Одна из самых загадочных величин во Вселенной — время. Мы воспринимаем его как нечто постоянное и неизменное. Но наука доказала, что время может вести себя по-разному — замедляться, ускоряться и даже искривляться, что на бытовом уровне представить себе, мягко говоря, сложновато.
В повседневной жизни время кажется неизменной величиной: секунда длится секунду, минута — минуту, час — час. Так — в классической механике Исаака Ньютона, предложенной в XVII веке. В ней время принимается абсолютной линейной величиной. Оно течет равномерно и одинаково для всех объектов и наблюдателей. Такое представление удобно для объяснения привычных процессов. Но оно не учитывает влияния скорости и гравитации, расстояний и объемов небесных тел.
В начале XX века Альберт Эйнштейн предложил две теории, которые совершили революцию в физике и в первую очередь радикально изменили понимание времени. Первая получила название специальной теории относительности (1905 год). Ее суть: при движении со скоростью, близкой к световой, время замедляется. Этот эффект назван релятивистским эффектом замедления времени.
Выдвинутая Эйнштейном в 1915 году общая теория относительности гласит, что вблизи массивных по космическим меркам объектов, например планет, время тоже идет медленнее. Это связано с тем, что гравитация искривляет пространство-время (по-научному) и фактически замедляет время. И чем выше гравитационный потенциал, тем сильнее замедление.
На практике оба эффекта учитываются в работе GPS-навигаторов. Их спутники на околоземной орбите летят со скоростью под четыре километра в секунду и поэтому находятся в незначительно более слабом гравитационном поле. Но без учета релятивистского и гравитационного замедления времени координаты объектов искажались бы на десятки километров уже за сутки.
Еще одно описание времени дает второй закон термодинамики. Он гласит: в замкнутой системе энтропия (она же мера беспорядка) не убывает. Это определяет направление времени от прошлого к будущему, от порядка к хаосу. Понятие энтропии ввел немецкий физик Рудольф Клаузиус еще в XIX веке. Согласно второму закону термодинамики, возможны только такие процессы, в которых энтропия остается неизменной или увеличивается. Например, стеклянный стакан может упасть и разбиться, но не в состоянии самопроизвольно собрать себя в первоначальный вид. Это делает ход времени необратимым.
Однако уравнения в физике времени симметричны — их цифры и знаки можно переставлять местами в обратном порядке, а результат не меняется. Но именно нарастание с течением времени энтропии задает макроскопическое направление времени. Этот феномен известен как парадокс Лошмидта. Он заключается в следующем: если законы симметричны, то почему мы не видим событий, происходящих в обратном порядке?
Физики объясняют это тем, что на уровне микроскопических частиц уменьшение энтропии все-таки возможно, но лишь с астрономически малой вероятностью. Поэтому в реальных масштабах наблюдается только одно направление — от прошлого к будущему.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, при очень большой скорости время для движущегося объекта течет медленнее относительно наблюдателя. Это явление демонстрирует парадокс близнецов: один остается на месте, другой быстро летит и возвращается на место моложе.
Сначала этот эффект подтвердили экспериментально физик Джозеф Хафеле и астроном Ричард Китинг. В 1971 году они дважды облетели с четырьмя комплектами атомных часов вокруг света на самолетах. После их возвращения бывшие в полете часы отставали от контрольного аналога на Земле. Разница составила всего десятки наносекунд, но суть соответствовала теории относительности.
В 2010 году физики Национального института стандартов и технологий США (NIST) также экспериментально зафиксировали разницу времени между двумя атомными часами, расположенными на разной высоте — всего 33 сантиметра — по отношению друг к другу. Верхние часы шли быстрее, что показали расчеты высокой точности.
Практически эффект подтвердил американский астронавт Скотт Келли. В 2015-2016 годах он провел более 340 суток на Международной космической станции (МКС). По возвращении Скотт оказался моложе своего также состоявшего в отряде американских астронавтов брата-близнеца Марка на 8,6 миллисекунды. Это связано с длительным пребыванием Скотта в условиях микрогравитации и высокой орбитальной скорости.
С XX века приведенные качества времени находят многочисленные отражения в художественной литературе и кино. Например, в вышедшем в 1961 году романе польского писателя Станислава Лема «Возвращение со звезд» главный персонаж-астронавт проводит в далеком космосе 10 лет, а на Земле за это время проходит 127 лет, и планета встречает героя неузнаваемой.
Авторы американского фантастического фильма-триллера «Время» (2011 год) за рамки Земли не выходят, но превращают время в единственную и универсальную валюту. На нее можно купить все, включая практическое бессмертие, а без нее люди умирают молодыми во цвете сил.