Время действительно замедляется на скорости. Но почему? Объясняем главную идею Эйнштейна простыми словами

Наше интуитивное понимание мира — мощный инструмент, отточенный миллионами лет эволюции. Мы точно знаем, что брошенный вперёд из движущегося поезда мяч полетит быстрее, чем брошенный с места. Мы чувствуем время как непрерывную, универсальную реку, текущую с одинаковой скоростью для всех и всего. Эти представления кажутся незыблемыми, как законы природы. Но в начале XX века Альберт Эйнштейн совершил интеллектуальный переворот, показав, что один из этих столпов — абсолютность времени — всего лишь иллюзия, рождённая нашими скромными, «черепашьими» скоростями.

Чтобы понять, почему время может замедляться и ускоряться, нужно сначала разобраться, где именно ошибается наша интуиция.

Правила привычного мира: физика теннисного мяча

Представьте себе простую ситуацию: вы едете в автомобиле со скоростью 60 км/ч и бросаете вперёд теннисный мяч со скоростью 30 км/ч. Для вас внутри машины мяч летит со скоростью 30 км/ч. Но для человека, стоящего на обочине, скорости сложатся. Он увидит, как мяч несётся мимо со скоростью 90 км/ч (60 + 30).

Это — классическая механика в действии, мир, описанный ещё Ньютоном. Скорости объектов складываются относительно наблюдателя. Всё логично, предсказуемо и полностью соответствует нашему повседневному опыту. Эта логика настолько фундаментальна, что мы применяем её ко всему, не задумываясь. И именно здесь нас поджидает ловушка.

Главная улика: упрямство светового луча

А теперь представьте, что вместо мяча вы в той же машине включаете фары. Свет вырывается вперёд со своей знаменитой скоростью — примерно 300 000 километров в секунду, или c. Следуя логике теннисного мяча, наблюдатель на обочине должен был бы зафиксировать свет, движущийся со скоростью c + 60 км/ч.

Но этого не происходит. Никогда.

Наблюдатель на обочине измерит скорость света и получит ровно то же значение, что и вы в машине — c. И неважно, несётесь ли вы навстречу ему или улетаете прочь на половине скорости света. Скорость света остаётся абсолютной константой для любого наблюдателя в любой инерциальной системе отсчёта.

Этот факт — один из двух столпов специальной теории относительности Эйнштейна — полностью разрушает нашу интуитивную физику. Он кажется абсурдным, контринтуитивным. Если скорость света не подчиняется привычным правилам сложения, значит, что-то другое в уравнении «расстояние = скорость x время» должно быть гибким. И это «что-то» — время.

В поисках эфира: блестящий провал, изменивший науку

Идея о постоянстве скорости света не родилась из чистого умозаключения. Ей предшествовал один из самых знаменитых «неудачных» экспериментов в истории физики. В XIX веке учёные были убеждены, что свет, будучи волной, должен распространяться в некой среде, подобно звуку в воздухе. Эту гипотетическую среду назвали светоносным эфиром.

Если эфир существует, то Земля, вращаясь вокруг Солнца, должна двигаться сквозь него, создавая «эфирный ветер». Этот ветер, в свою очередь, должен был бы влиять на скорость света: луч, пущенный по направлению «ветра», должен двигаться чуть быстрее, а луч, пущенный перпендикулярно, — чуть медленнее.

В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли построили невероятно точный прибор — интерферометр, чтобы зафиксировать эту разницу. Они ожидали увидеть интерференционную картину, доказывающую существование эфира. Но результат их ошеломил. Его не было. Сколько бы они ни повторяли эксперимент, в какое бы время года и в каком бы направлении ни ориентировали прибор, скорость света оставалась упрямо одинаковой.

Их «провал» в поиске эфира стал триумфом нового понимания: свету не нужна среда для распространения. Он самодостаточен. А его скорость — фундаментальная константа Вселенной.

Если скорость постоянна, меняться должно время

Именно этот экспериментальный факт и лёг в основу рассуждений Эйнштейна. Чтобы наглядно продемонстрировать последствия, он предложил мысленный эксперимент со «световыми часами».

Представим часы, состоящие из двух параллельных зеркал, между которыми туда-сюда мечется фотон. Каждый раз, когда фотон ударяется о зеркало, часы «тикают». Расстояние между зеркалами фиксировано, скорость фотона — константа c. Время одного «тика» легко рассчитать.

Теперь поместим эти часы на космический корабль, летящий с огромной скоростью мимо неподвижного наблюдателя.

• Для астронавта на корабле ничего не изменится. В его системе отсчёта фотон по-прежнему скачет строго вверх-вниз. Время для него течёт как обычно.
• Для наблюдателя с Земли картина будет иной. Пока фотон летит от одного зеркала к другому, сам корабль (и зеркала вместе с ним) смещается в пространстве. Поэтому для внешнего наблюдателя траектория фотона — это уже не прямая линия, а зигзаг.

Очевидно, что длина зигзагообразного пути больше, чем прямого пути между зеркалами. И вот тут-то и кроется вся суть. Поскольку скорость света абсолютно одинакова для обоих наблюдателей, фотону с точки зрения земного наблюдателя приходится преодолевать большее расстояние с той же скоростью. А чтобы преодолеть большее расстояние с той же скоростью, требуется… больше времени.

Получается, что один «тик» часов на летящем корабле с точки зрения Земли длится дольше, чем один «тик» таких же часов на Земле. Часы на корабле замедляют ход. И поскольку все физические процессы, включая биологические, подчиняются тем же законам, замедляется не просто механизм часов — замедляется само время для астронавта.

Реальность, превосходящая интуицию

Это явление, названное замедлением времени (или дилатацией времени), — не философская концепция и не оптическая иллюзия. Это измеримый физический факт. Он проявляется каждый раз, когда вы садитесь в автомобиль или самолёт, но на наших скоростях этот эффект ничтожно мал. Однако для спутников GPS, движущихся со скоростью 14 000 км/ч, релятивистские поправки жизненно необходимы — без них навигационная система накопила бы ошибку в несколько километров за сутки.

Теория относительности учит нас важному уроку: наш «здравый смысл» — это всего лишь частный случай законов физики, работающий в очень узком диапазоне скоростей и масс. Стоит выйти за эти пределы, и Вселенная оказывается куда более странным и удивительным местом, чем мы могли себе вообразить. И чтобы понять её, порой нужно отказаться от самых, казалось бы, очевидных истин. Например, от той, что время для всех одно.