Даже если вы соглашаетесь с теорией Эйнштейна, некоторые ее последствия не перестают удивлять. Сформулированные определенным образом, результаты исследований ученого приводят к явным противоречиям, которые могут свести с ума не только студентов, но и некоторых профессоров. Два самых известных и сбивающих людей с толку из таких противоречий получили название парадокс близнецов и парадокс шеста и сарая. Здесь я привожу еще третий парадокс – тахионное убийство[59].
Теория относительности совершенно последовательна, однако для новичка это не всегда очевидно. Явные противоречия и парадоксы в ней основаны на простых ошибках, подобных присутствующим в доказательстве[60], что 1 = 2. Вы можете подумать, что эти парадоксы мучают только начинающих? Но и у искушенных профессионалов существуют предрассудки и представления, о которых они не догадываются. В результате даже многие профессора путаются, пытаясь объяснить эти парадоксы своим студентам.
Парадокс шеста и сарая
У фермера есть сарай длиной 6 метров с дверью в торце. Свой 12-метровый шест он хотел бы хранить в сарае. Он изучал теорию относительности, поэтому хочет использовать эффект сжатия объектов, чтобы уместить шест внутри сарая. Он разбегается и бежит со скоростью, достаточной, чтобы длина шеста уменьшилась наполовину. Это означает, что гамма-фактор в этом случае будет равен 2. Фермер намеревается закрыть дверь сарая, когда шест окажется внутри. По его мнению, это должно получиться.
Однако как только фермер начнет разбегаться с шестом, он поймет, что в его собственной системе отсчета (когда он бежит), короче становится не шест, а сарай. При этом гамма равна 2. Значит, сарай оказывается длиной всего 3 метра. Собственную систему отсчета бегущего фермера можно считать и системой отсчета шеста, поэтому он сохраняет неизменной длину 12 метров. Конечно, 12-метровый шест не помещается в 3-метровый сарай. Однако в собственной системе отсчета сарая шест в него легко входит. Что же на самом деле произошло? Удалось фермеру поместить шест в сарай или нет? Как ответ зависит от системы отсчета? Ведь шест либо помещается в сарае, либо нет. Двух правильных ответов быть не может.
Этот парадокс легко разрешается, если будет очень точно сформулирован. Под словами внутри сарая мы подразумеваем, что оба конца шеста оказываются в сарае одновременно. Это с точки зрения собственной системы отсчета сарая. То есть имеется в виду, что когда передний конец шеста ударяется о заднюю стенку сарая, одновременно с этим за задним концом шеста закрывается дверь. Однако два этих события не одновременны с точки зрения собственной системы отсчета шеста. В этой системе отсчета сначала передняя часть шеста ударяется о стенку сарая, и только потом задняя часть шеста входит в дверь.
Как всегда, оба наблюдателя согласны друг с другом. Оба говорят, что концы шеста находятся в сарае. В собственной СО сарая два этих события одновременны. В собственной СО шеста, даже если оба его конца оказываются в сарае, они делают это не одновременно. «Нахождение внутри сарая» – утверждение, которое хитро обходит вопрос об одновременности событий.
Для тех, кто интересуется математическими деталями, в Приложении 1 приводятся вычисления, иллюстрирующие разрешение этого парадокса.
Парадокс близнецов
Представьте себе близнецов Джона и Мэри. Им по 20 лет. Джон остается дома, а Мэри отправляется в путешествие на далекую планету в космическом корабле, летящем с большой скоростью. Скорость корабля дает гамма-фактор замедления времени, равный 2. С точки зрения Джона, Мэри остается моложе. Однако с точки зрения Мэри, моложе остается Джон. Но они не могут быть правы оба. Что произойдет, когда Мэри вернется? Они поймут, кто моложе, только когда встретятся. Парадокс!
Чтобы его разрешить, мы опять-таки должны очень тщательно подбирать слова. Нужно быть очень осторожным с представлениями о том, что понимать под одновременностью, которые могут быть скрытыми и неправильными. Мы также должны отдавать себе отчет, что люди могут сообщать о результатах своих наблюдений, только используя координаты собственных систем отсчета.
Что касается путешествия Мэри, близнецы во всем согласны. Мэри движется относительно собственной СО Джона. Джон движется относительно собственной системы отсчета Мэри. В СО Джона моложе Мэри; в СО Мэри моложе Джон.
Хорошо, но что произойдет, когда Мэри прекратит движение вперед, вернется, встретится с Джоном и они сравнят свой возраст? В этот момент их собственные системы отсчета будут идентичными. Кто из них окажется моложе? Оба моложе быть не могут. И в действительности оба они не станут моложе.
Этот парадокс может быть разрешен при рассмотрении вопроса об одновременности. С числами я поработал в Приложении 1, где приведены предположительные величины скоростей и расстояний. Прежде чем Мэри повернет назад, в ее собственной системе отсчета Джон будет моложе. Это значит, что свой последующий день рождения она будет праздновать одновременно с предыдущим днем рождения Джона. Однако после того как Мэри повернет назад, в ее собственной системе отсчета эти два события уже не будут одновременными. В новой системе отсчета Джон одновременно с Мэри празднует в свой день рождения гораздо больше лет, чем она.
По пути Мэри назад в ее СО движется уже Джон, поэтому он стареет медленнее. Однако «прыжок» во времени был столь значительным, что при их встрече Джон все еще будет старше Мэри. Это тот же результат, который мы получили бы, если бы делали все вычисления в собственной СО Джона. Уравнения и расчеты приведены в Приложении 1, однако упомянутый «прыжок» времени и потеря одновременности оказываются ключевыми факторами.
Но разве не относительно любое движение? Кто определяет повернувшего назад? Не можем ли мы допустить, что это Джон направился назад, а не Мэри?
Нет, не можем. Относительно того, кто именно повернул назад, несогласия между наблюдателями нет. Именно Мэри отправилась в путешествие, и именно она испытала на себе ускорение. И Джон, и Мэри знают, что собственная система отсчета Мэри двигалась с ускорением, а собственная система отсчета Джона – нет. В теории относительности не будет истиной то, что «любое движение относительно». Истиной будет то, что вы можете делать все свои вычисления в любой СО, которая движется с постоянной скоростью. Если СО движется с ускорением, вы должны принимать во внимание «прыжки» времени относительно отдаленных событий.
