ПРОБЛЕМЫ И ПОИСКИ

Мысль написать небольшую статью о понятии времени в современной физике возникла давно. Одно останавливало — слишком уж много об этом публиковалось и, как мне казалось, читательский интерес к проблеме времени не мог не угаснуть. Однако я был приятно удивлен, познакомившись с большим потоком писем в редакцию «ТМ», в которых читатели обсуждают эту проблему и связанные с ней вопросы. Стимулом иного рода послужила для меня большая публикация известного российского физика А.А. Ансель-ма под названием «Что такое время?» в журнале «Звезда» (№9 за 1998 г.). Сам факт появления в литературном журнале эссе Алексея Ан-сельма (до недавнего времени директора Института ядерной физики РАН в Гатчине) о времени в теории относительности нельзя не приветствовать, так как люди, далекие от физики, часто имеют весьма смутное представление об эйнштейновской теории, представляющей собой, несмотря на многочисленные критические замечания и опровержения, одно из достижений науки нашего века. Однако слишком уж завершенной предстает она перед нами в этом эссе. Возникает впечатление, что практически все проблемы в ней давно решены и больше нет предмета для дискуссий. Так ли это на самом деле — судить читателям, которым адресуется новый взгляд на проблему физического времени.

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЯ

Созданная Эйнштейном в 1905 г. специальная теория относительности (СТО) коренным образом изменила представление физиков о времени. Казавшееся простым и обыденным, время неожиданно проявило свои почти мистические свойства, в которые трудно было поверить. Эйнштейновская теория явилась результатом новой идеи о предельности скорости света: ни одно тело не может двигаться быстрее светового порога. СТО привела к удивительным выводам о пропорциональности энергии тел их массе, зависимости массы от скорости. Но самым сложным для понимания явилось замедление времени в движущихся объектах и относительность понятия одновременности: события, одновременные в одной инер-циапьной системе отсчета, не являются таковыми в другой инерциальной системе, движущейся относительно нее. (Поясним: под такой системой понимается твердое тело со связанными с ним часами и измерительными линейками, которое движется поступательно и равномерно.) Неоднократные эксперименты, имевшие целью проверить выводы Эйнштейна для инерциальных систем отсчета, полностью их подтвердили, и СТО стала надежным фундаментом теоретической физики.

Следующий значительный этап в развитии представлений о времени связан

с публикацией Эйнштейном в 1916 г. общей теории относительности (ОТО). Она, в отличие от специальной теории, уже предназначалась для описания систем отсчета, не являющихся инерци-апьными, перемещающихся с произвольными ускорениями. Но система отсчета может приобрести ускорение как в результате механического воздействия других тел, так и вследствие действия гравитационного поля. Ввиду этого проблема стала более глобальной — нужно было описать не только ускоренные системы отсчета, но и гравитационные поля, являющиеся одной из возможных причин ускоренного движения.

Для решения последней задачи Эйнштейн привлек неевклидову геометрию Римана. Что позволило рассматривать гравитационные явления как результат искривления пространства-времени под влиянием вещества и физических полей. Геометрические идеи привели к теории с десятью гравитационными потенциалами (в отличие от ньютоновской теории с одним потенциалом), описывающими свойства пространства-времени.

В этой теории роль обычных инерциальных систем отсчета играют свободно падающие локальные системы (то есть небольшого размера), относительно которых другие свободные тела движутся равномерно и прямолинейно. Что же касается произвольных неинерци-апьных систем, то для их описания был предложен принцип эквивалентности, подтверждаемый равенством инертной и гравитационной масс тел. Согласно этому принципу, локальная неинерци-апьная система отсчета эквивалентна инерциальной системе с некоторым гравитационным полем вокруг нее.

Для сравнительно не сильных гравитационных полей (например, поля Солнца) ОТО была довольно надежно проверена астрономическими наблюдениями и наземными экспериментами, но в теоретическом плане она столкнулась с немалым числом трудных вопросов. Причем

одним из них явился — о синхронизации часов в ускоренных системах отсчета, к изложению чего и переходим.

ПАРАДОКС СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ

Чтобы система отсчета измеряла течение времени, нужно синхронизовать часы — добиться идентичности их показаний. Для этого Эйнштейн предложил простой и естественный способ: допустим, надо синхронизовать часы в точках А и В системы отсчета; из середины от-

Рис. 3. Установка синхронизованных часов с помощью их переноса из точки А системы отсчета в другие ее точки со скоростью V, много меньшей скорости света С (V«C).

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 8 9 9

резка АВ пустим к ним лучи света, и как только те дойдут до них, показания часов сделаем одинаковыми (рис. 1).

В инерциальных системах СТО такой способ не вызывает каких-либо сомнений ввиду неизменности скорости света Однако при рассмотрении большинства ускоренных систем отсчета возникают неприятные противоречия. Обратимся, например, к рис.2, на котором изображена равномерно вращающаяся система отсчета. Предположим, что нам удалось синхронизовать часы в ней. Тогда рассмотрим одновременные события в точках Ai, Аг,... An. Так как скорости лучей света, идущих по направлению вращения и против него, будут различны, то для моментов времени Ti, Тг, ... Tn в неподвижной системе, отвечающих одному и тому же моменту во вращающейся системе, мы получим противоречивую цепочку неравенств Ti < Тг < ... < Tn < Ti. Та же беда возникает и при обходе любой замкнутой линии на вращающемся диске. Это противоречие демонстрирует невозможность синхронизации часов в достаточно произвольной ускоренной системе с помощью посылки световых сигналов. Отсюда был сделан вывод: надо использовать любые системы отсчета, даже те,

Рис. 1. Синхронизация часов по Эйнштейну. Из середины С отрезка АВ посылаются световые волны к часам в точках А и В. В момент прихода волны на них устанавливается одинаковое время.

СЮРПРИЗЫ

ВРЕМЕНИ

^ФИЗИЧЕОШ

12