Куда течет река времени

Французский физик П. Ланжевен в 1911 году рассматривал следующий мысленный эксперимент. Один из братьев-близнецов отправляется на ракете в космос, а другой остается на Земле. После возвращения брат-космонавт окажется моложе своего брата-близнеца, жившего все время на Земле. Это и есть для космонавта зримый результат путешествия в будущее Земли.

Правда, некоторые специалисты высказывали сомнения в такой возможности. Дело в том, говорили они, что теория Эйнштейна утверждает относительность движения. Следовательно, космонавт может считать себя неподвижным, а Землю и людей движущимися в противоположном направлении с той же скоростью. С его точки зрения, часы на Земле идут в течение полета медленнее его часов. Так что, по его мнению, после возвращения должен быть моложе его брат-близнец на Земле.

Казалось бы, получается парадокс. Брат на Земле считает, что он должен быть старше по завершении полета ракеты, а космонавт наоборот. Где же истина? Ведь по возвращении братья могут взглянуть друг на друга и сразу понять, кто из них старше. Так возник знаменитый «парадокс близнецов».

Хотя специалисты быстро разобрались, в чем здесь дело, и установили истину, но для непосвященных еще долго слухи о «парадоксе близнецов» означали крушение теории относительности. Увы, подобные «рассуждения» встречаются еще и сегодня. Так в чем же дело и кто окажется моложе?

Все дело в том, что рассуждения о ходе часов в том виде, как мы о них говорили, применимы только с точки зрения «лабораторий» и вообще тел, находящихся в движении по инерции. Как говорят физики, формулы Эйнштейна (в написанном им виде) справедливы только в «инерциальной системе отсчета». Лишь в случае, когда корабль или ракета движутся без ускорений или торможений, человек в них не замечает движения. Если же ракета, например, разгоняется, то космонавт, конечно же, это почувствует. Все сегодня знают, что такое перегрузки для космонавтов при старте и торможении космических кораблей.

Теперь понятно, что человек на Земле и космонавт на ракете вовсе не находятся в равноправном положении. Землю можно считать приближенно инерциальной системой. Для космического же путешественника, чтобы вернуться снова на родную планету после длительного и далекого полета, необходимо затормозить корабль, потом разогнать его снова в сторону Земли и опять затормозить при подлете к планете. Во время торможений и ускорений корабль движется, конечно, не по инерции и космонавт ощущает перегрузки. В эти периоды движения формулы, написанные для инерциальных систем, в «лаборатории»-корабле неприменимы и космонавт не вправе считать, что часы на Земле идут медленнее.

Мы не будем здесь подробнее вдаваться в этот вопрос. Специалисты умеют рассчитывать, как протекают процессы, и в том случае, когда «лаборатория» движется ускоренно. Приведем окончательное заключение физиков. Они считают, никакого противоречия нет. Правильным был вывод с точки зрения наблюдателя на Земле, так как его система все время инерциальная (с достаточной точностью), а ракета ускорялась. Итак, космонавт, вернувшись на Землю, попадет в будущее. Чем быстрее двигалась ракета и чем дольше продолжался полет, тем в более отдаленное будущее попадет космонавт.

Эта возможность попасть в будущее буквально завораживает всех, кто впервые об этом узнает, знакомясь с теорией относительности.

Когда я был студентом третьего курса отделения астрономии Московского университета, то среди тем курсовых работ, предложенных нам, случайно увидел задачу о «парадоксе близнецов». Руководителем темы был (как я узнал позже) известный советский космолог А. Зельманов.

В те годы теория относительности не входила еще в школьный курс. Она считалась очень трудной и непонятной. Но ко времени, о котором идет речь, я уже прочитал несколько популярных книжек об этой теории, и мне казалось, что я имею представление о «парадоксе близнецов». Правда, я обстоятельно не знал еще самой теории и, помня о «недоброй» ее славе как сверхсложном для понимания, сомневался, что смогу сам что-нибудь рассчитать. Но таинственность привела меня все же к А. Зельманову.

Это был мягкий и деликатный человек. Он обладал глубокими знаниями и работал в стиле, скорее характерном для «старой школы» конца прошлого века. Имеется в виду неспешный, вдумчивый, педантичный стиль, когда идеи долго обдумываются, расчеты проделываются весьма тщательно, много раз перепроверяются, а статьи годами (!) готовятся к печати. Как это было непохоже на стремительный (под стать всей жизни) стиль современной науки!

А. Зельманов к тому времени уже испытал на себе волюнтаризм решений людей, абсолютно некомпетентных в науке, но определявших в ту пору ее судьбу. Космологию — науку о строении всей Вселенной и изучавшую, в частности, расширение Вселенной (о котором мы еще будем говорить), было велено считать лженаукой, якобы противоречившей диалектическому материализму. А. Зельманов в начале 50-х годов был уволен с работы из Государственного Астрономического института имени П. К. Штернберга. К тому времени, как мы встретились во второй половине 50-х годов, ситуация уже изменилась и он опять работал в институте.

Когда я пришел к нему, он обстоятельно объяснил, что мне предстоит рассчитать, как будут идти часы на Земле с точки зрения космонавта, как он будет видеть из иллюминатора быстро летящего корабля окружающую Вселенную. Я мало что понял с первого раза, и с вниманием стал изучать знаменитый учебник теоретической физики Л. Ландау и Е. Лифшица, рекомендованный А. Зельмановым для подготовки к решению поставленной им задачи.

По прошествии пары недель мне казалось, что я разобрался досконально в нужных разделах, и я пришел к руководителю. Тот выслушал меня и сказал: «Прекрасно, вот теперь и считайте». Хорошенькое дело — «считайте». Оказалось, что я не представляю даже, с чего начать! Но мой наставник был прекрасным педагогом. Он сразу уловил затруднения и в немногих словах подсказал, с чего начать рассчитывать эффекты, связанные с движением системы «космический корабль». И я начал понемногу считать.

Через некоторое время М. Зельманов порекомендовал мне уже достаточно сложную книгу В. Фока «Теория пространства, времени и тяготения». После этого мне многое стало ясно, работа пошла быстрее, и все расчеты удалось закончить в срок. Спустя несколько лет эта моя первая работа по теоретической физике была опубликована. Большая часть ее имела методический характер, но в ней содержались и оригинальные выводы.

Каковы же были результаты расчетов? Прежде всего нас интересовало, какой же во время полета космонавта он будет видеть окружающую Вселенную из иллюминатора своего корабля — этой «лаборатории», несущейся сквозь пространство и время.

С двумя эффектами должен столкнуться космонавт. Первый — уже знакомый нам эффект Доплера, вызывающий «голубение» света, когда мы движемся навстречу его источнику, и «покраснение» — когда удаляемся от него.

Но это еще не все. При стремительном полете меняется и направление, по которому видны далекие звезды. Почему так происходит? Вспомним о какой-нибудь своей поездке в поезде. Когда поезда стоят и за окном идет дождь, а ветра нет, то капли дождя оставляют вертикальные следы на стекле окна вагона. Если же поезд двигается, то капли будут оставлять наклонные следы, причем наклон их будет в сторону движения поезда.

Подобная картина наблюдается и со светом. Для движущегося наблюдателя лучи света становятся наклонными в сторону его движения. Поэтому космонавт увидит звезды как бы сместившимися на небе к точке, в которую направлено его движение. Явление это называется аберрацией света, и, конечно, при скорости космического корабля, близкой к скорости света, смещение видимого положения звезд на небе будет очень сильным.

Я рассчитал, как будет выглядеть звездное небо для космонавтов на корабле, летящем со скоростью 250 000 км/с. На рисунке 2 показано, что откроется глазам экипажа. Для наблюдателей в ракете звезды на небе как бы сбегутся к той точке, в направлении которой летит корабль. Здесь небо будет усеяно ими гораздо гуще, чем сзади, где почти совсем не будет видно звезд.