Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Пока Ньютон не завершил работу о законах движения, считалось, что споры о природе времени относятся к области философии и метафизики, а не к настоящей науке. Ньютон описал, как движутся и ведут себя предметы под влиянием разных сил, а поскольку всякое движение или изменение длится во времени, оно должно было стать неотъемлемой частью математического описания мира. Однако ньютоновское время носит абсолютный и неизбежный характер: оно течет с постоянной скоростью, как будто существуют некие воображаемые космические часы, отмеряющие секунды, часы, сутки и года независимо от событий и процессов, происходящих в пространстве. В 1905 году Эйнштейн с треском разрушил ньютоновский мир, показав, как время связано с пространством на глубинном уровне.

Эйнштейн пришел к выводу, что время не носит абсолютного характера: оно не для всех течет одинаково. Если я вижу два одновременных события – скажем, две вспышки молнии по обе стороны от меня, – то тот, кто движется в этот момент мимо меня, увидит их не в одно и то же время, а с небольшим разрывом. Причина в том, что скорость течения времени для каждого из нас зависит от нашего движения относительно друг друга. Эта странная идея является одним из первых уроков теории относительности и известна как «относительность одновременности». Давайте поговорим о ней более подробно.

Задумайтесь о том, как достигают ваших ушей звуковые волны. В конце концов, звук является просто вибрацией молекул воздуха, которые передают энергию через столкновения друг с другом. Без материи (воздуха) звук не существует. В космосе никто не услышит ваш крик, как это показано в «Инопланетянине», фильме 1980-х годов.

Идея Эйнштейна в том, что световым волнам, в отличие от звуковых, для перемещения не нужно никакой среды. Его теория опиралась на два постулата (известные как принципы относительности). Первый, восходящий еще к Галилею, утверждает, что всякое движение относительно и нет такого эксперимента, который мог бы подтвердить, что кто-либо или что-либо находится в полном состоянии покоя. Второй постулат гласит, что световые волны перемещаются со скоростью, которая не зависит от скорости источника света. Обе эти идеи кажутся разумными, пока не начнешь вникать глубже в то, что из них следует. Давайте сначала обратимся ко второму постулату – свет для всех движется с одинаковой скоростью – и проведем простой мысленный эксперимент.

Представьте, что вы находитесь на пустой сельской дороге и к вам приближается машина. Звуковые волны от мотора достигнут вас до появления машины, поскольку перемещаются быстрее самой машины, однако их скорость будет зависеть от того, насколько быстро смогут их передавать вибрирующие молекулы; эти волны не доберутся до вас быстрее, даже если машина прибавит скорость. Изменится лишь то, что длина этих волн станет короче. В этом заключается хорошо известный эффект Доплера: по мере того как машина приближается, а потом удаляется от нас, мы ощущаем изменение в высоте звука мотора. Когда звук слабеет, источник волн удаляется, поэтому волны доходят до нас все более растянутыми, отсюда и более низкий тон. Таким образом, хотя длина звуковой волны зависит от скорости источника звука, скорость распространения самих волн по отношению к нам (то есть время, за которое они нас достигнут) не изменится, если только мы не начнем двигаться в пространстве по направлению к приближающейся машине. Пока, надеюсь, все понятно.

Свет – это совсем другое. Для движения ему не нужна среда. Это значит, у нас нет возможности измерить его скорость по отношению к среде и ни у кого нет привилегии, позволяющей утверждать, что он находится в истинном покое и поэтому может измерить «истинную» скорость света. На этом основании Эйнштейн сделал вывод, что скорость света следует считать постоянной, вне зависимости от того, с какой скоростью мы передвигаемся относительно друг друга (конечно, при условии, что при измерении скорости света вдалеке от нас мы не испытываем положительного или отрицательного ускорения)[14].

Теперь представьте себе две ракеты, которые сближаются друг с другом со скоростью, близкой к световой. Астронавт на борту одной из ракет посылает световой импульс навстречу второй, измеряя при этом скорость перемещения этого импульса. Поскольку астронавт может на совершенно законном основании утверждать, что находится в состоянии покоя, тогда как все движение происходит за счет второй ракеты, он должен видеть, как свет удаляется от него со своей обычной скоростью, то есть со скоростью чуть более миллиарда километров в час[15], и именно это он и наблюдает. А астронавт во второй ракете может с тем же основанием полагать, что он без всякого движения «подвешен» в пространстве.