Читать книгу "Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер"

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 = VE меньше, чем скорость света c, – то есть если пуля движется с досветовой скоростью, – такая смена порядка событий невозможна. Чтобы события поменялись местами, VE/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 xv/c² в уравнениях Лоренца – тому самому слагаемому, которое приводит и к нарушению одновременности.

Приложение 2
Время и энергия[279]

Самое завораживающее, точное и (для физика) практичное определение энергии оказывается в то же время и самым абстрактным – слишком абстрактным даже для того, чтобы говорить о нем в первые несколько лет обучения университетской физике. Оно основано на наблюдении, что истинные уравнения, такие как E = mc², завтра будут не менее истинными, чем сегодня. Это гипотеза, которую большинство людей принимает на веру как нечто само собой разумеющееся, хотя кое-кто не прекращает ее тестировать. Если вдруг обнаружится какое-то отклонение, это станет одним из самых глубоких и важных открытий в истории науки.

На физическом жаргоне то, что уравнения не меняются, называется инвариантностью во времени (временной инвариантностью, то есть неизменностью). Это не означает, что в физике ничего не меняется; если объект движется, его положение в пространстве изменяется со временем, его скорость изменяется со временем, вообще, множество вещей в физическом мире меняется со временем – но только не уравнения, которые описывают это движение. В следующем году мы вновь будем рассказывать студентам, что E = mc², потому что это по-прежнему будет правдой.

Свойство временной инвариантности кажется тривиальным, но его математическое выражение может привести к поразительному выводу – доказательству того, что энергия сохраняется. Это доказательство обнаружила Эмми Нётер. Как и Эйнштейн, она бежала из нацистской Германии и поселилась в США.

Следуя описанной Нётер процедуре и начав с уравнений физики, мы всегда можем найти такую комбинацию параметров (координата, скорость и т. п.), которая не будет изменяться со временем. Когда мы применяем этот метод в простых случаях (в классической физике с силой, массой и ускорением), величиной, которая не меняется со временем, оказывается сумма кинетической и потенциальной энергии – иными словами, классическая (полная) энергия системы.

Вот это открытие. Мы и так знаем, что энергия сохраняется.

Но теперь получаем интереснейшую философскую связь. Вот и причина, по которой сохраняется энергия: все дело во временной инвариантности!

Есть и еще более значительный результат: такая процедура работает даже тогда, когда мы применяем этот метод к гораздо более сложным уравнениям современной физики. Представьте следующий вопрос: что, собственно, сохраняется в теории относительности? Энергия или энергия плюс энергия, заключенная в массе? Или еще что-нибудь? А как насчет химической энергии? Или потенциальной? Как рассчитать энергию электрического поля? Что по поводу квантовых полей, тех, к примеру, что сдерживают ядро атома? Их тоже включать? Вопрос за вопросом, и ни на один нет интуитивно понятного ответа.