Как идет время в космосе: сравнение с Землей и использование атомных часов

5 июня 2026 г.

Как идет время в космосе: сравнение с Землей и использование атомных часов

Знаете ли вы, что время в космосе течет не так, как на Земле? Согласно теории относительности Эйнштейна, на ход времени напрямую влияют гравитация и скорость движения объектов. Наша статья рассказывает о самом интересном: как замедляется время вблизи массивных планет, почему для космонавтов на МКС оно идет чуть медленнее, чем для жителей Земли, и как сверхточные атомные часы доказывают эту удивительную реальность.

Между космическим и земным временем есть разница. И это давно доказали ученые. Оказывается, что на течение времени влияет гравитация (притяжение, называемое еще всемирным тяготением), а также скорость перемещения объекта.

Почему время в космосе идет медленнее

Время в космосе замедляется вблизи планет и на их поверхностях. Дело в том, что при приближении к небесным телам усиливается гравитация. Данный эффект был первоначально предсказан Альбертом Эйнштейном в теории относительности. Из нее вытекает основной принцип – гравитационные поля вызывают пространственно-временное искривление.

Максимально сильной гравитацией в космосе обладают черные дыры. Они притягивают космические тела и электромагнитное излучение. В этих местах галактики, по мнению ученых, время практически останавливается.

Подтверждением, как неравномерно идет время в космосе, служит пример с МКС:

1. Станция вращается по орбите вокруг Земли. Из-за уменьшения гравитации время на МКС течет быстрее на 0,00000354 сек. в день. Еще быстрее время идет на спутниках, работающих на более высоких орбитах, там гравитация еще меньше. Таким образом, в космосе время идет медленнее, когда мы приближаемся к поверхности планеты. А при отдалении от поверхности, время начинает идти быстрее.

2. Но, рассматривая пример с МКС, нужно учесть еще один нюанс. Из теории относительности следует, что для находящегося в движении объекта время течет медленнее. Из-за того, что МКС перемещается по орбите на высокой скорости, время начинает замедляться на 0,00003 сек. в день. Если из большего значения вычесть меньшее (связанное с гравитацией), то можно увидеть, почему время в космосе на МКС относительно Земли идет медленнее – ежедневно это число составляет 0,00002646 сек.

Использование атомных часов

Чтобы понять, как идет время в космосе относительно планеты Земли, были созданы атомные часы. Они не имеют стрелок и циферблата. Устройство похоже на железный контейнер. Внутри находится сверхчувствительная радиоизмерительная аппаратура с атомным стандартом.

Эксперименты неоднократно проводились с атомными часами. Их устанавливали на различных устройствах – самолетах, станциях, спутниках. Общий результат всегда был одним и тем же – ближе к поверхности Земли время течет медленнее из-за гравитации. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в космосе время идет быстрее (по мере удаления от поверхности Земли). Но из-за скорости перемещения оно может и замедляться. В связи с этим актуальность обретает фраза, что время относительно.

 

Сто лет назад Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности — блестящую, элегантную теорию, которая пережила целый век и открыла единственный успешный путь к описанию пространства-времени (пространственно-временного континуума).

Есть много различных моментов в теории, указывающих, что общая теория относительности — не последняя точка в истории о пространстве-времени. И в самом деле, пускай мне нравится ОТО как абстрактная теория, однако я пришел к мысли, что она, возможно, на целый век увела нас от пути познания истинной природы пространства и времени.

Я размышлял об устройстве пространства и времени немногим более сорока лет. В начале, будучи молодым физиком-теоретиком, я просто принимал эйнштейновскую математическую постановку задачи специальной и общей теории относительности, а так же занимался некоторой работой в квантовой теории поля, космологии и других областях, основываясь на ней.

Но около 35 лет назад, отчасти вдохновленный своим опытом в технических областях, я начал более детально исследовать фундаментальные вопросы теоретической науки, с чего и начался мой длинный путь выхода за рамки традиционных математических уравнений и использования вместо них вычислений и программ как основных моделей в науке. Вскоре после этого мне довелось выяснить, что даже очень простые программы могут демонстрировать очень сложное поведение, а затем, спустя годы, я обнаружил, что системы любого вида могут быть представлены в терминах этих программ.

Воодушевившись этим успехом, я стал размышлять, может ли это иметь отношение к важнейшему из научных вопросов — физической теории всего.

Во-первых, такой подход казался не слишком перспективным — хотя бы потому, что модели, которые я изучал (клеточные автоматы), казалось, работали так, что это полностью противоречило всему тому, что я знал из физики. Но где-то в 88-м году — в то время, когда вышла первая версия Mathematica, я начал понимать, что если бы я изменил свои представления о пространстве и времени, возможно, это к чему то бы меня привело.

Простая теория всего?

Из статьи вовсе не кажется очевидным, что теория всего для нашей вселенной должна быть проста. И в самом деле, история физики привносит дополнительные сомнения, ведь чем больше мы узнаем, тем вещи оказываются более сложными, во всяком случае, в терминах математического аппарата, вводимого ими. Но, как отмечалось, к примеру, богословами много веков назад, есть очевидная черта нашей вселенной — в ней есть порядок. Частицы нашей вселенной не просто подчиняются каким-то своим законам, но и подчиняются определённому набору общих законов.

Но насколько простой может быть теория всего для нашей Вселенной? Скажем, мы можем представить её в виде программы, допустим, в Wolfram Language. Насколько большой будет эта программа? Будет ли оно сравнима с длиной человеческого генома, или больше походить по объему на операционную систему? Или же она будет значительно меньше?

Если бы я отвечал на этот вопрос до того, как начал исследовать вычислительную вселенную простых программ, я бы, скорее всего, ответил, что подобная программа должна быть чем то весьма сложным. Однако мне удалось обнаружить, что в вычислительной вселенной даже чрезвычайно простые программы могут демонстрировать сколь угодно сложное поведение (этот факт отражен в общем принципе вычислительной эквивалентности).

Структура данных Вселенной

Но какой должна быть такая программа? Ясно одно: если программа и вправду может быть чрезвычайно простой, то она будет слишком мала для того, чтобы в явной форме кодировать некоторые очевидные особенности нашей Вселенной, такие как массы частиц, разного рода симметрию, или даже пространственную размерность. Все эти вещи должны появляться каким-то образом из чего-то более низкоуровневого и фундаментального.

Но если поведение вселенной определяются простой программой, то какова структура данных, с которыми эта программа работает? Сперва я предположил, что это должно быть нечто простое для описания, как, к примеру, структура клеток, которая появляется в клеточном автомате. Но даже если подобная структура хорошо работает для описания моделей различных вещей, представляется, что она должна быть весьма неправдоподобной для фундаментальных физических моделей. Да, можно найти такие правила, что будут демонстрировать поведение, которое в большом масштабе не будет показывать очевидное свойства структуры. Однако если физика действительно может описываться некоторой простой моделью, то представляется, что столь жёсткая структура для пространства не может быть в неё включена, и что свойства пространства должны из чего-то проистекать.

Так какова альтернатива? Нам потребуется более низкоуровневое понятие, чем пространство, из которого оное и будет рождаться. Также нам потребуется базовая структура данных, которая будет максимально гибкой. Я размышлял об этом много лет, изучая самые разнообразные вычислительные и математические формальные системы. Но в конце концов я понял, что по сути все, с чем я сталкивался, может быть представлено одним способом — с помощью сетей.

Сеть — она же граф — состоит из некоторого количества узлов, которые соединены связями. И все свойства графа следуют из структуры этих связей.

Пространство как граф

Так может ли пространство состоять из чего-то подобного? В классической физике и ОТО пространство не представляется как состоящее из чего бы то ни было. Оно представляется в виде некоторой математической конструкции, которая служит чем-то вроде сцены, на которой имеется непрерывный диапазон возможных положений, занимаемых разными объектами.

Однако можем ли мы точно сказать, что пространство является непрерывным? Когда квантовая механика зарождалась, была популярна идея о том, что пространство, как и всё остальное, квантуется. Но было не ясно, как эту идею можно сопрячь со СТО, собственно, не было и явных доказательств дискретности пространства. Когда я начал заниматься физикой в семидесятых, обсуждение дискретности пространства сошло на нет, плюс экспериментально было доказано, что в масштабах до 10-18м (1/1000 радиуса протона, или аттометр) дискретности не наблюдается. Спустя 40 лет и десятки миллиардов долларов, потраченные на ускорители частиц, в масштабах до 10-22 м (или 100 йоктометров) дискретность пространства так и не обнаружили.

Однако есть мнение, что она должна проявиться в масштабах около планковской длины — 10-34 метра. Но когда люди размышляют об этом, скажем, в контексте спиновых сетей, петлевой гравитации или чего бы ты ни было, то они склонны предполагать, что всё, что там происходит, тесно связано с формализмами и понятиями квантовой механики.

Но что, если пространство — вероятно, в планковских масштабах — есть лишь старый добрый граф, лишённый квантовых свойств? Звучит не особо впечатляюще, однако для задания подобного графа требуется значительно меньше информации — достаточно просто сказать, какие узлы с какими соединены.

Но как подобное может порождать пространство? Прежде всего, откуда на больших масштабах возникает видимая непрерывность пространства? На самом деле, всё очень даже просто: это может быть следствием большого количество узлов и связей. Немного напоминает то, что происходит в жидкостях — скажем, в воде. В малых масштабах мы можем наблюдать молекулы, мечущиеся в тепловом движении. Однако масштабный эффект заставляет все эти молекулы порождать то, что мы воспринимаем как непрерывную жидкость.

Так получилось, что в середине 80-х я много времени уделял изучению этого феномена — это было частью моей работы, в которой я разбирался в природе кажущейся случайности турбулентных потоков жидкости. В частности, мне удалось показать, что если представить молекулы как клетки клеточного автомата, то их крупномасштабное поведение будет точно описываться дифференциальными уравнениями для потоков жидкости.

И потому, когда я начал размышлять о возможности существования подструктуры пространства, которое можно представить в виде сети, мне подумалось, что здесь можно использовать те же методы, и что это может свести уравнения ОТО Эйнштейна к другим, существенно более низкоуровневым.

Может быть, нет ничего, кроме пространства

Хорошо. Допустим, пространство есть сеть. Но что можно сказать обо всех вещах, располагаемых в пространстве? Что можно сказать об электронах, кварках, протонах и прочем? Стандартные физические представления говорят о том, что пространство есть сцена, на которой располагаются частицы, струны или что бы то ни было. Однако подобное представление становится весьма сложным. Но есть и более простой вариант: возможно, всё в нашей вселенной состоит из пространства.

В последние годы своей жизни Эйнштейн был весьма увлечен этой идеей. Он полагал, что, быть может, такие частицы, как электроны, можно рассматривать как нечто вроде черных дыр, что состоят из одного лишь пространства. Однако, опираясь лишь на формализм ОТО, Эйнштейн не смог развить эту идею, в результате чего она была заброшена.

И, так уж было, что за сотню лет до этого в умах некоторых людей жили подобные идеи. Это были времена до СТО, когда люди думали, что пространство заполнено средой, подобной жидкости — эфиром (по иронии судьбы в настоящее время мы вернулись к модели заполненного пространства — полем Хиггса, квантовыми флуктуациями в вакууме и прочим). Между тем, было понятно, что существуют различные типы атомов, соответствующие различным химическим элементам. И было выдвинуто предположение (в частности, Кельвином), что разным атомам можно сопоставить различные узлы эфира.

Это интересная идея, хоть и неправильная. Но, представляя пространство как сеть, можно рассмотреть схожую идею: возможно, частицы соответствуют определенным структурам сети. Быть может, всё сущее во вселенной есть сеть, а материи соответствуют какие-то структуры этой сети. Подобные вещи легко можно обнаружить на поле клеточного автомата. Даже если каждая клетка подчиняется некоторым простым правилам, в системе появляются определенные структуры со своими свойствами — прямо как частицы с физикой взаимодействия друг с другом.

То, как всё это может реализовываться на сетях — отдельная и очень большая тема. Однако сперва нам стоит обсудить одну очень важную вещь — время.

Что есть время?

В 19-ом веке были понятия пространства и времени. Оба описывались координатами, а с помощью некоторых математических формализмов появлялись схожим путем. Однако мысль о том, что пространство и время в некотором роде есть одно и то же, не была в ходу. Но потом появился Эйнштейн с ОТО, и люди начали говорить о пространстве-времени, в котором пространство и время есть грани некоего единого понятия.

Оно вносит множество смыслов в СТО, в которой, к примеру, перемещение с переменной скоростью есть суть вращение в четырехмерном пространстве-времени. И весь этот век физики полагали пространство-время некоей сущностью, в которой пространство и время не имеют фундаментальных различий.

Но как всё это будет работать в контексте сетевой модели пространства? Конечно, можно ввести четырёхмерную сеть, в которой время будет работать так же, как и пространство. А потом просто сказать, что нашей вселенной соответствует некоторая пространственно-временная сеть (или семейство сетей). Каждая сеть должна определяться некоторыми ограничениями: наша вселенная обладает такими и такими свойствами, и, получается, удовлетворяет таким и таким уравнениям. Однако это представляется неконструктивным подходом — он не говорит о том, как вселенная ведет себя, а лишь о том, что если что-то обладает таким-то поведением, то это что-то может быть вселенной.

И, к примеру, в контексте программ пространство и время проявляются весьма по-разному. В клеточных автоматах, к примеру, клетки располагаются в пространстве, однако поведение системы возникает в пошаговых изменениях времени. Но вот какой момент: из того, что низкоуровневые правила сильно разграничивают поведения пространства и времени, не следует, что на больших масштабах они не будут вести себя схожим образом — как и полагается в современной физике.

Формирование сети

Итак, давайте предположим, что сеть есть подпространственная структура. Как эта сеть формируется? Можно ввести простую гипотезу, которая заключается в том, что существует некое местное правило, которое говорит, что если вы видите некоторый фрагмент сети, выглядящий некоторым образом, то его следует заменить на фрагмент, который выглядит так.

Но теперь все становится немного сложнее. Ведь может быть много мест в сети, где можно применить подобное правило. Так что определяет порядок обработки каждого фрагмента?

По сути, каждое возможное упорядочение соответствует своему временному потоку. И можно было бы вообразить теорию, в которой все потоки имеют место быть, и наша вселенная имеет множественную историю.

Но мы можем обойтись и без этой гипотезы. Вместо этого, вполне возможно, существует лишь одна нить времени — и это хорошо соотносится с тем, что мы знаем о мире, с нашим опытом. И чтобы понять это, нам следует сделать нечто наподобие того, что сделал Эйнштейн, формулируя СТО: нам следует ввести более реалистичную модель того, чем может являться наблюдатель.

Излишне говорить, что какой-либо реальный наблюдатель должен иметь возможность существовать в нашей вселенной. Таким образом, если вселенная представляет собой сеть, то наблюдатель должен быть некоей частью этой сети. Вспомним теперь о постоянных небольших изменениях, которые происходят в сети. Чтобы знать, что подобное изменение (обновление) произошло, наблюдатель и сам должен быть изменен (обновлен).

Если вы проведете всю эту мысленную цепочку, которую я провел в книге A New Kind of Science (NKS), то поймете, что единственное, что могут воспринимать наблюдатели в истории вселенной — причинную сеть — то, когда одно событие вызывает другое.

А потом выясняется, что есть определенный класс базисных правил, для которых различные порядки базисных обновлений не влияют на причинно-следственную сеть. Их я называю «причинно-следственно инвариантными» правилами.

Причинная инвариантность является интересным свойством, которое имеет аналоги в различных вычислительных и математических системах, например в том, что преобразования в алгебре могут быть применены в любом порядке и будут давать один и тот же конечный результат. Но в контексте вселенной его следствием является то, что он гарантирует, что есть только один поток времени во вселенной.

Вывод СТО

Так что насчёт пространства-времени и СТО? Тут, как я понял в середине 90-х, происходит нечто захватывающее: если есть причинно-следственная инвариантность, то из этого следует, что на больших масштабах СТО будет появляться сама собой. Другими словами, даже если на самом низком уровне пространства и времени всё происходит совсем по-другому, то в большем масштабе всё это порождает то, что предписывает СТО.

Грубо говоря, системы отсчета в специальной теории относительности — связанные, например, с перемещениями при разных скоростях — соответствуют различным последовательностям низкоуровневых изменений сети. Но из-за причинной инвариантности общее поведение, ассоциированное с различными последовательностями, получается точно таким-же — таким образом, система удовлетворяет принципам СТО.

В начале данная ситуация могла бы показаться безнадежной: как может сеть, которая рассматривает пространство и время по-разному, сойтись со СТО? Но это работает. И в самом деле, я не знаю никакой другой модели, которая может успешно вывести принципы СТО из чего-то более низкоуровневого; в современной физике это всегда представлялось как данность.

Вывод ОТО (Общей теории относительности)

Ок, СТО можно получить из простых моделей, основанных на сетях. Но что можно сказать об ОТО? Есть очень хорошая новость: опираясь на различные предположения, в конце 90-х мне удалось вывести уравнения Эйнштейна из динамики сетей.

Вся эта история в действительности несколько сложнее, но вот примерный пересказ. Во-первых, нам стоит вообразить, как сеть формирует из себя пространство. Следует помнить, что сеть есть лишь набор узлов и связей. Притом узлы могут располагаться в одномерном, двумерном или любом n-мерном пространстве.

Легко увидеть, что есть сети, которые в больших масштабах представляются двумерными или трехмерными. На самом деле, есть простой тест для определения эффективной размерности сети. Возьмем некоторый узел, а затем посмотрим на все узлы, отстоящие от него на r связей. Если сеть проявляет себя как d-мерная, то число узлов в этой «сфере» будет около rd.

И тут вещи приобретают интересный оборот. Если сеть ведет себя как неискаженное в пространстве большей размерности d-мерное пространство, то число узлов всегда будет около rd. Но если поведение подобно искривленному пространству (как в ОТО), то будет иметь место поправочный член, пропорциональный такому математическому объекту, как тензор Риччи. И это весьма интересно, ведь тензор Риччи как раз и возникает в уравнениях Эйнштейна.

Тут много математических сложностей. Следует рассмотреть кратчайшие пути — геодезические линии сети. Следует понять, как сделать что бы то ни было не только в пространстве, но и на сети с течением времени. Так же следует понять то, до каких масштабов проявляются свойства сети.

При выводе математических результатов важно иметь возможность получать разного рода средние значения. По сути, это подобно выведению уравнений для жидкости из динамики молекул: нужно иметь возможность принимать среднее из некоторого диапазона случайных значений в низкоуровневых взаимодействиях.

Но хорошая новость заключается в том, что существует необъятное количество систем, построенных даже на чрезвычайно простых правилах, которые подобны цифрам числа пи, то есть для любых прикладных целей являются достаточно случайными. Получается, что даже если особенности причинной сети полностью определены для того, кто знает исходное состояние сети, то большая часть этих особенностей будут являться, по сути, случайными.

Вот что имеем в итоге. Если ввести предположение об эффективной микроскопической случайности и предположить, что поведение системы в целом не приводит к изменению во всех ограничивающих размерностях, то из этого следует, что масштабное поведение системы удовлетворяет уравнениям Эйнштейна!

Полагаю, это очень интересно. Уравнения Эйнштейна можно получить практически из ничего. Это означает, что эти простые сети воспроизводят черты гравитации, которые мы знаем из современной физики.