§ 236. Парадокс часов

В заключение остановимся на любопытном предсказании теории относительности Эйнштейна, которое получило прямое подтверждение в опытах с элементарными  частицами.

Рассмотрим нестабильную частицу, которая в состоянии покоя характеризуется средним временем жизни до распада . Если эта частица движется равномерно со скоростью , то оказывается, что среднее время жизни, наблюдаемое в лаборатории (т. е. покоящимся наблюдателем), должно возрасти по закону , где  — скорость света в вакууме.

С помощью соотношений, приведенных в § 200, это выражение можно привести к виду

                                                         (236.1)

где  — полная энергия частицы, а  — ее энергия покоя. Среднее время жизни частицы возрастает пропорционально ее полной энергии. В опытах с быстрыми мюонами, -мезонами и -мезонами наблюдалось возрастание среднего времени жизни этих частиц в десятки раз в точном соответствии с законом (236.1). Это явление можно характеризовать как замедление времени в движущихся телах. В самом деле, процессы, идущие внутри нестабильной частицы, можно рассматривать как некоторые часы, отсчитывающие время. Неподвижные часы отсчитали несколько Средних времен жизни, и частица должна была бы давно распасться. Однако собственные часы быстро движущейся частицы идут медленнее — по ним прошла только малая доля среднего времени жизни , и частица еще «жива».

Теория относительности распространяет этот вывод на любые физические процессы; биологические процессы не составляют исключения.

Представим ракету, стартующую с Земли, путешествующую в космосе со скоростью, близкой к скорости света, и возвращающуюся на Землю. Часы, находившиеся на ракете, покажут меньшую продолжительность путешествия, чем часы, остававшиеся на Земле. Космонавт постареет меньше, чем его товарищи, не покидавшие Земли. В справедливость этих выводов трудно поверить, и их обозначали как «парадокс часов». Упомянутые опыты с нестабильными частицами заставляют, однако, относится к «парадоксу часов» как к научному факту. Надо заметить, что при скоростях полета порядка десятков километров в секунду, доступных в современной космонавтике, замедление хода часов ничтожно и им можно полностью пренебречь.