…законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение, так что мы не имеем и не можем иметь никакого способа определить, находимся ли мы в подобном движении или нет.
(Анри Пуанкаре, 1904 г.)
…никакая теория не может, не входя в детали устройства часов, предсказать, как будут себя вести эти часы в условиях, когда они подвергаются толчкам или произвольному ускорению. Этого не может сделать и теория тяготения.
(В.А.Фок. Теория пространства, времени и тяготения. 1955г. С.63)
Казалось бы, последнее утверждение очевидно: многие проверили его, уронив на пол свои часы – резкое торможение есть отрицательное ускорение. При этом механические часы могли вообще сломаться, более устойчивые – начать отставать или опаздывать, электронные, возможно, не обнаружили бы заметной перемены хода. Поразительно, но во всех монографиях и учебниках, кроме книг Владимира Александровича, я встречал совсем другое. Причем эта разница затрагивает не только мечты о межзвездных путешествиях, но и позволяет коснуться философской стороны проблемы Времени.
В работах великого математика, механика и физика Анри Пуанкаре 1898 – 1904 гг. на основе приведенного выше принципа относительности построена математически безупречная и полная теория как механических, так и электромагнитных явлений. При этом все физические величины, ранее представлявшиеся трехмерными стрелками-векторами, оказывались комплексом четырех составляющих. Так, ток объединялся с зарядом – что и неудивительно, так как движущийся заряд как раз и создает ток. Равным образом, пространственный и временной промежутки между событиями так же стали единым комплексом, причем некоторая простая их комбинация остается неизменной при упомянутых выше движениях (разность квадрата пространственного промежутка и квадрата длины пути, который пройдет свет за данный временной промежуток – инвариант Пуанкаре).
Нам понадобится только один результат теории, сам по себе не вызывающий споров. Но мы немного усложним картинку, что позволит сравнить показания секундомеров без сомнительных процедур ускорения или торможения. Итак, пусть мимо станции проезжают в разные стороны и в разное время, но с одинаковой скоростью два поезда. В момент, когда секундомер первого будет проезжать мимо станционного, установим и тот и другой на ноль. Где-то в стороне поезда встретятся, и пусть машинист второго свой секундомер установит так же, как в первом поезде в момент их встречи. Спрашивается: когда второй поезд достигнет станции, так что станет возможно сравнить показания этого и станционного секундомера, - будут ли они различны?
В нашей обычной жизни разницы мы не заметим.. Но если бы поезда двигались с огромной скоростью, составляющей одну десятую часть от скорости света, секундомер в поезде показал бы промежуток времени на полпроцента меньше, чем станционный. Если три десятых – уже на четыре с половиной процента; с приближением скорости поезда к скорости света разница возрастала бы неограниченно.
Отсюда возникла простенькая мысль: если побыстрее и подольше полетать в космосе, то стареть будешь медленнее, чем на Земле, и по возвращении встретишь своих пра…правнуков. О «заманчивости» таких путешествий пишут не только фантасты и популяризаторы, но и вполне серьезные в остальном ученые. Постараемся разобраться не торопясь и не спеша выдавать желаемое за действительное.
Итак, требуется сначала разогнаться до приличной скорости, затем, - насколько хватит терпения и жизни – двигаться равномерно, с выключенным двигателем, затем затормозить, снова ускориться в противоположном направлении и снова затормозить перед посадкой на Землю. Только тогда удастся увидеть, кто их встретит.
Но тут сразу появляется дополнительное условие, не вытекающее из теории. Именно, путешественники должны быть еще живы.
Если открыть любое (из известных мне, кроме книги Фока) руководство, то там указан простой рецепт расчета промежутка времени на корабле во время разгона: взять сумму (точнее, интеграл от ) небольших промежутков времени при каждой мгновенной скорости. Если не приближаться уж очень к скорости света, это даст выигрыш примерно в одну треть того, что получился бы при постоянной скорости, такой, как в конце разгона.
Таким образом, по умолчанию предполагается, что при любом ускорении как часы любой конструкции, так и «внутренние часы» живых существ, в том числе самих путешественников, отсчитают один и тот же промежуток времени.
Но это заведомо неверно уже в отношении «неживых» часов. При ускорении неизбежно появление напряжений, деформирующих элементы конструкции часов, причем у разных устройств это приведет к разной мере изменения работы механизма. Кроме того, одни (упругие) деформации исчезнут вместе с ускорением, а другие – пластические, продолжат влиять на ход и позднее. Причем оба эффекта, незаметные в обычных условиях, будут возрастать по мере роста величины ускорения.
Еще сложнее ситуация с людьми. Напомним, что всякое ускорение принято сравнивать с таковым при свободном падении (например, камня с крыши дома). При таком горизонтальном ускорении автомобиль разогнался бы до скорости 100км\час за три секунды. Первые космонавты в тренировках на центрифуге выдерживали ускорение, в десять раз больше; на современных самолетах (и в специальных костюмах, способствующих поддержанию кровообращения) аналогично. НО! Кратковременно, тогда как теперь потребуется ускоряться много суток. Причем в течение такого долгого времени неизбежна – в отличие от упомянутых случаев - какая-то активность – перемещение, приготовление еды итд.
Так что и ускорение свободного падения, скорее всего, недостижимо длительно (обычные автомобили разгоняются раза в два-три медленнее, но и то сильно прижимают к спинке; а ведь мы не ходим в них). Но допустим такое как предел. Тогда для достижения трети от скорости света потребуется примерно четыре месяца непрерывного ускорения. Формальный расчет обещает выигрыш за это время примерно двое суток.
Однако возникает вопрос: как перенесут это ускорение путешественники? Никакого, даже отдаленно похожего по длительности опыта не было. Можно ожидать заметного ухудшения здоровья в неестественных условиях, преждевременного постарения, т.е. реального проигрыша во времени (если не говорить о худшем исходе). Да и разные биологические часы в организме человека могут сбиться и рассогласоваться, что скажется и в дальнейшей спокойной части полета (если останется кому наблюдать).
_________
Сказанное позволяет по-новому взглянуть на Время как философскую категорию. Если при равномерном движении или малых ускорениях удается согласовать показания разных часов, отсчитывающих промежутки времени, то при значительных ускорениях как разные часы будут давать разные показания, так и разные живые организмы по-разному изменят ритмы своей жизни (или вообще потеряют их). Едва ли можно в такой ситуации говорить об абстрактном, универсальном Времени, существующем независимо от фактических процессов и явлений.
А каков же смысл формально приписываемого, независимо от ускорения, всем явлениям и существам «собственного времени» (мы упоминали о нем выше)?
Это в лучшем случае – не более чем реально недостижимый предел для «идеальных абсолютно жестких» часов. Иначе говоря, реальное ускорение должно быть бесконечно малым по сравнению с характерной величиной для механизма часов. (Возможно, самыми (но не бесконечно!) жесткими окажутся атомные часы, где надо сравнивать , упрощенно, с центробежным ускорением при вращении электронов в атоме с огромной частотой, равной частоте излучения).
_______
О А.Пуанкаре - http://www.proza.ru/2015/08/28/951
О В.А.Фоке - http://www.proza.ru/2016/08/11/970