Сейчас. Физика времени - [111]

Обратите внимание: «скачок» в одновременном возрасте Джона составил 6 лет (с 2 до 8). Это соответствует уравнению временного прыжка, приведенному выше:

Δt = γ(ΔT − ΔXv/c²).

Здесь Δt – скачок возраста Джона. (Его возраст на Земле идет в соответствии с временем в земной системе отсчета.)

Далее Мэри второй раз меняет собственную систему отсчета: ускоряется для движения обратно к Земле. Подставляем ΔX = −3,46c (расстояние в возвращающейся системе), ΔT = 0 (события одновременны), γ = 2 и v/c = −0,866, получаем:

Δt = 2(0 + 3,46 × 0,866) = 6 (лет).

Это второй скачок возраста Джона, от значения в системе отсчета у звезды к его возрасту в возвращающейся системе; то и другое совпадает по времени с четвертым днем рождения Мэри. Одновременный возраст Джона в ускоряющейся собственной системе отсчета Мэри сменяется с 8 на 14. За время обратного полета Мэри Джон взрослеет еще на 2 года – и когда Мэри наконец возвращается, ему 16 лет.

Таким образом, при вычислении как в системе Джона (не испытывающей ускорений), так и в системе Мэри (испытывающей ускорения), получаем, что когда они вновь встретятся, Джону будет 16 лет, а Мэри лишь 8.

Вообще, не стоит вычислять что бы то ни было в ускоряющихся системах отсчета, если этого можно избежать. Скачки одновременности настолько контринтуитивны, что с ними трудно разбираться. Просто держитесь за любую неускоряющуюся систему отсчета – и можете быть уверены, что в любой другой системе, пойдя в вычислениях по сложному пути, вы получили бы ровно те же результаты.

Математика тахионного убийства

Назовем событием 1 выстрел из тахионного ружья, а событием 2 – смерть жертвы. Δt = t₂ − t₁ = +10 наносекунд, и Δx = x₂ − x₁ = 12 метров. Это означает, что тахион движется со скоростью 12/10 = 1,2 метра в наносекунду, то есть примерно 4c. Знак плюс означает, что жертва умирает после того, как я стреляю, поскольку значение времени смерти больше, чем значение времени выстрела.

А теперь рассмотрим эти два события в системе отсчета, движущейся со скоростью v = ½c. Тогда β = 0,5; γ = 1/√(1 − β²) = 1,55. Используем уравнение скачка времени:

ΔT = γ(Δt − Δxv/c²) = γΔt[1 − (Δx/Δt)(v/c²)].

Подставляем γ = 1,55; Δt = 10 наносекунд; v/c = 0,5 и Δx/Δt = 4с и сокращаем c, получаем:

ΔT = (1,55)(10 наносекунд)[1 − (0,5)(4)] = −15,5 наносекунды.

То, что интервал времени получился отрицательным, означает, что порядок событий изменился на обратный. Жертва застрелена в момент времени T₂, но поскольку T₂ − T₁ меньше нуля, число T₁ больше. Следовательно, T₁, момент выстрела, происходит в большее – то есть более позднее – время.

Обратите внимание также, что если Δx/Δt = V_E меньше, чем скорость света c, – то есть если пуля движется с досветовой скоростью, – такая смена порядка событий невозможна. Чтобы события поменялись местами, V_E/c должно быть больше, чем c/v, а c/v всегда больше 1. Так что для любых двух событий, которые можно связать с помощью сигнала, движущегося со скоростью меньше скорости света, порядок, в котором они происходят, будет одинаковым для всех допустимых систем отсчета – то есть для всех систем, для которых v меньше c. Мы называем такие события времениподобными. Пространственноподобными называют события, разделенные таким большим расстоянием, что для их соединения скорости света недостаточно.

Математика гравитационного эффекта времени

Эйнштейн постулировал, что течение времени в гравитационном поле можно рассчитать исходя из предположения, что оно эквивалентно течению времени в ускоряющейся системе отсчета. Этим мы сейчас и займемся.

Предположим, у нас имеется ракета высотой h, которая находится в такой области пространства, где отсутствует гравитация. Ракета движется носом вперед с ускорением, соответствующим ускорению свободного падения в поле тяготения Земли, g = 32 фута в секунду в квадрате (9,8 м/с2). Будем считать, что верх и низ ракеты ускоряются одновременно в системе отсчета, связанной с первоначальной позицией ракеты. Через время Δt система отсчета, связанная с ракетой, движется со скоростью v = gΔt относительно первой СО (при условии, что начальная скорость ракеты равна нулю).

Воспользуемся уравнением из примера про тахионное убийство, чтобы вычислить соответствующий интервал времени в верхе ракеты:

ΔT = γ(Δt − Δxv/c²).

Подставив Δx = h и v = gΔt и считая приближенно (для нерелятивистских скоростей), что γ = 1 (β ≈ 0), получим:

ΔT = Δt − hgΔt/c².

Разделим на Δt:

ΔT/Δt = 1 − gh/c².

Отсюда видно, что на высоте h интервал времени для верха, ΔT, меньше, чем интервал времени в нижней части, Δt. Часы в верхней части ракеты идут быстрее. В более общем случае это уравнение часто записывается как:

ΔT/Δt = 1 − ø/c²,

где ø – разность гравитационных потенциалов. К примеру, потенциал на поверхности Земли, в сравнении с бесконечностью, будет: ø = GM/R, где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная, а R – радиус Земли.

Во многих учебниках эта формула выводится совершенно иначе, из красного смещения света, направленного с верхушки некоего ящика к его основанию. Я предпочитаю тот подход, который только что изложил, потому что в нем явно используется принцип эквивалентности, положенный в основу общей теории относительности Эйнштейна; в этом подходе видно, что эффект возникает благодаря слагаемому