить еще раз, что волна света, распространяясь от источника, направляется как к наблюдателю, и это называется прямым световым конусом, так и прочь от него - в обратном конусе света. Если момент отдельной вспышки принять за точку отсчета, то направление движения фотонов в прямом конусе естественно считать положительным, а в обратном - отрицательным. Соответствующие изменения претерпевает, очевидно, и время: в обратном конусе оно, в отличие от прямого, приобретает отрицательные значения, поскольку любой последующий пункт на пути движения света отнесен в более далекое прошлое, чем предыдущий - на большее число световых лет от наблюдателя. Отсюда следует, что в обратном конусе фотоны движутся обратно во времени - из будущего в прошлое, причем - в отрицательной временной шкале. С точки зрения земного наблюдателя, разумеется. Если какой-либо зелененький, но симпатичный инопланетянин живет, скажем, на планете Х, расположенной по другую от звезды сторону, чем земля, то для него прямой и обратный конус, естественно, поменяются местами, но принцип останется тем же: в прямом конусе - время положительное, в обратном - отрицательное. Впрочем, я лично очень сомневаюсь в существовании инопланетян. А вот принцип зато - вне всяких сомнений; в этом-то и состоит относительность времени, вся хитрость его. Так что, вот тебе, бабушка, и Юрьев день. То бишь, вот вам, друзья, и отрицательное время! И никаких чрезмерных сложностей, ведь так?
Собственно, движущимся обратно во времени можно считать любой объект, удалающийся от наблюдателя: именно поэтому замедляется время космонавта, направляющегося к далеким звездам. Но - попадет ли космонавт в отрицательное время? Чтобы ответить на этот вопрос, проведем некий мыслительный эксперимент. Напомним предварительно, что космонавт всегда летит против течения времени. Читали роман под названием Вверх по лестнице, ведущей вниз? Ну, вот. Примерно, та же ситуация. Итак. Допустим, скорость космонавта равна половине скорости света (в мыслительном эксперименте все возможно). Тогда, двигаясь обратно во времени, предположим, 10 лет, он преодолевает расстояние в 5 световых лет, т.е., попадает на 5 лет в прошлое по сравнению с земным временем, и должен, следовательно, отвести свои часы на 5 лет назад:
10 - 5 = 5.
Это означает, что время космонавта осталось положительным, хотя и замедлилось вдвое. Если у нашего космического скитальца остался на земле брат-близнец, то братец этот постареет, бедняга, куда быстрее первого, да и свет звездный до него дольше идет, а ведь он, небось, называет эти плевочки жемчужиной? Ну, как тут еще раз не вспомнить о пользе активного образа жизни? Впрочем, не будем торопиться с выводами. Давайте посмотрим, что произойдет, если космонавт наш отправится в путешествие со скоростью, равной скорости света. В таком случае, летя, как и полагается, обратно во времени, он вынужден отвести свои часы назад ровно на столько лет, сколько от провел в пути:
10 - 10 = 0.
Хорошенькое дело! - возмутится понятливый читатель. Что же это получается? Выходит, его время - остановилось?! Ну да, вот именно. Более того, сейчас последует такое, что ахнешь! Ведь, если время космонавта остановилось в момент вылета, то он... как бы никуда и не улетал. То-то и оно. С одной стороны, он, как бы затратил определенное время, а с другой - как бы и нет; с одной стороны - преодолел соответствующее расстояние, а с другой - опять же - нет! Посторонись, здравый смысл, да здравствует космология!
Что же, все-таки, произошло с нашим космонавтом? А то же, примерно, что с белкой в колесе. Пробуксовка во времени (и, соответственно, в пространстве). Так. Чувствую, мозги у некоторых тоже забуксовали. Трудно такое себе представить. Но - успокойтесь, с космонавтом это может случиться лишь в сказке, или же - в мыслительном эксперименте. А вот с фотоном и некоторыми другими частицами, когда они приближаются к скорости света, такое происходит сплошь и рядом. Именно потому они и проявляют свойства волны: из-за своей умопомрачительной скорости. Для обыденной жизни это - парадокс. Слышали шутку: Не мельтеши перед глазами, а то я не тебя, а чертеж твоих движений вижу! Улыбнулись? Но - запомните: трудно определить позицию объекта, когда он достигает запредельных скоростей. Например, электрон на орбите: иногда, вроде, частица, а иногда - облако размытое, да и только.
Что ж, давайте снова к космонавту нашему вернемся, который умудрился скорости света достичь. При такой скорости в момент завершения полета он окажется точно в месте соприкосновения прямого и обратного конусов, в эпицентре волны. Но...стоило ли так спешить? В то время, как он увидит вспышку на самой звезде, гребень той же волны увидит и его оставшийся на земле брат, для которого время идет своим чередом. Эх, уж лучше летел бы себе с половинной скоростью, было бы чем перед братцем похвастаться. Вот уж, поистине - тише едешь, дальше будешь, а так ... можно было бы и вовсе никуда неуезжать: вспышку-то оба зафиксируют одновременно! Ну-ка, о чем вам напомнила эта ситуация? Ну, конечно! О нашем старом знакомце, который, вопреки здравому смыслу, хотел заказать так много лошадей, чтобы повидаться с родственниками, не трогаясь с места! А впрочем, ... ведь и космонавт-то наш, как уже упоминалось - вроде как и улетел в эпицентр волны, на звезду желанную, но врoде как и дома остался, поскольку время для него в тот самый момент остановилось, когда уже сказано было: Давай, космонавт, потихонечку трогай!. А тут - и волна световая накатила - куда уж лететь! Но ведь - улетел же все-таки! С точки зрения нас, землян, 10 лет где-то проболтался. Так как же - улетел или нет? Опять ум за разум заходит. А на самом деле - вот что вышло: космонавт наш сам себя догнал, то бишь - удвоился: в один и тот же момент - в двух местах сразу очутился. Вот что значит - скорость света! Напомним снова, что нигде, кроме как в сказке, невозможно это для материальных объектов - будь наш путешественник хоть весьма корпулентным ( толстячком, то бишь), а хоть и тонким, как спичка. Да прибавьте еще массу его корабля космического, которая тоже, конечно, мера инертности. Зато уж безмассовые частицы - те же фотоны или другие, с ничтожной массой - те уж так разгоняются, что только держись! Понятно теперь, почему они ни то, ни се? Вернее, и то, и се сразу? В смысле - и волны, и частицы? Надеюсь, понятно. Тoгда ... время - вперед! За ним, укротители времени!
Итак. Скорость нашего космонавта ...превысила скорость света! Ура! Да здравствует! На сколько превысила? Да чего уж мелочиться? Для мысли нет запрета. Вдвое. И - что же произойдет? А вот что: космонавт попадет в обратный световой конус, в отрицательное время! Время космонавта извращается, идет вспять, т.к. за 10 лет пути он отводит часы на 20 лет назад:
10 - 20 = - 10.
Вот оно! Вот же оно, видите?! Отрицательноe время! А то все так и норовят - только лучшей своей стороной людям показаться. Но время мы разоблачили, все-таки. Космонавту для этого пришлось, правда, самому себя обогнать. Помните, как та дама из Хокингского лимерика (стишок такой небольшой)? Вы что, не знаете Хокинга? Известный физик и, похоже, чуточку поэт. К коляске инвалидной прикован, но мыслью --в глубины галактик залетает. А с дамой из его стихотворения вот что случилось:
"Дама по прозвищу Умница
Хотела проехать по улице.
Но мчалась при этом
Сверх скорости света
И вот наказанье за это:
Дама вновь у родного подъезда,
Задолго, увы, до отъезда"
Снова здравый смысл нарушен, потому забавно, да? Но, как мы с вами уже убедились, здравый смысл - одно, а космология - совершенно другое.
Давайте все-таки разберемся, почему так нелегко, так непросто оказалось обнаружить двойственную природу времени? Почему так устойчиво предствление об однонаправленном времени во Вселенной? Начать с того, что в нашем материальном мире все объекты, естественно, материальны, ведь так? А для материальных объектов, повторяю, невозможно достижение скорости света, а тем более - ее превышение. Любой же объект, движущийся со скоростью, меньшей скорости света, рано или поздно будет настигнут световой волной, которая, отразившись от него, вернется к наблюдателю. Вот! Вот тут-то время и получает прекрасную возможность подшутить над нами!
Дело в том, что мы способны воспринимать лишь свет, идущий к нам, попадающий на сетчатку глаза. Свет же удаляющийся, тот самый, из обратного конуса, мы увидеть не в состоянии. Он может быть зафиксирован наблюдателем исключительно в том случае, если он отразится от какого-либо, встреченного на пути, объекта, и снова вернется к наблюдателю. Но ведь тогда это опять-таки будет прямой конус света, только уже от другого источника!
Понимаете теперь, в чем фокус? Все небесные тела светятся, как известно, либо своим, либо отраженным светом, и в этом смысле являются для наблюдателя (нас с вами) как бы самостоятельными источниками света. Стоит ли удивляться тому, что, рассматривая лишь свет, идущий в одном направлении, мы и время оцениванием, как однонаправленную величину? Вот так время и играет с нами в прятки, всегда лишь одной стороной поворачиваясь. А свет и пространство, кувыркаясь вместе с ним, ему подыгрывают. Свет без труда догоняет все тела материального мира и, отражаясь от них, водит нас за нос, а пространство лишь хитро подмигивает: Как же это вы меня временем мерять хотите? Я - в обе стороны от нуля направляюсь, а время-то в вашем распоряжении - только положительное? Вот такие насмешники. Но теперь-то мы с вами поймали время на горячем, заставили его обнаружить свою отрицательную сущность.
И остается лишь спросить себя: а действительно ли не существует в космосе объектов, способных двигаться в отрицательном времени? Ведь для этого им что надо? Всего лишь лететь быстрее света. И тогда такие объекты в принципе не могут быть обнаружены астрономами: световая волна их никогда не настигнет и не отразится от них, как бы давно ни началось и как бы долго ни продолжалось их движение. Но если мы чего-то не видим, это еще не означает, что этого чего-то не существует вообще. Существование подобных объектов, всегда остающихся в обратном световом конусе, движущихся обратно во времени в отрицательной его шкале, подтверждается многими косвенными данными.
Хотите, скажу по секрету, как такие объекты называются? Тела Антивселенной, вот как. Откуда они взялись? А как же иначе? В первичной, зачаточной еще Вселенной, возникали в равном количестве частицы и античастицы. И вдруг, как написано в одной толстой книге, по невыясненой пока причине, чуть не все античастицы ... куда-то бесследно исчезли! Но ведь исчезнуть античастица может лишь путем аннигиляции (взаимоуничтожения) со своей парой - частицей, и это сопровождается выделением определенного количества энергии. А их партнеры по исчезновению - материальные частицы, благополучно продолжают свое существование в больших и малых объектах материальной Вселенной, и в ус не дуют! Так, может быть, античастицы тоже никуда и не исчезали, кроме как - из нашего поля зрения? В те времена нас, правда, еще и в помине не было, но вы ведь понимаете, о чем речь?
Просто античастицы, следуя примеру своих материальных собратьев, тоже объединялись с течением времени с себе подобными во все более и более сложные антиматериальные конгломераты, но, не обладая массой, которая, как известно, мера инертности, напротив, накапливали антимассу. И - приобрели такую подвижность, что обогнали свет. Благодаря сверхсветовой скорости они и скрылись от нас навсегда, за исключением разве что самых малых и нерасторопных, за которыми можно изредка подсмотреть - в мире квантовой механики, где наблюдатель, к тому же, находится как бы вне системы, и способен поэтому иногда заглянуть и в обратный конус света.
Признание существования Антивселенной в качестве равноправного партнера Вселенной в космосе позволяет объяснить многие нерешенные вопросы современной космологии, но это уже - предмет другой сказки. А я хочу лишь пожелать читателям успехов в изучении всяких разных наук и выразить надежду, что эта моя сказочка поможет им лучше понять физику. Не для того, чтобы получать одни пятерки: для настоящего ученого важнее всего не оценка его работы, а - сама работа. Дерзайте. Укрощайте непокорное время. Удачи, друзья!
А сказочку эту можете рассказать тем ученым дядям, которые долго и безуспешно играют в прятки со временем, потому что уж больно за здравый смысл цепляются. А это, когда имеешь дело с космологией, по меньшей мере ... противоречит здравому смыслу.