Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Из него можно извлечь лишь такой же урок, что и из шутки о двух моряках, но только урок этот касается не пространства, а времени. Один ученый открывает способ ускорения всех процессов в своем организме. Его сердце бьется чаще, его мозг работает быстрее и так далее. Вы догадываетесь, что произойдет. Все в мире кажется ему замедлившимся почти до полной остановки. Ученый выходит погулять и двигается медленно, чтобы из-за трения о воздух не воспламенились его брюки. Улица полна людей-статуй. Мужчина застыл в тот момент, когда он подмигивал двум проходящим девушкам. В парке играет оркестр, издавая низкое, хрипящее дребезжание.

Пчела жужжит в воздухе, двигаясь со скоростью улитки.

Давайте проведем еще один мысленный эксперимент. Предположим, что в определенный момент все в космосе начинает двигаться медленнее или быстрее или полностью останавливается на несколько миллионов лет, приходя затем снова в движение. Удастся ли заметить это изменение? Такого эксперимента, с помощью которого удалось бы заметить это, не существует. Время, подобно расстоянию в пространстве, относительно.

Многие другие понятия, известные из повседневной жизни, относительны. Рассмотрим понятия «вверх» и «вниз». В прошлые века людям было нелегко понять, почему человек на противоположной стороне Земли висит вниз головой и вся кровь не приливает ему к голове. Дети и теперь сталкиваются с такой трудностью, узнав впервые, что Земля круглая.

Если бы Земля была сделана из прозрачного стекла и вы смогли бы взглянуть в телескоп прямо сквозь нее, вы действительно увидели бы людей, стоящих вниз головой, ногами на стекле. То есть, они казались бы стоящими вниз головой по отношению к вам.

Разумеется, вы казались бы стоящими вниз головой по отношению к ним. На Земле направление «вверх» — это направление от центра Земли. Направление «вниз» — к центру Земли. В межзвездном пространстве нет абсолютного верха и низа, поскольку там нет планеты, которая могла бы служить «системой отсчета».

Представим себе космический корабль в форме огромного бублика, движущийся в солнечной системе. Он вращается, так что центробежная сила создает искусственное гравитационное поле. Находясь внутри корабля, космонавты могут ходить по наружной стенке этого бублика как по полу. Для них «вниз» — это от центра корабля, «вверх» — к центру, т. е. прямо противоположно тому, что имеет место на вращающейся планете.

Таким образом, вы видите, что во Вселенной нет абсолютного «верха» и «низа». Вверх и вниз — это направления по отношению к направлению действия гравитационного поля. Было бы бессмысленно говорить, что, пока вы спали, вся Вселенная перевернулась вверх ногами, поскольку нет ничего, что могло бы служить системой отсчета при решении вопроса о том, какое положение заняла Вселенная.

Другой тип изменения, которое также относительно, — это изменение объекта при его зеркальном отражении. Если заглавную букву R напечатать наоборот, как Я, то вы сразу же увидите, что это зеркальное отражение буквы R. Но если вся Вселенная (включая вас) внезапно станет зеркально отраженной, то у вас не будет способа обнаружить подобное изменение. Конечно, если бы только один человек превратился в свое зеркальное отражение (об этом Г. Уэллс также написал рассказ под названием «Рассказ Плэттнера»), а Вселенная осталась бы прежней, то ему показалось бы, что все стало наоборот. Чтобы прочесть книгу, он должен был бы подносить ее к зеркалу, подобно Алисе в Зазеркалье,[1] ухитрявшейся читать напечатанную зеркально отраженными буквами поэму «Jabberwocky», держа ее перед зеркалом. Но если бы все стало наоборот, то никаким экспериментом не удалось бы обнаружить это изменение. Было бы так же бессмысленно говорить, что имело место подобное обращение, как сказать, что Вселенная перевернулась или удвоилась в размерах.

Абсолютно ли движение? Существует ли какой-либо класс экспериментов, который с определенностью показал бы, движется объект или покоится?

Является движение еще одной относительной категорией, судить о которой можно, только сопоставляя местоположение одного предмета с местоположением другого? Или же движению присуще нечто своеобразное, что делает его отличным от относительных категорий, рассмотренных выше?

Остановитесь и внимательно подумайте над этим некоторое время, прежде чем переходить к следующей главе. Отвечая именно на такие вопросы, Эйнштейн развил свою знаменитую теорию относительности. Его теория так революционна, так противоречит «здравому смыслу», что даже сегодня имеются тысячи ученых (в том числе и физиков), для которых понимание ее основных положений сопряжено с такими же трудностями, с какими сталкивается ребенок, пытаясь понять, почему люди в южном полушарии не падают с Земли.

Если вы молоды, то имеете большие преимущества перед этими учеными. В вашем мозгу еще не выработались те глубокие колеи, по которым мысль так часто бывает вынуждена двигаться. Но, каким бы ни был ваш возраст, если вы готовы поупражнять свои умственные силы, то нет причин, которые помешали бы вам научиться чувствовать себя как дома в этом новом странном мире относительности.

2. Эксперимент Майкельсона—Морли

Относительно ли движение? После некоторого размышления вы могли бы склониться к ответу: «Да, конечно!» Представьте себе поезд, движущийся на север со скоростью 60 км/ч. Человек в поезде идет на юг со скоростью 3 км/ч. В каком направлении он движется и какова его скорость? Совершенно очевидно, что на этот вопрос нельзя ответить, не указав системы отсчета. По отношению к поезду человек движется на юг со скоростью 3 км/ч. По отношению к Земле он движется на север со скоростью 60 минус 3, т. е. 57 км/ч.

Можно ли сказать, что скорость человека по отношению к Земле (57 км/ч) является его истинной, абсолютной скоростью? Нет, потому что имеются и другие, еще более крупномасштабные системы отсчета. Сама Земля движется. Она вращается вокруг своей оси и в то же время движется вокруг Солнца.

Солнце вместе со всеми своими планетами движется внутри Галактики. Галактика вращается и движется по отношению к другим галактикам. Галактики, в свою очередь, образуют сгустки галактик, движущиеся друг относительно друга. Никто не знает, насколько далеко на самом деле может быть продолжена эта цепь движений. Нет очевидного пути определить абсолютное движение какого-либо предмета; иными словами, нет такой фиксированной, окончательной системы отсчета, по отношению к которой можно было бы измерять все движения. Движение и покой, подобно большому и малому, быстрому и медленному, верху и низу, левому и правому, по-видимому, полностью относительны. Нет иного пути измерить движение какого-либо предмета, кроме как сравнивая его движение с движением другого предмета.

Увы, это не так просто! Если бы можно было ограничиться лишь тем, что уже сказано об относительности движения, то не было бы необходимости в создании Эйнштейном теории относительности.

Причина сложности в следующем: имеется два очень простых способа обнаружения абсолютного движения. В одном из методов используются свойства света, в другом — различные явления инерции, возникающие при изменении движущимся предметом траектории или скорости. Специальная теория относительности Эйнштейна имеет дело с первым методом, а общая теория относительности — со вторым.

В этой и двух следующих главах будет рассматриваться первый метод, который может служить ключом к пониманию абсолютного движения, метод, использующий свойства света.

В девятнадцатом веке, еще до Эйнштейна, физики представляли себе пространство наполненным особым неподвижным и невидимым веществом, названным эфиром. Часто его называли «светоносным» эфиром, имея в виду, что он является носителем световых волн. Эфир заполнял всю Вселенную.

Он проникал во все материальные тела. Если бы весь воздух был откачан из-под стеклянного колокола, колокол был бы наполнен эфиром. А как иначе свет мог бы пройти через вакуум? Свет — это волновое движение. Следовательно, должно быть что-то, в чем происходят колебания. Сам эфир, хотя в нем и существуют колебания, редко (если не никогда) движется по отношению к материальным предметам, скорее все предметы движутся сквозь него, подобно движению сита в воде. Абсолютное движение звезды, планеты или какого-либо другого предмета упростится (в этом физики той эпохи были уверены), если движение рассматривать по отношению к такому неподвижному, невидимому эфирному морю.

Но, спросите вы, если эфир нематериальная субстанция, которую нельзя видеть, слышать, чувствовать, обонять или пробовать ни вкус. Но так можно рассматривать движение, например, Земли по отношению к нему? Ответ прост. Измерения могут быть выполнены путем сравнения движения Земли с движением светового пучка.