Лев Ландау
20 сентября 1519 года флотилия Магеллана отчалила от берегов Испании и начала первое в истории человечества кругосветное плавание. Завершить его удалось лишь одному кораблю. Он прибыл к островам Зеленого Мыса в июле 1522 года. Моряки, отпущенные на берег, возвратились с поразившей их вестью: на суше четверг, тогда как на корабле, судя по календарю, только среда. Плывшие все время на запад моряки каким-то непонятным образом потеряли один день, и эта загадка взволновала образованных людей XVI столетия примерно так же, как волнует сейчас наших современников теория относительности.
Ученые вскоре объяснили загадку. Просто-напросто моряки своим первым кругосветным плаванием доказали, что Земля вращается вокруг оси, делая за сутки полный оборот. Моряки подтвердили то, что за четыреста лет до нашей эры Гераклид Понтийский высказал как смелую научную гипотезу.
В наше время образованных людей волнуют разговоры о том, что из теории относительности вытекает принципиальная возможность построить машину времени для путешествия в будущее. Что эта машина мыслится как космическая ракета, летящая со скоростью, близкой к скорости света. Что космонавт после путешествия в такой ракете сам, оставаясь молодым, увидит своих сверстников сильно постаревшими, то есть, иначе говоря, попадет в будущее.
Справедливы ли эти предположения? Да, справедливы. Более того, мы располагаем сейчас экспериментальными средствами, чтобы доказать принципиальную возможность создания машины времени, хотя до практического воплощения подобной машины, вероятно, еще очень далеко.
Парадокс. Все так относительно.
Со времени создания теории относительности Альбертом Эйнштейном прошло более полувека. За это время теория относительности стала краеугольным камнем современной физики. Сегодня физика без теории относительности столь же немыслима, как и без представления об атомно-молекулярной структуре вещества. Теория относительности не только подтверждена огромным количеством опытных фактов, но и нашла инженерно-техническое применение в современных ускорителях заряженных частиц, при расчете ядерных реакторов и так далее. И уж если следствия теории относительности проверены высшим судьей научного познания — практикой, то теория верна, как бы странно ни выглядели для неспециалиста ее положения.
Конечно, теория относительности принадлежит к числу «трудных» теорий и нельзя от каждого читателя требовать свободного обращения с ее довольно сложным математическим аппаратом. Однако при помощи нескольких элементарных формул существо дела можно изложить сравнительно просто.
Вот как выглядит формула, которая связывает изменение длительности промежутков времени t между двумя любыми событиями по «земным» и «ракетным» часам со скоростью движения ракеты:
t ракеты /1 Земли = I/ (1 -
V2/C2'
где V — скорость движения ракеты относительно Земли, С — скорость света, равная 300 000 километров в секунду.
Связь между средним временем распада мю-мезона, измеренным по лабораторным чаcам, и скоростью его движения описывается формулой:
t Земли = 1,53/ |/ (1-V2/C2) микросекунд.
Из теории относительности вытекает, что на Земле и на космической ракете время течет по-разному, то есть ход любых часов и протекание любых биологических процессов на ракете происходит медленнее, чем на Земле. Длительность промежутков времени между двумя любыми события¬ми по «земным» часам и по «ракетным» часам связаны простой формулой. Оказывается, их отношение зависит от отношения квадрата скорости ракеты относительно Земли к квадрату скорости света (напомним, что скорость света равна 300 000 километров в секунду).
Зависимость эта такова, что, пока скорость ракеты мала по сравнению со скоростью света, различие длительностей промежутков времени между двумя любыми событиями на ракете и на Земле настолько ничтожно, что им можно и должно пренебречь.
Иное дело, если бы удалось построить ракету, летящую со скоростью, близкой к скорости света, например, со скоростью 240 000 километров в секунду. На такой ракете можно было бы предпринять полет к Сириусу и обратно - Сириус находится of нас на таком большом расстоянии, что свету нужно шесть лет, чтобы его преодолеть (напомним для сравнения, что от Солнца свет доходит к нам в течение всего лишь восьми минут). Легко подсчитать время, которое потребуется для полета ракеты со скоростью 240 000 километров в секунду по маршруту Земля-Сириус и обратно. По «земным» часам и календарям для такого рейса понадобится 15 лет.
Если мы теперь подсчитаем время, затраченное на этот рейс космонавтом (по его часам), то окажется, что оно равно девяти годам. Итак, космонавт прилетит обратно «омоложенным» на 15-9 = 6 лет. Другими словами, подобная ракета позволит космонавту за девять лет «путешествия во времени» попасть в будущее, отстоящее от него на шесть лет. Увеличивая скорость ракеты, можно совершать путешествия во все более и более отдаленное будущее.
Отметим, что из теории относительности следует принципиальная возможность создания машины времени только для путешествия в будущее. Напрасно даже надеяться, что дальнейшее развитие науки позволит нам путешествовать в прошлое. Иначе пришлось бы признать принципиально возможными нелепейшие ситуации. В самом деле, отправившись в прошлое, можно было бы очутиться в абсурдном положении человека, родители которого еще не появились па свет. Путешествие же в будущее таит в себе лишь кажущиеся противоречия.
Каковы же технические перспективы возможности построить машину времени? При ближайшем рассмотрении они оказываются крайне мизерными. В самом деле, энергия движущейся ракеты, вес которой предельно скромен — одна тонна, при полете со скоростью 240 000 километров в секунду равна при¬мерно 215000000000000 киловатт-часов. Столько энергии вырабатывается на всем земном шаре за несколько месяцев.
А ведь ракету надо еще разгонять в начале путешествия и затормаживать при его завершении, чтобы можно было безопасно приземляться. Если пользо¬ваться современными ракетными двигателями, для этого потребовалась бы совершенно фантастическая энергия. Но даже если удастся сконструировать ракетный двигатель, выбрасывающий продукты сгорания с наибольшей возможной скоростью— скоростью света, то и тогда пришлось бы израсходовать энергию, примерно раз в двести большую указанной выше. Итак, на путешествие в будущее в самом лучшем случае понадобится столько энергии, сколько производится на всем земном шаре за несколько десятилетий. Сейчас это явно не по карману человечеству и вряд ли окажется доступным даже в отдаленном будущем. Мы уже не говорим о том, что при таких скоростях движения каждая встречная пылинка превратится в опасный снаряд.
Значит ли это, что у нас нет возможности экспериментально проверить замедление хода времени в ракете, летящей со скоростью, близкой к световой? Вовсе нет! Приведенная нами формула проверена на опыте. У нас нет возможности отправить в полет космонавта па ракете со скоростью, сравнимой со скоростью света. Но мы можем проверить формулы теории относительности на элементарных частицах, входящих в состав космических лучей, из которых многое, как показывает опыт, летят со скоростью, близкой к скорости света.
Космические лучи, приходящие на Землю из мировых пространств и представляющие собой поток быстрых протонов и ядер других легких элементов, вызывают в земной атмосфере многочисленные и сложные вторичные явления, в ходе которых возникают разнообразные вторичные частицы. В частности, на небольших высотах значительную часть космических лучей составляют так называемые мю-мезоны. Их масса приблизительно в 206 раз превышает массу электрона. Скорости мю-мезонов различны: от очень небольших до близкиx к скорости света.
Мю-мезоны неустойчивы, они способны распадаться на другие частицы. Условимся называть средним временем распада неустойчивой частицы время, в течение которого из пучка частиц половина успевает распасться. Определяя время распада для быстрых мю-мезонов, скорости которых сравнимы со скоростью света, мы можем использовать уже знакомую нам формулу, учитывающую изменение хода часов. Только здесь мы будем искать отношение среднего времени распада, измеренного по часам, связанным с мезоном, к среднему времени распада, измеренному по часам, связанным с лабораторией.
Очевидно, что первое из них — это среднее время распада покоящихся мю-мезонов. Оно является одной из важнейших характеристик частицы и равно 1,53 микросекунды. А среднее время распада мю-мезона, измеренное по лабораторным часам, как оказывается, возрастает с увеличением скорости мю-мезона. Быстрые мю-мезоны оказываются более «живучими», чем медленные. Физики научились получать однородные пучки мю-мезонов, имеющих одинаковые скорости. У таких пучков удалось измерить среднее время распада (по лабораторным часам) в зависимости от скорости. Формула теории относительности была блестяще подтверждена.
Тем самым получило полное экспериментальное подтверждение одно из фундаментальных положений теории относительности об относительности промежутков времени между двумя событиями и вытекающая из него принципиальная возможность построения машины времени для путешествия в будущее.