Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

Если бы корабль двигался с постоянной скоростью, то второй сигнал должен был бы достичь нижнего наблюдателя раньше в точности с таким же опережением, как и первый сигнал, и поэтому интервал между приемом двух сигналов оставался бы равным одной секунде. Но космический корабль ускоряется, и значит, его скорость в момент отправки второго сигнала будет больше, чем в момент отправки первого сигнала, а следовательно, путь второго сигнала до нижнего наблюдателя будет короче, чем путь первого сигнала, и второму сигналу потребуется меньше времени, чтобы достичь нижнего наблюдателя. Таким образом, интервал между приемом двух сигналов нижним наблюдателем окажется меньше одной секунды, при том, что верхний наблюдатель утверждает, что посылал их с интервалом ровно в одну секунду.

Этот эффект скорее всего не покажется удивительным в случае ускоряющегося корабля – в конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомним, что принцип эквивалентности гласит, что то же самое справедливо и в отношении покоящегося корабля в гравитационном поле. Это значит, что даже в случае, когда корабль не ускоряется, а, скажем, стоит на стартовой площадке на поверхности Земли и наблюдатель в верхней части корабля отправляет сигналы нижнему наблюдателю с интервалом в одну секунду (по своим часам), то нижний наблюдатель должен принимать эти же сигналы через более короткие интервалы (по своим часам). Это поразительно!

Вы, конечно, можете спросить, означает ли это, что гравитация меняет время или просто выводит из строя часы. Представим себе, что нижний наблюдатель поднимется наверх, чтобы встретиться с верхним наблюдателем и сверить часы. Поскольку часы совершенно одинаковые, то, разумеется, оба наблюдателя обнаружат, что ход у них одинаковый и отмеряемые ими секунды тоже совершенно одинаковые. То есть с часами нижнего наблюдателя все в порядке – они измеряют ход времени там, где находятся. То есть подобно тому, как специальная теория относительности гласит, что время по-разному протекает у наблюдателей, движущихся относительно друг друга, общая теория относительности утверждает, что время течет по-разному для наблюдателей, расположенных на разной высоте в гравитационном поле. Согласно общей теории относительности по измерениям нижнего наблюдателя интервал между последовательно принимаемыми сигналами меньше одной секунды потому, что ближе к поверхности Земли время течет медленнее и эффект этот тем больше, чем сильнее гравитационное поле. Законы Ньютона движения покончили с представлением об абсолютном положении в пространстве. Теперь мы видим, как теория относительности избавляет нас от понятия абсолютного времени.

Эффект, предсказанный в вышеописанном мысленном эксперименте, был проверен в 1962 году при помощи пары часов, установленных в верхней и нижней части водонапорной башни. Ход нижних часов, расположенных ближе к Земле, оказался более медленным в точном соответствии с общей теорией относительности. Эффект этот очень мал – отставание часов на поверхности Солнца составит всего лишь около одной минуты в год по сравнению с часами на поверхности Земли. Но с появлением очень точных навигационных систем, работающих на основе приема сигналов со спутников, разница в ходе часов на разной высоте над Землей приобрела чисто практическое значение. Пренебрегая предсказаниями общей теории относительности, можно ошибиться в определении положения на несколько километров!

Эти изменения хода времени точно так же влияют на наши биологические часы. Рассмотрим пару близнецов. Предположим, что один из близнецов отправляется жить на вершину горы, а другой остается на уровне моря. Первый близнец будет взрослеть и стареть быстрее, чем второй. Таким образом, если они снова встретятся, то один из них окажется старше другого. В этом случае разница в возрасте будет очень малой, но она окажется гораздо больше, если один из близнецов отправится на долгое путешествие на космическом корабле, разогнавшись почти до скорости света. Когда он вернется, то окажется намного моложе близнеца, оставшегося на Земле. Это так называемый парадокс близнецов, но парадоксален он, только если вы подсознательно верите в идею абсолютного времени. В теории относительности нет единого абсолютного времени, а у каждого наблюдателя свой ход времени, который зависит от того, где наблюдатель находится и с какой скоростью движется.

До 1915 года пространство и время считались ареной, где разворачиваются события, но которую саму эти события никак не затрагивали. Это оставалось справедливо и в случае специальной теории относительности. Тела двигались, на них действовали силы притяжения или отталкивания, но при этом пространство и время оставались незатронутыми телами и силами. Казалось естественным, что пространство и время существовали и будут существовать всегда. Но в общей теории относительности все обстоит совсем иначе. Пространство и время в ней являются динамическими величинами: движение тела или действие силы влияют на кривизну пространства-времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на движение тел и действие сил. Пространство и время не только определяют все происходящее во Вселенной, но сами подвержены влиянию происходящих во Вселенной событий. Мы не можем говорить о событиях во Вселенной вне понятий пространства и времени. Точно так же в общей теории относительности не имеет смысла говорить о пространстве и времени вне Вселенной. В течение десятилетий, последовавших за 1915 годом, это новое понимание пространства и времени привело к революционным переменам в наших взглядах на Вселенную. Как мы увидим, на смену прежнему представлению о в целом неизменной Вселенной, которая могла существовать всегда и может продолжать существовать вечно, пришло понятие динамической, расширяющейся Вселенной, которая, как казалось, возникла конечное время назад и которая может закончиться в конечное время в будущем.

Если взглянуть на небо ясное темной ночью, то самые яркие объекты, которые вы увидите, это, скорее всего Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, на небе будет много звезд вроде нашего Солнца, но расположенных гораздо дальше. Правда, некоторые из этих «неподвижных» звезд слегка перемещаются относительно друг друга по мере движения Земли по орбите вокруг Солнца. Дело в том, что они на самом деле совсем не неподвижны! А все потому, что сравнительно близкие. По мере движения Земли вокруг Солнца мы видим эти относительно близкие звезды с разных ракурсов на фоне более далеких звезд. Это то же самое явление, что наблюдается, если ехать в машине по открытой местности: близкие деревья постепенно смещаются на фоне более далекого ландшафта. Чем ближе дерево, тем быстрее оно движется на фоне далеких объектов. Это изменение относительного положения объекта называется параллаксом (см. рис. на стр. 63). В случае со звездами это очень удачно, потому что дает возможность непосредственно измерять расстояния до них.

Как уже говорилось в первой главе, ближайшая к нам звезда Проксима Центавра находится на расстоянии около