Теория Безвременья

8. Время теории относительности

Как мы знаем из общей теории относительности, чем сильнее ускорение ракеты, и чем ближе её скорость к скорости света, тем больше возрастает её масса. Так же предполагается, что параллельно с этим будет замедляться ход часов на борту. Но с чем связаны эти процессы в физическом смысле?

Возможно, сегодня существуют какие-то математические или физические уравнения, описывающие эти явления, но мне они не известны. А каких-либо вразумительных ответов по данному вопросу в научно-популярной литературе я пока не нашёл. Впрочем, это не помешает мне сделать собственные теоретические выводы по этому поводу, хоть я и не претендую на их окончательную истинность.

Насколько мне известно, специальная теория относительности представлена всего одной формулой — E=MC2, где E — это энергия импульса материальной точки, M — масса материальной точки, а C — скорость света.

Под импульсом материальной точки релятивистская механика понимает не просто произведение массы материальной точки на ее скорость, а произведение массы на частное от деления скорости на некоторую функцию, зависящую от квадрата отношения скорости материальной точки к скорости света в пустоте.

Из новых уравнений механики с очевидностью следует, что скорость материальной точки никогда не может достигнуть скорости света в пустоте. Таким образом, скорость света в пустоте оказывается верхним пределом скорости передачи энергии в пространстве.

Материальное тело, покоящееся относительно некоторого наблюдателя, обладает в системе координат, связанной с этим наблюдателем, энергией, равной произведению массы покоя на квадрат скорости света. Но если тело начинает двигаться, то его масса возрастает. При приближении скорости тела к скорости света она стремится к бесконечности. Это еще раз указывает на то, что никакому материальному телу с массой покоя, отличной от нуля, невозможно сообщить скорость, равную или тем более превышающую скорость света в пустоте. Эйнштейн обобщил этот результат, показав, что всякое материальное тело, обладающее некоторой массой (измеренной каким-либо наблюдателем), имеет, с точки зрения того же самого наблюдателя, энергию, равную произведению измеренной им массы на квадрат скорости света.

Именно поэтому говориться о том, что ни один звездолёт не сможет достичь скорости света, поскольку его собственных энергоресурсов никогда не хватит на то, чтобы двигать вперёд свою бесконечно растущую массу. Для этого необходим, как минимум, дополнительный внешний источник движущей энергии, чтобы придать дополнительный импульс ускорению.

Однако, сейчас меня больше интересует не скорость звездолёта, а его масса. Почему она возрастает по мере ускорения движущейся системы?

Ещё из школьной программы мы знаем, что масса любого объекта в состоянии покоя зависит от его объёма и плотности. Чем больше плотность вещества на один кубический сантиметр, тем больше его масса.

В механике специальной теории относительности Масса частицы вещества M связана с ее энергией Е прямым соотношением.

Масса покоя определяет внутреннюю энергию частицы — так называемую энергию покоя E0=M0C2. Таким образом, энергия всегда связана с массой и наоборот — M=E:C2.

Например, чёрные дыры набирают огромную массу и тем самым увеличивают своё гравитационное поле за счёт коллапсирующего вращения и уплотнения имеющегося вещества. Так чёрная дыра с массой, равной массе Земли обладала бы радиусом около 9 мм. Таким образом, Земля могла бы превратиться в чёрную дыру, если бы её удалось сжать до такого размера. Это определяется решением Шварцшильда, который ввёл понятие гравитационного радиуса.

В звездолёте, летящем со скоростью приближающейся к скорости света вещество, из которого он состоит, также должно уплотняться за счёт внутренних сил тяготения, возрастающих пропорционально ускорению. Следовательно, при таких условиях, формуле M = E:C2 не хватает дополнительного значения — силы тяготения G. Тогда формула по идее должна иметь следующий вид — M=(E:C2)G или M=E: LC2G)?..

Тут нужна помощь профессионалов, если я хоть в чём-то прав…

При таких условиях звездолёт будет сокращаться в длину и становиться более массивным, вплоть до бесконечности.

Этот эффект можно отнести к теории преобразования Лоренца, который утверждал, что объекты движущиеся относительно неподвижного пространства могут сокращаться в линейном измерении. Его предположение не нашло экспериментального подтверждения, поскольку испытания проходили при достаточно малых скоростях. Но А. Эйнштейн смог использовать теорию Лоренца в собственной теории относительности.

Продолжая физическую интерпретацию преобразования Лоренца, Эйнштейн показал, что любое материальное тело, движущееся относительно наблюдателя, будет ему казаться короче (в направлении движения), чем наблюдателю, относительно которого это тело покоится, т. е. наблюдателю, движущемуся вместе с этим телом.

Пусть два наблюдателя движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно в некотором направлении D. Предположим, что один из наблюдателей несет с собой линейку, ориентированную параллельно D. Пусть ее длина, измеренная этим наблюдателем, равна, например, одному метру. Тогда для другого наблюдателя длина этой же линейки будет меньше метра, причем это отличие будет тем значительнее, чем больше будет скорость относительного движения. Величина этого «сокращения» движущейся линейки, вообще говоря, чрезвычайно мала и становится заметной лишь при приближении скорости относительного движения к скорости света в пустоте. И тем не менее, несмотря на это совпадение, имеется существенная разница между сокращением по Фицджеральду — Лоренцу и сокращением по Эйнштейну. Действительно, первые рассматривали его как действительное сокращение тел, находящихся в абсолютном движении по отношению к неподвижному эфиру, тогда как второй — лишь как кажущееся движущемуся наблюдателю сокращение, связанное только с процессами измерений, которыми пользуются различные наблюдатели для измерения расстояний и промежутков времени, и преобразованием Лоренца, математически выражающим связь между результатами измерений, проделанных двумя различными, наблюдателями, находящимися в относительном движении.

Кажущееся сокращение размеров сопровождается кажущимся замедлением хода часов. Наблюдатели, находящиеся, например, в системе координат А, изучая ход часов, движущихся вместе с системой В, обнаружат, что они отстают от их собственных часов, покоящихся в системе А. Иначе говоря, можно утверждать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных. Как показал Эйнштейн, это тоже одно из следствий преобразования Лоренца. Итак, кажущееся сокращение длин и замедление хода часов однозначно следует из новых определений пространства и времени, с которыми и связано преобразование Лоренца.

Согласно специальной теории относительности сокращение масштабов и замедление хода часов имеют взаимный характер. Если каждый из двух наблюдателей, движущихся Друг относительно друга прямолинейно и равномерно, обладают одинаковыми часами и линейками, то, произведя измерения, каждый из них обнаружит, что линейка другого короче его собственной, а часы другого отстают от его часов. Но как утверждал Эйнштейн, это будет лишь кажущийся эффект, а значит реального сокращения объектов и замедления хода часов не произойдёт.

Что же касается общей теории относительности, когда мы имеем дело с системами, движущимися с ускорением и приближающимися к субсветовой скорости, то здесь можно говорить уже о действительном сокращении размеров, то есть уплотнении материального объекта, и замедлении хода «времени» в часах. В этом случае преобразование Лоренца приобретает новый смысл, поскольку движущиеся с ускорением тела реально сокращаются по отношению к окружающему пространству.

Но остаётся вопрос — почему при возрастании массы в ускоряющемся звездолёте или вблизи мощного гравитационного поля замедляется ход часов?? Что происходит с механизмами, электронами и атомами хронометров?

Я считаю, что они набирают массу и сжимаются, уплотняясь под действием внутренних или внешних сил возрастающего тяготения, поскольку в межатомном пространстве «пустоты» гораздо больше, чем самого вещества. То есть субъективно окружающие объекты могут не менять своего вида, но объективно, со стороны внешнего наблюдателя, они будут сокращаться в линейном размере.

Сжимаясь и набирая массу, электроны в атомах естественным образом замедлят скорость своего движения. Колебания элементарных частиц также станут менее интенсивными, что в свою очередь, может отразится на продолжительности их индивидуального существования. То есть они будут двигаться значительно медленнее, но при этом жить гораздо дольше обычного.

Замедление движения электронов будет влиять и на объективные показания электронного хронометра. Только так и можно объяснить торможение «времени» в определённой системе, движущейся с ускорением или вблизи объектов с большой массой.

Что же касается примера с «абсолютным» замедлением Времени в гравитационном поле, то здесь тоже есть свои нюансы в определениях.

Во Вселенной существуют объекты — так называемые черные дыры, образовавшиеся в результате катастрофического сжатия под действием сил тяготения огромных масс вещества (так называемого гравитационного коллапса). В районе подобных образований в результате действия колоссальных сил тяготения со временем могут происходить удивительные метаморфозы.

На границах черной дыры сила тяготения настолько велика, что время здесь не только сильно замедляется, но практически должно останавливаться. Поэтому, если какой-либо объект, скажем, неосторожно приблизившийся к черной дыре космический корабль, падает в нее, то внешний наблюдатель никогда не дождется того момента, когда он пересечет ее границу.

Для внешнего наблюдателя процесс сжатия коллапсирующего вещества будет протекать бесконечно длительное время.

Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падение к центру черной дыры.

Таким образом, ход времени вне черной дыры и внутри нее оказывается качественно различимым.

Здесь снова присутствует подмена понятий (Время внутри и снаружи чёрной дыры), тогда как в реальности всё дело в движении и относительности визуального наблюдения. Внешнему наблюдателю будет лишь казаться, что космический корабль зависает в «пространстве-времени» на границе действия чёрной дыры.

Мы ведь знаем, что гравитационные силы везде одинаковы и зависят только от масс вещества. Чем больше масса материального объекта, тем сильнее его гравитационное поле. То есть нет никакой принципиальной разницы между Землёй, Солнцем или чёрной дырой. Если любое инерциальное тело падает на Землю с определённым ускорением, то аналогичным образом оно должно падать и в центр чёрной дыры. Следовательно, если свободно дрейфующий космолёт попадёт в зону гравитационного поля чёрной дыры и начнёт падать к её центру, то никакого реального замедления «времени», то есть движения, не произойдёт. Космический корабль будет поглощён чёрной дырой с той же скоростью, что и всё окружающее вещество.

Другой наблюдатель, находящийся внутри космолёта, тоже не заметит никаких изменений в ходе «времени» на своих часах. Падение в чёрную дыру будет протекать естественным образом, зависящим от силы гравитационного поля.

На самом деле синхронизированные часы у внешнего наблюдателя и пассажира космического корабля будут показывать практически одно и тоже Время. Отставание часов корабельного наблюдателя по сравнению с внешним будет сравнительно небольшим, но связано это отстование исключительно с торможением всех процессов вблизи огромной массы чёрной дыры, то есть под действием мощных гравитационных сил.

Эффект бесконечно долгого «замедления Времени» в этом примере объясняется очень просто и логично.

Космический корабль, попавший в зону действия гравитационного радиуса чёрной дыры, упадёт в её центр, как и положено в таких случаях. Однако, на границе чёрной дыры будет оставаться световой фантом космолёта, поскольку гравитация в этом радиусе настолько сильная, что даже фотоны света не способны вырваться за её пределы. Именно этот фантом, оставшийся от упавшего в чёрную дыру корабля, и будет видеть внешний наблюдатель. Но реальное замедление Времени тут абсолютно не при чём.

Итак, теперь мы можем сделать следующие выводы:

1. Масса всех тел, движущихся или вращающихся с ускорением, начиная от элементарных частиц с положительной массой и заканчивая отдельными объектами, увеличивается за счёт возрастающих сил тяготения;

2. При поступательном ускоренном движении близком к скорости света все жёстко связанные материальные объекты сокращаются, то есть в определённой степени сжимаются и уплотняются по направлению обратному ходу своего движения;

3. Движение всех элементов, составляющих материальный объект, замедляется в процессе его ускорения, вплоть до полной остановки, что создаёт видимость замедления хода «времени».