Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Двадцать с лишним лет назад, когда моя дочка была совсем маленькой, я впервые задумался над разрешением парадокса, с которым пытался справиться молодой Эйнштейн, и хороший пример буквально свалился мне на голову, когда я вез малышку в машине.

Галилей показал, что, пока я веду машину безопасно и с постоянной скоростью, не допуская резких ускорений, законы физики в нашей машине должны быть неотличимы от тех же законов физики, измеренных в лабораториях физического института, куда я ехал на работу. Скажем, если у дочки на заднем сиденье была игрушка, то она могла подбросить ее в воздух и поймать без всяких неожиданностей. Интуитивные навыки, наработанные ее телом в играх дома, ничуть не хуже служили ей и в машине.

Однако поездка в машине не усыпляла девочку, как это происходит со многими маленькими детьми, а, напротив, возбуждала и тревожила ее. Во время той поездки ее затошнило и в конце концов вырвало, причем рвотные массы полетели по траектории, прекрасно описанной Ньютоном, с начальной скоростью, скажем, в пятнадцать миль в час; эта чудесная параболическая траектория закономерно завершилась на моем затылке.

Представим, что моя машина в тот момент подъезжала к светофору с относительно небольшой скоростью, скажем, в десять миль в час. Тогда наблюдатель на тротуаре, видевший все это, заметил, что рвотные массы ребенка летят со скоростью 25 миль в час: скорость машины относительно наблюдателя (10 миль в час) плюс скорость масс (15 миль в час), а их траектория при движении к моему (на этот раз движущемуся) затылку опять же хорошо описывалась бы Ньютоном уже при этой более высокой (25 миль в час) начальной скорости.

Пока все в порядке. Однако здесь есть проблема. Теперь, когда моя дочь стала старше, она обожает водить машину. Представим себе, что она едет следом за машиной приятеля, одновременно разговаривая с ним по сотовому телефону (при помощи гарнитуры, для безопасности), и хочет сказать ему, что нужно повернуть направо, чтобы попасть туда, куда они вместе едут. Она говорит по телефону, и электроны в нем скачут туда-сюда, порождая электромагнитную волну (в микроволновом радиодиапазоне). Волна проходит до сотового телефона ее приятеля со скоростью света (на самом деле она, быть может, успевает подняться до спутника, а затем ее излучают оттуда вниз, но забудем пока про эти сложности), и тот, вовремя получив информацию, успевает сделать нужный поворот.

Итак, что в этой ситуации измерит стоящий у дороги наблюдатель? Здравый смысл подсказывает, что радиосигнал должен двигаться от машины моей дочери до машины ее приятеля со скоростью света, которую можно было бы измерить прибором в машине моей дочери (обозначим эту скорость c), плюс скорость машины.

Но здравый смысл обманчив именно потому, что основывается на повседневном опыте. В обычной жизни мы не измеряем время, за которое свет, или микроволновое излучение, перемещается из одного угла комнаты в другой или из одного телефона в другой неподалеку. Если бы здравый смысл был здесь применим, то наблюдатель на обочине измерил бы (при помощи сложного оборудования), как прыгают туда-сюда электроны в телефоне моей дочери, и увидел бы, как излучается микроволновый сигнал; этот сигнал двигался бы со скоростью c плюс, скажем, 10 миль в час.

Однако великий триумф Максвелла заключался в том, что ему удалось показать: скорость электромагнитных волн, излученных колеблющимся зарядом, можно вычислить, просто измерив величину электрической и магнитной сил. Следовательно, если для наблюдателя на обочине дороги волны двигались бы со скоростью c плюс 10 миль в час, то значения электрической и магнитной сил для него отличались бы от значений, наблюдаемых моей дочерью, для которой волны двигались бы со скоростью c.

Но Галилей говорит нам, что это невозможно. Если бы измененные значения электрических и магнитных сил различались для двух наблюдателей, то можно было бы сказать, кто из них движется, а кто нет, поскольку законы физики – в данном случае электромагнетизма – содержали бы разные значения для каждого из наблюдателей.

Таким образом, прав мог быть либо Галилей, либо Максвелл, но не оба одновременно. Возможно потому, что Галилей работал во времена более примитивной науки, большинство физиков склонялось на сторону Максвелла. Они решили, что во Вселенной, должно быть, имеется некая абсолютная покоящаяся система отсчета и что расчеты Максвелла приложимы только к этой системе. А по отношению ко всем наблюдателям, движущимся по отношению к этой системе, электромагнитные волны должны иметь иную скорость, нежели вычисленная Максвеллом.