Физика времени

Принцип относительности Эйнштейна охватывает все физические явления, все типы взаимодействий в физике, все физические процессы. Ему подчиняются, в частности, электромагнитные явления. Для наших дальнейших рассуждений это особенно важно: мы будем говорить о свете, о скорости его распространения, об обмене световыми сигналами. Распространение света — это явление электромагнетизма, свет представляет собою электромагнитные волны определенных частот.

Скорость света

Специальная теория относительности расширяет принцип относительности Галилея. Кроме того, она добавляет еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности?

Все дело в том, что скорость света — это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Так думал, например, Аристотель. Правда, серьезные рассуждения, которые приводились в древности в пользу такой воз- возможности, кажутся нам сейчас не слишком надежными.

Например, Герон Александрийский рассуждал так. Если вы ночью повернете голову к небу, закрыв глаза, а затем внезапно откроете их, то вы увидите звезды немедленно. Раз между мгновением открытия глаз и мгновением, когда мы впервые видим звезды, не протекает никакого времени, свет распространяется мгновенно.

Это звучит для нас не очень убедительно. К тому же нужно сказать, что но мнению древних греков зрительные образы возникают вследствие излучения из глаз, а не вследствие испускания света (или его рассеяния) видимыми телами. Они держались, так сказать, «радиолокационной» теории зрения: чтобы что-то увидеть, нужно послать из глаз сигнал, а затем принять его обратно, — это отражение создаст и принесет нам видимый образ тела.

Скорость света долго еще считали бесконечной. Так думал, например, Кеплер, который прямо писал об этом в 1611 году.

Галилей был другого мнения. Он предложил не спорить, а проделать эксперимент. Пусть два человека, снабженные сигнальными фонариками, станут подальше друг от друга, насколько это возможно, и один из них включит свет. Другой должен включить свой фонарь, как только этот свет увидит. Время обмена сигналами можно измерить, а зная расстояние, нетрудно определить и скорость света. Галилей пытался проделать такой опыт, но его «экспериментальной технике» это было все же не под силу.

Эксперимент почти по такой же схеме провел позднее, в 1675 году, датский астроном Олаф Кристенсен Рёмер (1644—1710). Это был астрономический эксперимент, и «фонарем» служил ему один из открытых Галилеем спутников Юпитера — во время своих затмений. Конечность скорости света была подтверждена.

А в земных, лабораторных условиях опыт Галилея осуществил в 1849 году французский экспериментатор Ипполит Физо (1819—1896), которого Эйнштейн назвал в одной из своих работ гениальным физиком. В усовершенствованном варианте опыт был повторен затем в 1874 году. Он дал для скорости света величину 300 — 330 км/с. Современное наиболее точное значение скорости света получено с помощью атомных часов. Оно составляет 299 792456,2 м/с с точностью до погрешности эксперимента, которая оценивается как +/- 0,2 м/с.

Это — огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Она и вправду чуть ли не бесконечно велика.  

Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с; скорость космической ракеты — 12 км/с, скорость Земли в ее орбитальном движении вокруг Солнца — 30 км/с: скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики — около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики вместе с большой группой других галактик — относительно других таких же групп — еще примерно в два раза больше.

Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это действительно огромная скорость, но все же и она еще мала по сравнению со скоростью света.

Ни прибавить, ни убавить

Большой спутник движется по орбите вокруг Земли и с него, как с космодрома, запускается ракета — автоматическая межпланетная станция к Венере. Это не мысленный эксперимент, так уже не раз бывало в истории советских космических исследований. Представим себе, что запуск производится строго в направлении движения «орбитального космодрома». Ясно тогда, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно «орбитального космодрома» плюс скорость самого этого «космодрома» относительно Земли. Скорости двух движений складываются, и потому ракета получает довольно большую скорость. Она может преодолеть притяжение Земли и улететь к другой планете.