Галилей сделал вполне понятный вывод – пожалуй, до того очевидный, что даже неловко его произносить вслух: время для всех течет с одной и той же скоростью. Но если принять, что свет тоже распространяется в одной и той же скоростью, постоянство течения времени – роскошь, которую себе уже не позволишь.

Ясно, что время как-то искажается и корежится, но до сих пор мы не представляли себе, как именно. Предположим, Солкар решил промчаться мимо Земли со скоростью, равной половине скорости света. Если он движется равномерно и прямолинейно, ощущение у него такое, словно он сидит на месте. Это такой способ представить себе первый постулат специальной теории относительности (законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета). Солкар спокойно занимается своими делами – читает газету, дремлет, читает новостную ленту в межгалактической Сети – и при этом, насколько ему кажется, движется во времени, но не в пространстве.

А мы с Земли видим, что он движется и в пространстве, и во времени. Если с нашей точки зрения Солкар приляжет поспать на 8 часов, то к тому времени, как он проснется, его звездолет преодолеет 4 световых часа.

Красота понятия интервала, которое ввел Минковский, состоит в том, что интервал одинаков для всех наблюдателей. Отношения между пространственной и временной дистанциями выражены знаком минуса, что означает, что они отчасти взаимоуничтожаются. В рамках теории относительности любой может с полным правом заявить, что неподвижен. Солкар знает, что пока он спал, прошло какое-то время, но поскольку ощущение у него такое, будто он неподвижен, он не чувствует перемещения в пространстве. Чтобы интервал, измеренный на его звездолете, оказался таким же, как и измеренный с Земли, Солкар должен проспать меньше восьми часов. Продеритесь через вычисления – и поймете, что на самом деле спал он только семь часов. Выходит, теория относительности может быть губительной для биоритмов почище перехода на летнее время!

Движущиеся часы начинают идти медленнее. Это не какой-то фокус, связанный со способом измерения – это осязаемый эффект, хотя в нормальной жизни он очень слаб. Чтобы вы могли оценить масштаб, упомяну, что даже в знаменитых сверхскоростных японских поездах время замедляется лишь меньше чем на одну триллионную. Если бы такой поезд ехал с начала времен и вдруг остановился, мы бы обнаружили, что его обитатели примерно на 13,5 часов моложе остальной вселенной.

Чем выше скорость, тем заметнее эффект. Часы, движущиеся на скорости в 90 % скорости света, замедляются с коэффициентом 2,3. К тому моменту, когда мы достигнем 99 % скорости света, мир сойдет с ума: часы замедлятся в целых 7 раз! Повторяю, это вам не какой-нибудь хитрый обман зрения, не механический эффект из-за разгона. С этим коэффициентом замедляется вообще все. Сердце Солкара будет биться медленнее обычного, все метаболические процессы затормозятся, компьютеры по привычным стандартам зависнут, любое устройство, способное измерять время, будет на наш взгляд ползти, как улитка. Однако с точки зрения самого Солкара все в корабле будет идти как обычно.

Хотя мы и не можем построить звездолеты, которые двигались бы с релятивистскими скоростями, измерить замедление времени здесь, на Земле, мы вполне способны – для этого нам нужны частицы под названием мюоны. Мюон практически идентичен электрону, только в 200 раз тяжелее. Как мы уже видели, тяжелые частицы при первой же возможности распадаются на более легкие, и мюоны не исключение. Примерно через две миллионные секунды мюон распадается на электрон и пару нейтрино-антинейтрино.

Поскольку мюоны распадаются так быстро, просто чудо, что их вообще удается зарегистрировать. К счастью, вселенная прилежно производит тяжелые частицы. Когда крайне высокоэнергичные частицы из космоса – космические лучи – попадают в верхние слои атмосферы, рожается каскад вторичных частиц, и кульминация этого процесса – возникновение мюонов. Это означает, что основное количество мюонов создается более чем в 10 километрах над поверхностью Земли. В этом бы не было ничего особенного, если бы не очень короткое время полураспада мюонов. Даже если типичный мюон будет лететь со скоростью света, можно ожидать, что он испустит дух уже через 600 метров. Разумно предположить, что до датчиков, расположенных на поверхности Земли, не долетит практически ни один мюон. И все же нам постоянно удается регистрировать атмосферные мюоны. Мы даже можем сказать, что они происходят именно из дальнего космоса, поскольку видим большое пустое место – мюонную тень – на том месте, где находится луна.

В 1941 году Бруно Росси и Дэвид Б. Холл из Чикагского университета подсчитали число мюонов, рожденных в атмосфере космическими лучами, на вершине двухкилометровой горы и у ее подножия. Если бы Галилей был прав и время текло бы для всех одинаково, то все мюоны должны были бы распасться по пути от вершины к подножию. Однако, исходя из того, какая доля мюонов действительно распадалась, Росси и Холл подсчитали, что внутренние часы мюона замедляются примерно в пять раз. Поэтому мюоны распадаются не за две миллионные секунды, а за десять миллионных секунды. Мюоны из космоса мчатся со скоростью около 98 процентов скорости света.

Однако теория относительности учит нас не только тому, что движущиеся часы замедляются, но и многим другим, куда более неправдоподобным вещам. Первый постулат специальной теории относительности состоит в том, что никогда нельзя сказать, движется кто-то или неподвижен. Как все выглядело с точки зрения Росси и Холла, легко себе представить. Они же были люди, а мы склонны к антропоцентрической точки зрения.

Однако если у вас есть хоть капля сочувствия к малютке-частице, попробуйте войти в положение мюона. Мюон тоже не чувствует, что движется. Вот он только-только родился – и вдруг видит, как Земля вместе с Росси и Холлом летит на него со скоростью в 98 % скорости света. Если у мюона в такой обстановке хватит хладнокровия, чтобы провести эксперимент, он обнаружит, что Росси и Холл живут словно бы с замедлением – с тем же множителем 5, который мы уже видели.

Сколько я ни изучаю теорию относительности, у меня это в голове не укладывается. Как такое может быть, чтобы два человека (или две релятивистские элементарные частицы и т. д.) смотрели друг на друга – и каждый был бы убежден, что у него-то время бежит нормально, а вот у того, кого он видит, – медленно? Какая-то в этом есть логическая неувязка. Но на самом деле нет.

Пространство тоже относительно. Снова войдем в положение мюонов Росси и Холла. С их точки зрения от вершины до подножия двухкилометровой горы можно добраться всего за 1,3 миллионных секунды – это так быстро, что довольно многие из мюонов доживут до конца пути. Но ведь они, то есть мюоны, не могут преодолеть два километра за такое время! Для этого Земля должна приближаться к ним со скоростью в 5 раз больше скорости света!

При движении с околосветовой скоростью расстояние тоже неузнаваемо искажается – причем с тем же коэффициентом, что и время. По всей видимости, пространство по направлении движения сжимается.

На самом деле формулы замедления времени и сокращения расстояния придумал не Эйнштейн. В последние десять лет перед Чудесным годом многие физики и математики усердно мостили дорогу для релятивистского прорыва. В частности, Хендрик Лоренц и Джордж Фитцджеральд независимо пришли к системам уравнений, описывающим искажение пространства и времени с точки зрения движущихся наблюдателей.

Почему тогда не их считают творцами теории относительности?

Отчасти их оттерли в сторону за то, что Лоренц и Фитцджеральд открыли свои знаменитые преобразования (которыми, кстати, пользуются до сих пор) в попытках доказать, что мировой эфир все-таки существует, вопреки результатам Майкельсона, Морли и всех прочих. С точки зрения Лоренца и Фитцджеральда, звездолет покажется сжатым не из-за фундаментальных изменений пространства и времени, а просто потому, что и сам он, и вся его измерительная аппаратура сжимается на атомном уровне из-за движения сквозь эфир. Примерно как собака, высунувшаяся из окна мчащегося автомобиля: шерсть на ее морде прижимается от ветра.

А великий прорыв Эйнштейна потому и великий, что Эйнштейн понял, что эффекты движения в пространстве на высоких скоростях – это не какое-то неуловимое механическое воздействие эфира, а самое настоящее искажение пространства и времени. Он показал, что законы электромагнетизма – в то время это была единственная известная негравитационная сила – при преобразованиях Лоренца никак не меняются.

Это было неимоверно. Одним движением Эйнштейн не только показал, что пространство и время меняются друг относительно друга с точки зрения разных наблюдателей, но и изобрел фундаментальный принцип симметрии, справедливый для всей физики. Инвариантами Лоренца (почти всегда вся слава достается Лоренцу единолично) оказались не только электромагнетизм, но и слабое, и сильное ядерные взаимодействия. Инвариант Лоренца – это такое ученое выражение, означающее, что они действуют одинаково в любой инерционной системе отсчета. Вот как об этом писал впоследствии сам Эйнштейн:

Лоренц и Фитцджеральд вывели формулы, однако задачей Эйнштейна стало выявить скрытую симметрию вселенной и в конечном итоге объяснить, что означают эти формулы. Конечно, открыть их было гораздо легче, раз он знал, что они должны быть инвариантами Лоренца.