*
8. ВРЕМЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.
Как мы знаем из теории относительности, чем сильнее ускорение ракеты, и чем ближе её скорость к скорости света, тем сильнее возрастает её масса и тем больше замедляется ход часов на борту. Но с чем связан этот процесс в физическом смысле?
Возможно, сегодня существуют какие-то математические или физические уравнения, описывающие этот факт, но мне они не известны и, тем более, не понятны. А каких-то вразумительных ответов по этому вопросу в научно-популярной литературе я пока не обнаружил. Впрочем, это не помешает мне сделать собственные теоретические выводы по данному поводу, не претендующие на их окончательную истинность.
Насколько мне известно специальная теория относительности представлена всего одной формулой - E=MC2. То есть энергия равна массе умноженной на скорость в квадрате.
Под импульсом материальной точки релятивистская механика понимает не просто произведение массы материальной точки на ее скорость, а произведение массы на частное от деления скорости на некоторую функцию, зависящую от квадрата отношения скорости материальной точки к скорости света в пустоте.
Кстати, из новых уравнений механики с очевидностью следует, что скорость материальной точки никогда не может достигнуть скорости света в пустоте. Таким образом, скорость света в пустоте оказывается верхним пределом скорости передачи энергии в пространстве.
Материальное тело, покоящееся относительно некоторого наблюдателя, обладает в системе координат, связанной с этим наблюдателем, энергией, равной произведению массы покоя на квадрат скорости света. Но если тело начинает двигаться, то его масса возрастает. При приближении скорости тела к скорости света она стремится к бесконечности. Это еще раз указывает на то, что никакому материальному телу с массой покоя, отличной от нуля, невозможно сообщить скорость, равную или тем более превышающую скорость света в пустоте. Эйнштейн обобщил этот результат, показав, что всякое материальное тело, обладающее некоторой массой (измеренной каким-либо наблюдателем), имеет, с точки зрения того же самого наблюдателя, энергию, равную произведению измеренной им массы на квадрат скорости света.
Именно поэтому говориться о том, что ни один звездолёт не сможет достичь скорости света, поскольку его внутренних запасов энергии никогда не хватит на то, чтобы толкать вперёт свою собственную бесконечно растущую массу. Для этого необходим дополнительный внешний источник энергии. Однако, сейчас меня больше интересует не энергия звездолёта, а его масса. Почему она возрастает в геометрической прогрессии по мере ускорения движущейся системы?
Ещё из школьной программы мы знаем, что масса любого объекта зависит от его объёма и плотности. Чем больше плотность вещества на один кубический сантиметр, тем больше его масса. Но почему при постоянном ускорении возрастает плотность вещества? Что происходит с его атомами и элементарными частицами?
Я считаю, что они просто сжимаются под действием инерциальных сил по мере ускорения движения, поскольку в межатомном пространстве «пустоты» гораздо больше, чем вещества. То есть субъективно окружающие наблюдателя объекты могут не менять своего вида, но объективно, со стороны внешнего наблюдателя, они будут сокращаться в размере. Сжимаясь и набирая массу, электроны в атомах естественным образом замедлят ход своего движения. Колебания элементарных частиц также станут менее интенсивными, что в свою очередь может отразится на продолжительности их индивидуального существования.
Замедление волнового движения электронов будет влиять и на объективные показания электронного хронометра. Только так и можно объяснить замедление «времени» в определённой системе, движущейся с ускорением. Например в звездолёте, летящем со скоростью близкой к скорости света. При таких условиях даже сам звездолёт будет сокращаться в длину.
Этот эффект в какой-то мере можно отнести к теории преобразования Лоренца, который утверждал, что объекты движущиеся относительно неподвижного пространства могут сокрощаться в линейном измерении. Его предположение не нашло своего экспериментального подтверждения, поскольку испытания проходили при достаточно малых скоростях. Но А. Эйнштейн смог использовать теорию Лоренца в собственной теории относительности.
Продолжая физическую интерпретацию преобразования Лоренца, Эйнштейн показал, что любое материальное тело, движущееся относительно наблюдателя, будет ему казаться короче (в направлении движения), чем наблюдателю, относительно которого это тело покоится, т.е. наблюдателю, движущемуся вместе с этим телом.
Пусть два наблюдателя движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно в некотором направлении D. Предположим, что один из наблюдателей несет с собой линейку, ориентированную параллельно D. Пусть ее длина, измеренная этим наблюдателем, равна, например, одному метру. Тогда для другого наблюдателя длина этой же линейки будет меньше метра, причем это отличие будет тем значительнее, чем больше будет скорость относительного движения. Величина этого "сокращения" движущейся линейки, вообще говоря, чрезвычайно мала и становится заметной лишь при приближении скорости относительного движения к скорости света в пустоте. И тем не менее, несмотря на это совпадение, имеется существенная разница между сокращением по Фицджеральду - Лоренцу и сокращением по Эйнштейну. Действительно, первые рассматривали его как действительное сокращение тел, находящихся в абсолютном движении по отношению к неподвижному эфиру, тогда как второй - лишь как кажущееся движущемуся наблюдателю сокращение, связанное только с процессами измерений, которыми пользуются различные наблюдатели для измерения расстояний и промежутков времени, и преобразованием Лоренца, математически выражающим связь между результатами измерений, проделанных двумя различными, наблюдателями, находящимися в относительном движении.
Кажущееся сокращение размеров сопровождается кажущимся замедлением хода часов. Наблюдатели, находящиеся, например, в системе координат А, изучая ход часов, движущихся вместе с системой В, обнаружат, что они отстают от их собственных часов, покоящихся в системе А. Иначе говоря, можно утверждать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных. Как показал Эйнштейн, это тоже одно из следствий преобразования Лоренца. Итак, кажущееся сокращение длин и замедление хода часов однозначно следует из новых определений пространства и времени, с которыми и связано преобразование Лоренца.
Согласно специальной теории относительности сокращение масштабов и замедление хода часов имеют взаимный характер. Если каждый из двух наблюдателей, движущихся Друг относительно друга прямолинейно и равномерно, обладает одинаковыми часами и линейками, то, произведя измерения, каждый из них обнаружит, что линейка другого короче его собственной, а часы другого отстают от его часов. Но как утверждал Эйнштейн, это будет лишь кажущийся эффект, а значит реального сокращения объектов и замедления хода часов не произойдёт..
Что же касается общей теории относительности, когда мы имеем дело с системами, движущимися с ускорением и приближающимися к субсветовой скорости, то здесь, по-моему, можно говорить уже о действительном сокращении размеров и замедлении хода «времени». В данном случае преобразование Лоренца преобретает новый смысл, поскольку тела всё же реально сокращаются по отношению к неподвижному эфиру.
А теперь я бы хотел немного пофантазировать и помечтать в рамках научной теории Энштейна.
Известно, что ОТО предполагает наличие искревлённого пространства вблизи больших масс материи.
Учитывая аналогию возникающих в неинерциальных системах отсчета сил инерции с гравитационными, А.Эйнштейн предположил, что массивные тела вызывают вокруг себя локальное искривление четырехмерного пространства-времени.
Релятивистская теория гравитации удовлетворяет принципу соответствия (в пределе малых масс и скоростей из нее непосредственно выводится закон Всемирного тяготения Ньютона ). В то же время уравнения гравитации предсказывают ряд наблюдаемых эффектов, необъяснимых с позиций классической физики:
1. Прецессия эллиптических орбит планет, движущихся в поле сферических тел (зарегистрирована у ближайшей к Солнцу планеты - Меркурия).
2. Эффект "абсолютного" замедления времени в гравитационном поле или при ускоренном движении (зарегистрирован по измерению времени распада нестабильных ядер и "красному смещению" световых волн в гравитационном поле).
3. Искривление лучей света вблизи массивных тел, отличное по величине от эффекта, предсказываемого классической теории (наблюдается по изменению видимого положения звезд вблизи края Солнца).
Исходя из третьего примера, подтверждённого некоторыми данными, предположим, что наш звездолёт достиг максимально возможной для материальных объектов скорости в космическом вакууме. То есть его скорость максимально приближена к скорости света, но не достигает её. При этом масса звездолёта стремится к бесконечности, то есть она неопределённо большая, а значит пространство вокруг него в какой-то степени искривлено.
Предположим так же, что звездолёт будущего оснащён какой-либо установкой, способной поглощать и использовать энергию из вне. Например, с помощью некого аннигилятора он сможет перерабатывать окружающее его пространство - атомы водорода и космическую пыль - в мощную энергию - движущую силу звездолёта. И этот неисчерпаемый источник энергии, вполне вероятно, мог бы позволить космическому кораблю достичь и даже привысить скорость света. Но что же будет с ним дальше?..
Читая фантастические произведения о межзвёздных путешествиях к другим мирам, меня всегда привлекала идея не суб или сверхсветовых перелётов, а так называемых гиперпространственных прыжков. Обычно этот процесс описывается как прорыв звездолёта в некое подпространство, где не действуют привычные физические законы, и откуда по прошествии нескольких секунд, минут или часов корабль выходит в космическое пространство за сотни и тысячи световых лет от точки входа. Однако, лишь редкие писатели фантасты выдвигают по поводу этих гиперпрыжков хоть какие-то научные теории, пусть даже ошибочные. Я же считаю, что такое перемещение или нечто похожее действительно возможно при определённых обстоятельствах.
Могу предположить два варианта развития событий.
1. Звездолёт, оснащённый аннигиляционной установкой, достигает скорости света в пустоте космического вакуума. Масса корабля возрастает до такой степени, что пространство вокруг него сильно искревляется или свёртывается подобно ленте Мёбиуса. Таким образом звездолёт просто исчезает из поля зрения внешнего наблюдателя. Но он снова появится в зоне видимости, как только его скорость и масса уменьшатся до определённой степени, и пространство вокруг корабля, так сказать, развернётся.
2. Звездолёт, оснащённый аннигиляционной установкой, достигаетскорости света в пустоте космического вакуума. Масса корабля становится критической, но пространство вокруг него не просто свёртывается, а как бы прорывается. Таким образом, звездолёт исчезает из поля зрения внешнего наблюдателя и попадает в подпространство. Возможно, это будет физический вакуум, существование которого теоретически доказано. Действующие в гипотетическом гиперпространстве законы должны быть не подходящими для постоянного пребывания там цельного материального объекта. Поэтому звездолёт в любом случае будет выброшен обратно в обычный космос.
Вопрос только в том, где после этого окажется наш звездолёт? В какой точке вселенной. У соседней звезды или в другой галактике. Возможно, это будет зависеть от продолжительности полёта в искревлённом пространстве или в гиперпространстве. А может, ещё от каких-то иных факторов.
Как бы там ни было, а оба этих варианта имеют право на существование, и они дают теоретический шанс будущим поколениям на межзвёздные путешествия.
Что же касается примера с «абсолютным» замедлением Времени в гравитационном поле, то здесь господа учёные что-то явно напутали.
В частности, астрофизики считают, что во Вселенной существуют объекты - так называемые черные дыры, образовавшиеся в результате катастрофического сжатия под действием сил тяготения огромных масс вещества (так называемого гравитационного коллапса). В районе подобных образований в результате действия колоссальных сил тяготения со временем могут происходить удивительные метаморфозы.
На границах черной дыры сила тяготения настолько велика, что время здесь не только сильно замедляется, но практически должно… останавливаться. Поэтому, если какойлибо объект, скажем, неосторожно приблизившийся к черной дыре космический корабль, падает в нее, то внешний наблюдатель никогда не дождется того момента, когда он пересечет ее границу.
Для внешнего наблюдателя процесс сжатия коллапсирующего вещества будет протекать бесконечно длительное время.
Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падение к центру черной дыры.
Таким образом, ход времени вне черной дыры и внутри нее оказывается качественно различимым.
Интересно, почему вдруг внешнему наблюдателю должно казаться будто космический корабль зависает в пространствевремени на границе действия чёрной дыры? Мы ведь прекрасно знаем, что гравитационные силы везде одинаковы и зависят только от масс вещества. Чем больше масса материального объекта, тем сильнее его гравитационное поле. То есть нет никакой принципиальной разницы между Землёй, Солнцем или чёрной дырой. Если любое инерциальное тело падает на Землю с определённым ускорением, то аналогичным образом оно должно падать и в центр чёрной дыры. Вся разница состоит только в степени ускорения. В пределах чёрной дыры оно будет значительно больше, чем в пределах земной атмосферы.
Следовательно, если какой-нибудь свободно дрейфующий звездолёт попадёт в зону гравитационного поля чёрной дыры и будет падать к её центру, то никакого видимого со стороны внешнего наблюдателя замедления «времени», то есть движения не произойдёт. Космический корабль будет поглащён чёрной дырой с тем же ускорением, что и всё окружающее вещество.
Другой наблюдатель, находящийся внутри звездолёта, тоже не должен замечать никаких изменений в ходе «времени». Падение в чёрную дыру будет для него субъективным восприятием. Но ход бортовых часов будет зависеть исключительно от скорости падения звездолета в центр чёрной дыры. В данном случае его ускорение в мощном гравитационном поле, может ускорить и «время» в хронометре.
Впрочем, на этот вопрос можно взглянуть немного иначе.
Допустим, что космический корабль, летящий со скоростью близкой к скорости света, оказался в зоне тяготения чёрной дыры. При этом их собственные массы и силы гравитационных полей могут быть равны. Тогда понадобилось бы n-ое количество времени, вплоть до бесконечности, на то, чтобы разорвать подобную связь. Только в этом особом случае внешний наблюдатель смог бы видеть полёт корабля, так сказать, в остановившемся «времени». Однако, эта ситуация совершенно противоположна той, что представлена выше и описывается в научно-популярных книгах.
Итак, теперь я могу сделать вывод, что:
1. При поступательном ускоренном движении близком к скорости света все материальные объекты сокращаются, то есть естественным образом сжимаются по направлению обратному ходу своего движения;
2. Плотность, а следовательно и масса всех составляющих движущейся системы, начиная от элементарных частиц с положительной массой и заканчивая отдельными объектами, увеличивается до бесконечности;
3. Движение всех элементов, составляющих материальный объект замедляется в процессе его ускорения, вплоть до полной остановки, что создаёт видимость замедления хода «времени».
9. МАШИНА «ВРЕМЕНИ».