Различное течение времени в движущихся друг относительно друга инерциальных системах можно проверить наглядным экспериментом. Из космического пространства в атмосферу Земли проникают очень быстрые атомные ядра, главным образом ядра водорода и гелия. Энергия таких космических частиц очень велика. При столкновении ядер большой энергии с атомами газов атмосферы образуются ливни новых частиц, которые содержат различные элементарные частицы. В числе прочих частиц образуются и так называемые тяжелые электроны, или мюоны. Эти частицы не стабильны. Вскоре после образования каждый мюон распадается на электрон (или позитрон) и нейтрино. Среднее время жизни покоящегося мюо-на несколько больше двух миллионных секунды. Если же измерять время жизни мюона, движущегося с большой
скоростью, то получим значительно большее время жизни.
В принципе такие измерения просты. В настоящее время имеются различные установки, позволяющие считать отдельные элементарные частицы или же сделать видимыми их следы и сфотографировать их.
Мы здесь не будем описывать детально методики опытов, позволяющих определить время жизни мюонов. Расскажем лишь о самых существенных результатах,
которые получаются после обработки эксперимента. Оказывается, что мюон, движущийся, например, со скоростью 300 км/сек, проходит до распада путь длиной в 6 мм, а мюон, движущийся, например, со скоростью 290 000 км/сек, проходит до распада в среднем путь длиной 2,3 км. Простые расчеты показывают, что в первом случае среднее время жизни мюона составляет 2 миллионных секунды, во втором случае — 8 миллионных секунды.
скоростью, то получим значительно большее время жизни.
В принципе такие измерения просты. В настоящее время имеются различные установки, позволяющие считать отдельные элементарные частицы или же сделать видимыми их следы и сфотографировать их.
Мы здесь не будем описывать детально методики опытов, позволяющих определить время жизни мюонов. Расскажем лишь о самых существенных результатах,
которые получаются после обработки эксперимента. Оказывается, что мюон, движущийся, например, со скоростью 300 км/сек, проходит до распада путь длиной в 6 мм, а мюон, движущийся, например, со скоростью 290 000 км/сек, проходит до распада в среднем путь длиной 2,3 км. Простые расчеты показывают, что в первом случае среднее время жизни мюона составляет 2 миллионных секунды, во втором случае — 8 миллионных секунды.
Различное течение времени в движущихся друг относительно друга инерциальных системах можно проверить наглядным экспериментом. Из космического пространства в атмосферу Земли проникают очень быстрые атомные ядра, главным образом ядра водорода и гелия. Энергия таких космических частиц очень велика. При столкновении ядер большой энергии с атомами газов атмосферы образуются ливни новых частиц, которые содержат различные элементарные частицы. В числе прочих частиц образуются и так называемые тяжелые электроны, или мюоны. Эти частицы не стабильны. Вскоре после образования каждый мюон распадается на электрон (или позитрон) и нейтрино. Среднее время жизни покоящегося мюона несколько больше двух миллионных секунды. Если же измерять время жизни мюона, движущегося с большой скоростью, то получим значительно большее время жизни.
В принципе такие измерения просты. В настоящее время имеются различные установки, позволяющие считать отдельные элементарные частицы или же сделать видимыми их следы и сфотографировать их.
Мы здесь не будем описывать детально методики опытов, позволяющих определить время жизни мюонов. Расскажем лишь о самых существенных результатах,
которые получаются после обработки эксперимента. Оказывается, что мюон, движущийся, например, со скоростью 300 км/сек, проходит до распада путь длиной в 6 мм, а мюон, движущийся, например, со скоростью 290 000 км/сек, проходит до распада в среднем путь длиной 2,3 км. Простые расчеты показывают, что в первом случае среднее время жизни мюона составляет 2 миллионных секунды, во втором случае — 8 миллионных секунды.
Почему движущийся с большой скоростью мюон живет в четыре раза дольше? Причина ясна. Мы измеряем время жизни движущегося мюона с помощью часов, нахо-
дящихся на земной поверхности, все же процессы, происходящие с мюоном, регулируются воображаемыми «часами», движущимися вместе с мюоном. Эти «часы» и определяют момент распада мюона. «Часы» мюона (движущиеся часы) идут медленнее лабораторных (неподвижных) часов. Чтобы по часам мюона истекло 2 миллионных секунды, на лабораторных часах должно пройти больше времени: если скорость мюона равна 290000 км/сек, часы мюона идут в четыре раза медленнее лабораторных часов. Это значит, что движущийся с такой скоростью мюон будет в четыре раза стабильнее покоящегося мюона. Многочисленные опыты, проведенные с элементарными частицами, подтверждают, что в движущейся системе время течет медленнее, чем в покоящейся системе: движущиеся часы идут медленнее.
Увеличение времени жизни мюона при его движении с большой скоростью не связано со свойствами самого мюона, а является только следствием физических свойств времени. Следовательно, такое же явление должно иметь место не только для элементарных частиц, но и для любых тел, приборов и для живых существ.
Длительность жизни человека, к сожалению, невелика. Однако благодаря открытым теорией относительности свойствам времени, он имеет возможность за время своей относительно короткой жизни предпринять, по крайней мере в принципе, весьма и весьма длительные космические путешествия. Рассмотрим некоторые примеры.
Если космический корабль будет двигаться прямолинейно со скоростью 100 км/сек, то за 50 лет он пройдет путь, равный расстоянию всего в 0,02 световых года24.
Если скорость космического корабля будет равна 100 000 км/сек, то за 50 лет (в системе отсчета корабля) он пролетит расстояние 17,9 световых лет (на Земле за время этого рейса пройдет немного больше 53 лет). Если космический корабль будет иметь скорость 290 000 км/сек, то за 50 лет (по часам космического корабля) он покроет
расстояние в 193,4 световых года (на Земле за это время пройдет уже 198 лет). Если экипаж космического корабля будет лететь со скоростью 299 780 км/сек, то за 50 лет
(по часам космического корабля) он удалится от Земли на 6205 световых лет (за это время космонавты на корабле состарятся на 50 лет). Б космическом корабле будут жить все те же люди, а на Земле со времени их старта пройдет 6130 лет, за это время на Земле сменятся сотни поколений людей. Таким образом, человек в принципе может пролететь за время своей жизни такое огромное расстояние, для покрытия которого, даже для самого быстрого явления в природе — света, требуются тысячи лет. Чем ближе будет скорость космического корабля к скорости света, тем дальше в мировое пространство сможет долететь человек за время своей жизни — такая возможность принципиально есть. Никаких противоречий эта возможность в себе не содержит.
Оставшиеся на Земле скажут: у летящего с большой
скоростью экипажа время течет медленнее, чем на Земле. Все процессы природы, в том числе и движения человека, мышление и жизненные процессы, будут происходить в таком космическом корабле медленнее, чем на Земле. И стареть человек будет в таком корабле медленнее. Благодаря этому он и может в принципе за время своей жизни пролететь огромные космические расстояния.
Для экипажа космического корабля замедленного течения времени не существует. Ритм их жизни будет нормальный. Однако они заметят, что расстояние от Земли до космического объекта назначения короче, чем это утверждали живущие на Земле люди. Сокращение длины будет обусловлено тем, что Земля и космический объект, к которому направляется космический корабль, движутся по отношению к кораблю с большой скоростью. Космонавтам будет совершенно ясно, как им удастся долететь до космического объекта, который для находящихся на Земле отстоит на тысячи световых лет. Б этом им будет помогать сокращение длины при больших скоростях.
Нет никаких сомнений, что описанные выше дальние космические полеты принципиально вполне осуществимы. Опыты с мюонами и другими элементарными частицами являются непосредственным контролем возможности таких космических полетов.
Несколько сложнее, если такой сверхбыстрый космический корабль движется не равномерно и прямолинейно, а в конце своего рейса возвращается обратно на Землю. Космонавты окажутся современниками своих далеких потомков. По мнению космонавтов, они попадут в будущее человечества. Находящиеся же на Земле люди, в свою очередь,
будут утверждать, что вернувшиеся космонавты отстали от времени и живут в прошлом… Положение кажется парадоксальным.
Парадокс, связанный с этим эффектом, называется парадоксом часов. Его можно сформулировать следующим образом: если двое синхронизированных часов покидают одну и ту же точку пространства и движутся с различными скоростями, то они показывают при встрече различное время. Это означает, например, что близнецы, двигавшиеся в пространстве с различными скоростями, при встрече будут уже одного возраста. Эти явления лишь кажутся парадоксальными, по существу они совершенно естественно вытекают из теории относительности.
Перемещение в будущее в принципе вполне возможно — так говорит теория. Правда, ни одного прямого эксперимента, который имитировал бы возвращение космического корабля и сравнение разницы часов Земли и корабля, пока не удалось поставить даже с элементарными частицами. Принципиально же в проявлении парадокса часов не может быть никаких сомнений — так считают все выдающиеся специалисты теории относительности.
Скептики рассуждают обычно так. Допустим, что космический корабль сделал в мировом пространстве круг п вернулся обратно на Землю. Сравнение часов показало, что часы космического корабля отстали от земных часов. Но это же самое событие мы можем описывать и в системе отсчета, связанной с космическим кораблем. Тогда получим картину движения такой, как ее видят космические путешественники: Земля удаляется от космического корабля, совершает в мировом пространстве круг и возвращается обратно к космическому кораблю. Движущейся системой на этот раз была Земля. Следовательно, мы должны сказать, что земные часы отстали от часов космического корабля. Мы пришли к противоречию. Поэтому в действительности парадокса часов вообще не может быть. Приведенное рассуждение неверно. Земля и космический корабль, как системы отсчета, не равноправны. Земля все время остается инерциальной системой, космический же корабль, который то разгоняется, то тормозит, — нет. Так как инерциальные системы по отношению к другим системам отсчета находятся в предпочтительном положении, то рассуждение можно проводить только в связанной с Землей системой отсчета.
Чтобы точно ответить, на сколько отстали часы на вернувшемся на Землю космическом корабле от земных часов, нужно еще установить, как действуют на ход часов ускорение и замедление космического корабля. Эти проблемы относятся уже к излагаемой в следующей главе общей теории относительности. Забегая вперед, скажем, что некоторые осуществленные в 1960 г. опыты показывают: часы, движущиеся ускоренно, идут медленнее, чем покоящиеся часы. Тем самым ускорение и торможение корабля не могут воспрепятствовать замедлению процесса старения космонавтов во время полета..
В принципе такие измерения просты. В настоящее время имеются различные установки, позволяющие считать отдельные элементарные частицы или же сделать видимыми их следы и сфотографировать их.
Мы здесь не будем описывать детально методики опытов, позволяющих определить время жизни мюонов. Расскажем лишь о самых существенных результатах,
которые получаются после обработки эксперимента. Оказывается, что мюон, движущийся, например, со скоростью 300 км/сек, проходит до распада путь длиной в 6 мм, а мюон, движущийся, например, со скоростью 290 000 км/сек, проходит до распада в среднем путь длиной 2,3 км. Простые расчеты показывают, что в первом случае среднее время жизни мюона составляет 2 миллионных секунды, во втором случае — 8 миллионных секунды.
Почему движущийся с большой скоростью мюон живет в четыре раза дольше? Причина ясна. Мы измеряем время жизни движущегося мюона с помощью часов, нахо-
дящихся на земной поверхности, все же процессы, происходящие с мюоном, регулируются воображаемыми «часами», движущимися вместе с мюоном. Эти «часы» и определяют момент распада мюона. «Часы» мюона (движущиеся часы) идут медленнее лабораторных (неподвижных) часов. Чтобы по часам мюона истекло 2 миллионных секунды, на лабораторных часах должно пройти больше времени: если скорость мюона равна 290000 км/сек, часы мюона идут в четыре раза медленнее лабораторных часов. Это значит, что движущийся с такой скоростью мюон будет в четыре раза стабильнее покоящегося мюона. Многочисленные опыты, проведенные с элементарными частицами, подтверждают, что в движущейся системе время течет медленнее, чем в покоящейся системе: движущиеся часы идут медленнее.
Увеличение времени жизни мюона при его движении с большой скоростью не связано со свойствами самого мюона, а является только следствием физических свойств времени. Следовательно, такое же явление должно иметь место не только для элементарных частиц, но и для любых тел, приборов и для живых существ.
Длительность жизни человека, к сожалению, невелика. Однако благодаря открытым теорией относительности свойствам времени, он имеет возможность за время своей относительно короткой жизни предпринять, по крайней мере в принципе, весьма и весьма длительные космические путешествия. Рассмотрим некоторые примеры.
Если космический корабль будет двигаться прямолинейно со скоростью 100 км/сек, то за 50 лет он пройдет путь, равный расстоянию всего в 0,02 световых года24.
Если скорость космического корабля будет равна 100 000 км/сек, то за 50 лет (в системе отсчета корабля) он пролетит расстояние 17,9 световых лет (на Земле за время этого рейса пройдет немного больше 53 лет). Если космический корабль будет иметь скорость 290 000 км/сек, то за 50 лет (по часам космического корабля) он покроет
расстояние в 193,4 световых года (на Земле за это время пройдет уже 198 лет). Если экипаж космического корабля будет лететь со скоростью 299 780 км/сек, то за 50 лет
(по часам космического корабля) он удалится от Земли на 6205 световых лет (за это время космонавты на корабле состарятся на 50 лет). Б космическом корабле будут жить все те же люди, а на Земле со времени их старта пройдет 6130 лет, за это время на Земле сменятся сотни поколений людей. Таким образом, человек в принципе может пролететь за время своей жизни такое огромное расстояние, для покрытия которого, даже для самого быстрого явления в природе — света, требуются тысячи лет. Чем ближе будет скорость космического корабля к скорости света, тем дальше в мировое пространство сможет долететь человек за время своей жизни — такая возможность принципиально есть. Никаких противоречий эта возможность в себе не содержит.
Оставшиеся на Земле скажут: у летящего с большой
скоростью экипажа время течет медленнее, чем на Земле. Все процессы природы, в том числе и движения человека, мышление и жизненные процессы, будут происходить в таком космическом корабле медленнее, чем на Земле. И стареть человек будет в таком корабле медленнее. Благодаря этому он и может в принципе за время своей жизни пролететь огромные космические расстояния.
Для экипажа космического корабля замедленного течения времени не существует. Ритм их жизни будет нормальный. Однако они заметят, что расстояние от Земли до космического объекта назначения короче, чем это утверждали живущие на Земле люди. Сокращение длины будет обусловлено тем, что Земля и космический объект, к которому направляется космический корабль, движутся по отношению к кораблю с большой скоростью. Космонавтам будет совершенно ясно, как им удастся долететь до космического объекта, который для находящихся на Земле отстоит на тысячи световых лет. Б этом им будет помогать сокращение длины при больших скоростях.
Нет никаких сомнений, что описанные выше дальние космические полеты принципиально вполне осуществимы. Опыты с мюонами и другими элементарными частицами являются непосредственным контролем возможности таких космических полетов.
Несколько сложнее, если такой сверхбыстрый космический корабль движется не равномерно и прямолинейно, а в конце своего рейса возвращается обратно на Землю. Космонавты окажутся современниками своих далеких потомков. По мнению космонавтов, они попадут в будущее человечества. Находящиеся же на Земле люди, в свою очередь,
будут утверждать, что вернувшиеся космонавты отстали от времени и живут в прошлом… Положение кажется парадоксальным.
Парадокс, связанный с этим эффектом, называется парадоксом часов. Его можно сформулировать следующим образом: если двое синхронизированных часов покидают одну и ту же точку пространства и движутся с различными скоростями, то они показывают при встрече различное время. Это означает, например, что близнецы, двигавшиеся в пространстве с различными скоростями, при встрече будут уже одного возраста. Эти явления лишь кажутся парадоксальными, по существу они совершенно естественно вытекают из теории относительности.
Перемещение в будущее в принципе вполне возможно — так говорит теория. Правда, ни одного прямого эксперимента, который имитировал бы возвращение космического корабля и сравнение разницы часов Земли и корабля, пока не удалось поставить даже с элементарными частицами. Принципиально же в проявлении парадокса часов не может быть никаких сомнений — так считают все выдающиеся специалисты теории относительности.
Скептики рассуждают обычно так. Допустим, что космический корабль сделал в мировом пространстве круг п вернулся обратно на Землю. Сравнение часов показало, что часы космического корабля отстали от земных часов. Но это же самое событие мы можем описывать и в системе отсчета, связанной с космическим кораблем. Тогда получим картину движения такой, как ее видят космические путешественники: Земля удаляется от космического корабля, совершает в мировом пространстве круг и возвращается обратно к космическому кораблю. Движущейся системой на этот раз была Земля. Следовательно, мы должны сказать, что земные часы отстали от часов космического корабля. Мы пришли к противоречию. Поэтому в действительности парадокса часов вообще не может быть. Приведенное рассуждение неверно. Земля и космический корабль, как системы отсчета, не равноправны. Земля все время остается инерциальной системой, космический же корабль, который то разгоняется, то тормозит, — нет. Так как инерциальные системы по отношению к другим системам отсчета находятся в предпочтительном положении, то рассуждение можно проводить только в связанной с Землей системой отсчета.
Чтобы точно ответить, на сколько отстали часы на вернувшемся на Землю космическом корабле от земных часов, нужно еще установить, как действуют на ход часов ускорение и замедление космического корабля. Эти проблемы относятся уже к излагаемой в следующей главе общей теории относительности. Забегая вперед, скажем, что некоторые осуществленные в 1960 г. опыты показывают: часы, движущиеся ускоренно, идут медленнее, чем покоящиеся часы. Тем самым ускорение и торможение корабля не могут воспрепятствовать замедлению процесса старения космонавтов во время полета..