Маркус дю Сотой - О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний Страница 58

Некоторые археологи считают, что эти точки отмечают четверти лунного цикла, которые впоследствии превратились в семидневные недели. Такие четвертичные фазы Луны легко увидеть в ночном небе. В таком случае 13 четвертей Луны соответствуют четверти года, или сезону. Если отсчитать четверть года от момента появления Плеяд, получим время гона быков, в которое на них легче охотиться.

Тогда 26 точек можно истолковать как два набора по 13 точек, соответствующие двум сезонам, или половине года. Так мы получаем время года, в которое самки бизона беременны и опять же более уязвимы для охотников. Рисунки на стенах пещеры могли быть учебным пособием для молодых охотников, календарем, который говорил им, на какого зверя следует охотиться в той или иной точке годового цикла. Это раннее свидетельство измерения времени основывается на выявлении повторяющихся закономерностей. Обнаружение повторяющихся закономерностей так и осталось ключевым элементом понимания природы времени.

Циклы Солнца, Луны и звезд определяли наши методы измерения времени до 1967 г. То, как мы разделяем сутки на части, не было связано ничем в природных циклах. Сутками, разделенными на 24 единицы времени, каждая из которых делится еще на 60 частей, мы обязаны скорее математическим предпочтениям древних вавилонян и египтян. Выбор чисел 24 и 60 был основан на их высокой делимости. Наполеон попытался было сделать время десятичным, введя десятичасовые сутки, но именно в этом, практически единственном, случае ему не удалось заставить весь мир считать на десяти пальцах.

До 1967 г. секунда, основная единица измерения времени, определялась по-разному и была привязана ко времени оборота Земли вокруг собственной оси или обращения Земли вокруг Солнца. Ни та ни другая величина не постоянна с точки зрения современной концепции времени. Например, 600 миллионов лет назад Земля обращалась вокруг своей оси за 22 часа, а ее оборот вокруг Солнца занимал 400 суток. Но морские приливы обладают странной способностью передачи энергии вращения Земли Луне, в результате чего вращение Земли замедляется, а Луна постепенно удаляется от нас. Похожий эффект приводит и к увеличению расстояния между Землей и Солнцем, вызывающим изменение длительности орбитального периода Земли.

Учитывая такое непостоянство движения планет, начиная с 1967 г. метрологи стали ориентироваться для измерения времени не вовне, во Вселенную, а внутрь атома. Согласно современному определению,

секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К.

Так сразу и не выговоришь. А видели бы вы часы, которые производят эти измерения. Я видел в Национальной физической лаборатории в юго-западном пригороде Лондона атомные часы, которые определяют, когда следует отбивать очередной час Биг-Бену и сигналам точного времени, передаваемым по радио. Они огромны. На руку точно не наденешь. В этих часах установлены шесть лазеров, которые захватывают атомы цезия и подбрасывают их вверх, в микроволновую камеру. Когда атомы в этом так называемом цезиевом фонтане падают вниз под действием гравитации, их облучают микроволнами, в результате чего они испускают излучение, частоты которого и используют для определения секунды.

Такие атомные часы, работающие в государственных лабораториях по всему миру, – одни из самых замечательных измерительных приборов, созданных человеком. Регулярность и универсальность поведения атомов такова, что если поставить рядом двое атомных часов, то через 138 миллионов лет их показания разойдутся не более чем на одну секунду. Измерения, производимые этими часами, – одни из самых точных среди всех, выполняемых человеком. Так что, вероятно, мы можем сказать, что знаем время. Проблема только в том, что время оказывается не столь постоянным, как мы надеялись. Как показало знаменитое открытие, сделанное в начале XX в. Эйнштейном, если двое часов движутся друг относительно друга, они вскоре начинают рассказывать о времени совершенно разные вещи.

Фонари на поездах

Ньютон считал, что время и пространство – это абсолютные величины, относительно которых мы можем измерять свое движение. В своих «Началах» он выразил эту позицию следующим образом: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, безо всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно».

Для Ньютона пространство и время были фоном, на котором природа разыгрывает свою пьесу. Пространство было сценой, на которой пьеса исполняется, а время отмечало развитие ее сюжета. Он считал, что, если поместить однажды сверенные часы в разные концы Вселенной, они будут продолжать показывать одинаковое время, в каких бы ее точках они ни находились. Но его убеждения разделяли не все. Заклятый соперник Ньютона Готфрид Лейбниц полагал, что время существует только в качестве относительной концепции.

В конце концов открытие, совершенное в 1887 г. американскими учеными Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, разрешило этот спор в пользу Лейбница. Они выяснили, что результаты измерения скорости света в вакууме остаются неизменными независимо от того, движемся мы к источнику света или от него. Это откровение стало тем зародышем, из которого выросло открытие Эйнштейна: время оказалось не вполне таким абсолютным, каким считал его Ньютон.

На первый взгляд тот факт, что скорость света остается одинаковой при любом движении относительно источника света, кажется противоречащим здравому смыслу. Рассмотрим обращение Земли вокруг Солнца. Измеряя скорость света, идущего от удаленной звезды, можно было бы ожидать, что она будет выше, когда мы движемся по направлению к этой звезде, чем когда мы удаляемся от источника света.

Из ньютоновской физики следует, что человек, бегущий со скоростью 10 км/ч по поезду, идущему со скоростью 90 км/ч, движется относительно наблюдателя, стоящего на платформе, с суммарной скоростью 100 км/ч. Почему то же самое неверно для света, испускаемого фонарем, установленным на поезде? Почему скорость этого света, измеренная с платформы, не будет выше на 90 км/ч? Выясняется, что Ньютон был неправ и насчет скорости света, и насчет скорости бегуна, измеренных относительно человека, стоящего на платформе. Их скорости нельзя просто складывать со скоростью поезда. Это вычисление оказывается более тонким.

Именно пытаясь понять, почему скорость света остается неизменной, Эйнштейн совершил в 1905 г. революционное открытие, изменившее наши взгляды на Вселенную. Он выяснил, что время и пространство не абсолютны, что они изменяются в зависимости от относительного движения наблюдателя. Как известно, в то время Эйнштейн работал в швейцарском патентном бюро, оценивая новые изобретения в самых разных областях, от сортировки гравия до электрических пишущих машинок. Помимо всего прочего он должен был оценивать электрические устройства для синхронизации времени – эта задача становилась особенно важной во все более взаимосвязанном мире. Именно эта, кажущаяся такой приземленной, работа породила тот мысленный эксперимент, который привел Эйнштейна к созданию специальной теории относительности.

Релятивистская формула сложения скоростей

Эйнштейн открыл, что кажущаяся скорость s пассажира, бегущего со скоростью u по поезду, идущему со скоростью v, вычисляется по формуле:

где c – скорость света. Если скорости u и v малы по сравнению с c, то член uv/c2 очень мал. Это означает, что скорость s приблизительно равна сумме u + v. Однако, когда скорости u и v становятся сравнимы со скоростью света, такое приближение перестает работать и формула дает другой результат. При этом формула устроена так, что результирующая скорость никогда не может быть больше скорости света.

Замедление времени

Для объяснения новых идей времени, предложенных Эйнштейном, мне нужны часы. А часам нужно что-то, повторяющееся через регулярные интервалы. Я мог бы использовать атомные часы из Национальной физической лаборатории или просто свои наручные часы, но на самом деле лучшие часы для демонстрации того странного воздействия, которое относительное движение оказывает на время, – это свет. Я собираюсь использовать тот открытый Майкельсоном и Морли факт, что скорость света, по-видимому, не зависит от движения того, кто ее измеряет.

Поэтому давайте рассмотрим время, измеряемое устройством, в котором каждый такт соответствует отражению света от одного из двух зеркал, между которыми он заключен.