Физика времени

А теперь другой эксперимент. Со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света с. Какова скорость распространения света относительно Земли ? Ответ: эта скорость — не больше с, она есть с и только с.

Если свет испускается не по движению спутника, а в прямо противоположную сторону, то и тогда относительно Земли свет будет распространяться со скоростью, не меньшей с, а снова равной этой величине.

Это — иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше с. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. Например, скорость человека, идущего вдоль вагона поезда по его ходу, может быть 1 метр в секунду. Это скорость относительно поезда. Но скорость человека относительно Земли, или относительно лаборатории в поле (вспомним мысленный эксперимент Эйнштейна), будет равна сумме: 1 метр в секунду плюс скорость поезда, которая может составлять, например, 30 метров в секунду. Итак, скорость человека относительно лаборатории в поле равна 31 метру в секунду. И вообще, когда мы говорим о скоростях, мы всегда должны сказать, относительно чего мы их измерили, ибо эти скорости относительны, они зависят от системы отсчета.

А скорость света не складывается с другими скоростями. К ней ничего ни прибавить, ее никак ни убавить. Скорость света абсолютна, она всегда одна и та же и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютный рекорд

Эйнштейн пришел к мысли об абсолютности скорости света логическим путем. И подвели его к этому заключению теоретические исследования электромагнитных процессов в движущихся телах. Все опытные, экспериментальные данные об этих процессах приводят к такой теории электромагнетизма, из которой в качестве неизбежного следствия вытекает постоянство скорости света в пустоте.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ней. Постоянство этой скорости — закон природы, а потому — именно в соответствии с принципом относительности — он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Эйнштейн положил принцип относительности и закон распространения света в основу специальной теории относительности в качестве исходных аксиом.

В пользу постоянства скорости распространения света определенно говорят прямые эксперименты. Эйнштейн особенно ценил эксперимент голландского астронома и космолога де Ситтера (1872—1935). Это был астрономический эксперимент, основанный на наблюдениях двойных звезд. Наблюдения показали, что скорость света не зависит от скорости звезды, испускающей свет. Факт постоянства скорости света неизменно подтверждался и многочисленными последующими экспериментами.

Возможны ли в природе скорости движения, превышающие скорость распространения света в пустоте? Специальная теория относительности и весь опыт физики отвечают на этот вопрос отрицательно. Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости.

Стоит напомнить, что со скоростью света распространяются в пустоте все электромагнитные волны, а не только волны из «видимого» диапазона частот, соответствующих зрительной способности человеческого глаза воспринимать электромагнитное излучение. Скорость распространения любых электромагнитных волн равна «рекордной» скорости с. Радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение — все они имеют в пустоте эту скорость. Последние известия по радио и вообще любые сообщения мы можем передавать с этой предельной скоростью — но никогда не быстрее. Поэтому часто говорят, что скорость света — это предельная скорость передачи информации.

Но это — также и предельная скорость передачи любого воздействия от одного физического тела к другому. Как бы это воздействие ни передавалось — с помощью других тел или частиц, с помощью электромагнитных или любых других полей, оно не может опередить свет. И обратная реакция одного тела на воздействие другого, его противодействие не вернется быстрее, чем свет. Принято поэтому говорить, что скорость света — это предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Скорость света потому и играет такую важную роль, что она является универсальной, абсолютной и предельной скоростью для всякого движения, распространения, обмена сигналами, для передачи любого взаимодействия.

Одновременность

Проведем один мысленный эксперимент. Допустим, что имеются две лаборатории — одна в чистом поле, как сказано у Эйнштейна, а другая в вагоне поезда, несущегося мимо нее. Эксперимент будет состоять в том, чтобы измерять время, необходимое свету для прохождения определенного пути.