МАШИНА ВРЕМЕНИ

МАШИНА ВРЕМЕНИ

Кто из нас не зачитывался в юности знаменитой повестью Г. Уэллса «Машина времени». Герой этой повести отправляется на машине, передвигающейся во времени, в далекое будущее нашей Земли. На этой машине, по замыслу писателя-фантаста, можно также перемещаться и в прошлое.

О возможности свободно двигаться во времени и в будущее и в прошлое написано немало произведений. Наверное, авторы ни в малейшей степени не сомневались, что их вымысел относится к области чистейшей фантазии, и рассматривали его только как литературный прием.

Весь опыт человечества и опыт науки заставлял считать, что путешествия во времени невозможны. В пространстве можно двигаться. Скажем, на Земле можно путешествовать в разных направлениях, можно и возвращаться на исходное место. Но во времени по своему желанию, казалось бы, двигаться мы не можем и вынуждены пассивно «плыть» вместе с его потоком. Этим свойством, как считалось, время кардинально отличается от пространства.

Открытие А. Эйнштейном в 1905 году удивительных свойств времени показало, что убежденность в том, что мы являемся «пленниками» реки времени и не можем в ней передвигаться, является всего лишь плодом нашего незнания, следствием ограниченных возможностей предыдущей истории человечества. Так что ж, во времени можно двигаться?

И да и нет! Теория Эйнштейна решила эту проблему, так сказать, только наполовину. Было показано, что по реке времени можно передвигаться лишь «вниз по течению» — можно двигаться в будущее, обгоняя само течение. Но обратной дороги — «вверх по течению», в прошлое — теория не указывала. Как же можно попасть в будущее, обогнать время?

Герой Уэллса для этого садился в машину времени, нажимал рычаг, машина начинала трястись и, не двигаясь с места, вместе с героем исчезала из настоящего, переносясь в другие эпохи.

Теория относительности показала, что так путешествовать во времени нельзя. Для этого обязательно надо передвигаться в пространстве. Чтобы попасть в будущее планеты, надо сесть в упоминавшуюся уже фотонную ракету, разогнать ее до скорости, близкой к скорости света, полетать в космосе некоторое время, скажем год, с этой большой скоростью и затем вернуться на Землю. Время на быстролетящей ракете будет течь медленнее с точки зрения людей, оставшихся на Земле. Поэтому после возвращения ракеты окажется, что у землян пройдет больше времени, чем у экипажа ракеты, а значит, космонавты перенесутся в будущее нашей планеты.

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.

Вспомним, что и цвет звезд должен измениться из-за эффекта Доплера. В направлении движения будут видны россыпи звезд, цвет которых голубоватый, а яркость их увеличена. В противоположном направлении на небе звезд почти не будет, за исключением редких слабеньких красных искорок.

Ну а что же с путешествием в будущее? В разобранном мной тогда примере космонавты отправляются к ближайшей к Солнцу звезде — Проксиме Центавра, находящейся от нас на расстоянии сорока тысяч миллиардов километров. В течение первых 4,5 месяца полета ракета разгоняется. Предполагается такая работа двигателей ракеты, что космонавты чувствуют утроенную перегрузку по сравнению с силой тяжести на Земле. К концу разгона скорость корабля составляет 250 000 км/с. Затем двигатели выключаются и корабль летит по инерции, а космонавты могут любоваться описанной выше необычной картиной звездного неба.

При подлете к Проксиме Центавра включаются тормозные двигатели и корабль, тормозясь, останавливается. Затем он разгоняется в обратную сторону и возвращается на Землю. Весь полет по часам, оставшимся на Земле, займет около двенадцати лет, а по часам на космическом корабле — всего около семи лет. По возвращении космонавты окажутся заброшенными в будущее Земли на пять лет! Так работает «космическая машина времени».

Как видит читатель, даже при очень больших скоростях и сравнительно длительных путешествиях в космосе перенос во времени не столь велик. Но все же он есть (точнее, обязательно будет при будущих межзвездных перелетах). С принципиальной точки зрения, всегда, при любом, даже медленном, движении в пространстве происходит и перенос во времени. Только этот перенос обычно совсем ничтожен. Например, экипаж нашей космической станции «Салют», который в 1988 году в течение года двигался по околоземной орбите со скоростью восемь километров в секунду, по возвращении на Землю оказался перенесенным в будущее всего на одну сотую долю секунды.

При будущих межзвездных перелетах можно будет разгонять фотонные ракеты до скоростей, очень близких к скорости света. Гораздо более близких, чем в разобранном выше примере полета к Проксиме Центавра, где скорость составляла около восьмидесяти процентов скорости света. При еще больших скоростях перенос в будущее после возвращения окажется уже совсем серьезным. Так, представим себе, что путешественники отправляются на фотонной ракете к центру нашей звездной системы — Галактики (это путешествие и в пространстве, и во времени). Первую половину пути «туда» ракета все время разгоняется так, что космонавты ощущают двойную перегрузку по сравнению с силой тяжести на Земле, а вторую половину пути ракета тормозится, гася свою огромную скорость с такой же перегрузкой. Затем все повторяется в обратном направлении при движении к Земле. Путешествие в целом займет, по земным часам, около шестидесяти тысяч лет, на Земле сменятся многие и многие поколения людей, а по часам на ракете пройдет всего… сорок лет! Этот срок лежит, конечно, в пределах активной трудовой жизни человека, и на Землю могут вернуться те же космонавты, что и улетели с нее. Но они окажутся заброшенными в далекое будущее Земли.

Что они встретят на Земле? Об этом знают только фантасты. Возникнет множество не столько даже научных проблем, сколько проблем социальных и психологических, о которых мы здесь ничего не можем сказать. О том, что испытывают люди, заброшенные во времени так далеко от своей привычной эпохи, в которой они родились и воспитывались, очень ярко описано в романе польского писателя-фантаста С. Лема «Возвращение со звезд».

Еще одну особенность межзвездных путешествий необходимо подчеркнуть. На первый взгляд кажется, что человек является своеобразным пленником пространства. Действительно, казалось бы, он не может улететь достаточно далеко от того места, где родился, он как бы «прикован» к этому месту цепью времени. Ведь двигаться со скоростью большей, чем скорость света, нельзя. Значит, можно за жизнь человека, скажем, в сто лет, улететь не дальше, чем на сто световых лет от Земли. Это в пределах лишь ближайших к нам звезд.

Но, конечно, в этих наивных рассуждениях допущена существенная ошибка — не учтено замедление времени у космонавтов. Если учесть это замедление, то, как мы видели выше, можно улететь очень и очень далеко и посетить далекие уголки Вселенной.

Не правда ли, удивительные перспективы?!

Но пытливая мысль летит гораздо дальше. Обязательно ли ломиться сквозь пространство, чтобы достигнуть далеких областей, совершая длительные и утомительные межзвездные перелеты? Не существует ли какого-либо обходного пути?

Терпение, читатель, мы еще об этом поговорим. Здесь же я только скажу, что недавно, когда я выступал на семинаре в Институте теоретической и экспериментальной физики с докладом о таких обходных путях, ко мне подошел известный советский физик-теоретик член-корреспондент АН СССР Л. Окунь и сказал: «Знаете, много лет назад я вместе с одним нашим известнейшим физиком прогуливался ясной звездной ночью и, глядя на немигающие звезды, заметил — должен же быть какой-то путь достижения этих звезд, кроме тривиального долгого полета к ним сквозь пространство. Мой спутник взглянул на меня скептически и проронил: «Бросьте необоснованно фантазировать, это возможно лишь в сказках». И вот теперь, — с радостью заключил Л. Окунь, — мы открываем такие возможности. Пока только в теории, но открываем!»

Я хочу здесь добавить к этим словам, что наука заставила нас серьезно относиться к самым необычным теоретическим предсказаниям. Пример тому — освобождение ядерной энергии, космические полеты и многое другое. То, что вчера лишь писали теоретики на клочках бумаги, завтра становится реальностью. Поэтому будем серьезно прислушиваться даже к очень необычным предсказаниям физиков.

Но остановимся пока, ограничившись сделанными замечаниями. А о возможности обходного пути к звездам поговорим несколько позже.

Наконец, еще одно замечание. Теория относительности показала, как можно путешествовать в будущее. А можно ли возвратиться в прошлое? Можно ли посетить давно прошедшие на Земле эпохи?

Как я уже сказал в начале этого раздела, сама теория относительности такого пути не указала. А что другие теории, созданные уже после теории относительности; говорят ли они о такой возможности?

Еще раз терпение, читатель, мы к этому более чем фантастическому вопросу вернемся. Пока давайте несколько изменим вопрос: можно ли видеть прошлое?

Советский физик и известный популяризатор науки А. Чернин ответил на этот вопрос так: «Если мы и видим, то только прошлое». Как же так, что за нелепица?

Но все очень просто. Ведь мы видим окружающий мир с помощью лучей света. А свету нужно некоторое время, чтобы дойти от рассматриваемого объекта до нас. Мы видим объект именно таким, каким он был в момент, когда его покинул свет. Конечно, скорость света огромна, а в обыденной жизни предметы не слишком далеки от нас и свет для путешествия тратит ничтожное время. Поэтому мы видим в данный момент объекты такими, какими они были мгновение тому назад, в момент выхода от них света. То есть мы видим их в прошлом! Хотя и в не очень далеком, но все же в прошлом.

Иначе обстоит дело, когда мы рассматриваем небесные тела. Свету нужно более восьми минут для того, чтобы дойти от Солнца до нас. Значит, мы видим Солнце таким, каким оно было восемь минут назад. От звезд свет идет уже годы, а от далеких звездных систем — миллионы и даже миллиарды лет. Мы видим эти звездные системы в очень далеком прошлом. За такой срок могут родиться, прожить свою полную жизнь многие звезды, могут возникать и эволюционировать целые звездные системы! Небесные тела, находящиеся от нас на разных расстояниях, видны нами в разные эпохи в прошлом — чем дальше объект, тем больше надо свету времени, чтобы дойти от него до нас, тем в более далеком прошлом мы его сегодня видим.

Это обстоятельство доставляет астрономам много хлопот, так как звездные системы, находящиеся на разных расстояниях, видны в разные эпохи во Вселенной, и чтобы их сравнивать надо учитывать их эволюцию за длительные промежутки времени. Но сделать это нелегко, ибо как эволюционируют те или иные звездные системы, известно часто плохо и здесь возможны разные неожиданности.

Но оставим эти трудности специалистам и вернемся к теме нашей книги.