Мне всегда было интересно, как устроен мир вокруг нас. Первый раз интерес во мне разжег преподаватель по Алгебре, когда я получал среднее профессиональное образование. Тогда её вопрос показался мне одновременно странным и до невозможности простым. Она спросила: «Что вокруг нас?» — и указала на комнату. Никто из нас не ожидал от математика такого абстрактного вопроса. Ответ был: пространство.
Небольшая лирика подошла к концу, переходим к теме статьи. Прочитав статью, вы узнаете:
-
что мы живём в четырёхмерном пространстве;
-
мы называем это «пространство‑время»;
-
и главное — мы узнаем плавно вытекающие из этого удивительные выводы:
-
почему мы на самом деле всегда движемся со скоростью света;
-
почему при ускорении время замедляется — вы наконец‑то до конца поймёте парадокс двух братьев, который прекрасно описал @Dudarion в своей статье;
-
каким образом время замедляется.
-
Последний вопрос в этом списке, вероятно, самый важный — ответ на который игнорируют абсолютно все. Ответы на эти вопросы я нашёл в книге «Элегантная Вселенная». Однако чтобы понять написанное, мне помог фундамент умозаключений, который я выстроил благодаря каналу ALI.
Четырёхмерное пространство‑время
Напомню, что мы живём в четырёхмерном пространстве — это всем понятная истина. Сейчас никого не удивить тем, что время мы берём за четвёртую меру. Однако не все успели осознать:
-
во‑первых, что время — это именно временной отрезок, а все остальные (длина, высота, ширина) — пространственные;
-
во‑вторых, что теперь мы должны неразрывно воспринимать эти два слова: «пространство‑время».
Из второго вывода следует, что мы движемся во времени. Осталось определить скорость. Нас не удивляет тот факт, что мы измеряем скорость, когда рассматриваем машину, передвигающуюся в пространстве, например: едет от дома к озеру. Движение в пространстве настолько очевидно, что должно происходить с какой‑то скоростью, и мы рассматриваем это событие неразрывно с терминами скорости — 120 км/час.
Напоминание: ни один объект во Вселенной не может двигаться быстрее скорости света.
И теперь вы готовы понять, что для преодоления отрезка на таймлайне времени нам необходима скорость. Итак, какую же скорость мы должны иметь, чтобы передвинуться из одной секунды в другую?
Если бы вы не перемещались по времени совсем, то в следующей секунде вас действительно не было бы. Но физика говорит удивительную вещь: мы никогда не стоим на месте во времени. Пока мы существуем, мы обязаны двигаться сквозь него. Вопрос только — с какой скоростью?
Ответ даёт специальная теория относительности (СТО), и он звучит так:
Полная скорость нашего движения в четырёхмерном пространстве‑времени всегда равна скорости света ( c ).
Только эта скорость распределяется между тремя пространственными направлениями и одним временным. Это значит, что измерения делят между собой максимально возможную скорость, с которой мы в целом способны перемещаться внутри пространственно‑временного континуума.
Маленькие осознания
Далеко идущие выводы начинаются с маленьких осознаний. Давайте пройдёмся по ним.
Пространство‑время не является чем‑то незыблемым и неизменным. Вся теория относительности построена на том, что всё относительно — смотря под каким углом, а точнее, при какой скорости посмотреть на ситуацию.
Хотелось бы описать парадокс скорости света в поезде. На Хабре нашёл вот такую статью — https://habr.com/ru/articles/773826/ от Tzimie, которая описывает часть релятивистских особенностей. Однако я бы хотел поговорить про парадокс одновременности событий для человека внутри движущегося вагона и снаружи, при наблюдении за вспышкой света внутри вагона. Думаю, напишу статью об этом и прикреплю её тут, а пока для общего понимания оставлю ссылку выше.
Релятивистский — это термин, означающий отношение к теории относительности Эйнштейна или к явлениям, происходящим на скоростях, близких к скорости света.
В общем, понимание этих релятивистских особенностей подведёт вас к гибкости пространства‑времени. Оно буквально подстраивается под одно правило, которое было описано выше: ничто не может двигаться быстрее скорости света в пространственно‑временном континууме.
И вот внимательный читатель готов к пониманию: если объект движется в пространстве с определённой скоростью, например 200 км/ч, то по умолчанию он уже движется во времени — и движется со скоростью света. Но это не две отдельные скорости, которые нужно складывать. Это единая четырёхмерная скорость, и она всегда равна скорости света ( c ). Просто она делится между пространством и временем.
Как будто у вас есть 100% бюджета движения. Если вы тратите 1% на движение в пространстве, то на движение во времени остаётся 99%.
А теперь самое интересное. Если бы мы попробовали сложить скорость света и пространственную скорость 200 км/ч — мы бы получили нарушение теории относительности. СТО запрещает такое сложение именно потому, что полная скорость никогда не превышает скорость света. И когда вы разгоняетесь в пространстве, ваша скорость во времени обязана уменьшиться — чтобы уравнения сохраняли равенства.
Вот это уменьшение и есть замедление времени. Оно наступает ровно настолько, насколько ваша пространственная скорость «отъедает» долю у временно́й.
Прошу вас остановиться тут, поразмыслить. Если не понятно — зайти в комментарии и написать, что именно не понятно. Попробуйте сформулировать чётко, чтобы я мог подправить эту часть для качественной подачи. Если всё понятно — двигаемся дальше.
Почему время замедляется? Световые часы
Теперь мы подходим к важной части: почему именно время замедляется? Формулы формулами, равенства равенствами, но давайте попробуем понять саму суть.
Для этого нам потребуется задаться вопросом: что такое время и что такое секунда? В самом простом смысле. Секунда — это некий отрезок времени, который мы приняли за всемирно одинаковый отрезок, который позволяет нам отмерять время точно, несмотря на то, что мы будем делать это в разных частях планеты.
Представьте, что вы и есть тот человек, который придумывает время. Какое событие вы бы взяли, чтобы отмерять один и тот же отрезок так называемого времени? Возможно, вы придумали бы песочные часы. Однако достичь максимального совпадения на двух таких часах даже с передовыми технологиями практически невозможно. Песочные ёмкости могут быть разными по размеру, песчинки не одинаковые, как и их количество. Если мы говорим о предельной точности, то нужно взять нечто константное и неизменяемое для измерения времени.
И у нас есть такая константа — это скорость света. Однако как нам её использовать?
Сейчас для общего понимания придётся пренебречь точностью в расчётах и допустить возможность фотону отскакивать от зеркала без потери энергии — и всё это ради понимания замедления времени.
Фотон — фундаментальная частица света.
Итак, представьте два зеркала, которые находятся друг над другом: одно лежит на столе, другое установлено над ним сверху. Между ними — фотон. Он летает вверх‑вниз, отражается, отскакивает. Каждое такое «вверх‑вниз» — это один тик. Расстояние между зеркалами — например, 30 сантиметров. Туда‑обратно — 60 сантиметров. За секунду фотон успевает пролететь 299 792 458 метров, а значит — делает примерно 500 миллионов тиков. Мы договорились, что всегда такое количество тиков означает одну секунду.
Так выглядят световые часы. И они идеальны, потому что скорость света всегда одинакова.
Теперь внимание — самое важное.
А теперь представьте: у вас двое таких часов. Одни вы оставляете на столе и остаётесь вместе с ними, а другие часы отдаёте другу и отправляете в ракете в космос. Ракета движется вправо с огромной скоростью.
Что видите вы, оставшийся на Земле? Ваш друг смотрит на свои часы изнутри ракеты. А вы смотрите на те же часы, но с Земли.
И для вас не происходит ничего странного: фотон протикал 500 млн раз — и вы с уверенностью можете сказать, что прошла одна секунда.
Но что происходит у вашего друга? Пока ракета мчится вправо, фотон в его часах будет двигаться не строго вверх‑вниз, а по диагонали, как на картинке (скрин буквально из книги «Элегантная Вселенная»). Потому что за то время, пока он летит от нижнего зеркала к верхнему, верхнее зеркало уже успело сдвинуться вперёд. Фотону приходится лететь по диагонали — как бы под углом.
А потом отразиться и лететь обратно — снова по диагонали, но уже вниз.
Путь каждого «тика» стал длиннее. Раньше, в неподвижных часах, было 60 сантиметров туда‑обратно. А теперь — две диагонали, каждая длиннее 30 сантиметров. В сумме путь фотона вверх‑вниз, хоть и не сильно, но будет больше 60.
А скорость света, напомню, не меняется. Она всегда 299 792 458 метров в секунду.
Значит, чтобы пролететь более длинный путь, фотону нужно больше времени.
Если раньше один тик занимал 1/500 000 000 секунды (это две наносекунды), то теперь один тик занимает, скажем, 3 или 4 наносекунды.
Часы вашего друга стали тикать реже.
Он внутри ракеты этого не замечает, по простой причине, что не способен, — ведь он просто дождётся, когда его часы протикают 500 млн раз, и констатирует, что секунда прошла. Понимаете: пройдёт разное время, несмотря на константу в виде скорости света.
Релятивистские особенности и главный вопрос
И теперь давайте перейдём к релятивистским особенностям. Если ваш друг будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света. То в момент, когда ваши часы протикают секунду… Сейчас внимательно: фотон летит по длинной диагонали именно из‑за скорости. При 99,9999% скорости света его секунда растянется для вас на годы. У вас за его секунду при таких расстояниях на каждый его тик будут проходить секунды. И соответственно, повторюсь, на каждую его секунду уже придутся годы. Разница будет колоссальной. Через несколько минут, возможно, от человечества на Земле не останется ничего.
Я верю, что у вас как у пытливых людей должен возникнуть самый главный вопрос:
«Ну и что? Ну тикают часы друга медленнее, а мои быстрее — это же просто часы. Несостыковка во времени. Это же как песочные часы: одни покажут столько, другие иначе, а время‑то прошло одинаково. Тем более как это связано с его старением?»
Тут всё дело в том, какую меру мы взяли за константную. Мы взяли скорость света. И нужно понять, что если вы вдруг смогли нестись с такой скоростью, замедление произойдёт именно потому, что вы сами состоите из движущихся частиц, которые, двигаясь внутри вашего организма, определяют течение жизни. А предельная скорость любой частицы — это скорость света.
Ваше тело — это миллиарды и миллиарды маленьких частиц. Каждый удар сердца, каждая мысль, каждое деление клетки — это цепочка событий, где одна частица догоняет другую. И если вы мчитесь в пространстве почти со скоростью света, то все эти внутренние движения происходят по длинным диагоналям — как у фотона в ракете.
Значит, ваше сердце бьётся реже с точки зрения того, кто остался на Земле. Ваши нейроны медленнее передают импульсы. Ваши клетки делятся реже.
Вы стареете медленнее. Буквально. И самое удивительное — вы не способны этого осознать, ведь когда в вашем мозгу нейроны, перетекая, донесут до вас мысль, что время идёт, вы не заметите этого самого замедления и не почувствуете себя в slow‑mo.
Заключение
Полагаю, на этом я свою мысль завершил. Очень надеюсь на то, что вы узнали для себя что‑то новенькое. Если статья показалась вам полезной — поддержите, напишите комментарий, задайте вопросы.
Вот мой канал в ТГ (объясняю сложные вещи простым языком):
https://t.me/+uH8Hm6kPWhU2OTc6
ТГ для связи: @karim_product
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1026178/