Мартин Гарднер - Теория относительности для миллионов

Отметим постоянное повторение в последнем абзаце слова «равномерное». Равномерное движение — это движение по прямой линии с постоянной скоростью. Неравномерное, или ускоренное, движение — это движение, которое убыстряется или замедляется (когда оно замедляется, говорят, что ускорение отрицательно), или движение по пути, не являющемся прямой линией. Об ускоренном движении специальная теория относительности не может сказать ничего нового.

Относительность равномерного движения кажется достаточно безобидной, но в действительности она немедленно погружает нас в странный новый мир, который поначалу более всего напоминает бессмысленный мир за зеркалом Льюиса Кэролла. Ибо если не существует способа измерить равномерное движение относительно универсальной неподвижной системы отсчета, подобной эфиру, то тогда свет должен вести себя совершенно фантастическим образом, противоречащим всякому опыту.

Рассмотрим космонавта в космическом корабле, который летит вдоль светового луча. Корабль движется со скоростью, равной половине скорости света.

Если космонавт произведет соответствующие измерения, он обнаружит, что луч все равно проходит мимо него со своей обычной скоростью 300 000 км/сек. Подумайте об этом немного и вы вскоре поймете, что так и должно быть, если понятие эфирного ветра отброшено. Если бы космонавт нашел, что свет движется по отношению к нему медленнее, он обнаружил бы тот самый эфирный ветер, который не удалось обнаружить Майкельсону и Морли. Теперь, если бы его космический корабль летел прямо по направлению к источнику света со скоростью, равной половине скорости света, нашел ли бы он, что луч приближается к нему в полтора раза быстрее? Нет, луч все равно двигался бы навстречу ему со скоростью 300 000 км/с. Как бы он ни двигался относительно луча, его измерения всегда будут давать для скорости луча одну и ту же величину.

Часто можно слышать, что теория относительности делает все в физике относительным, что она разрушает все абсолюты. Ничто не может быть дальше от истины. Она делает относительными некоторые понятия, которые раньше считались абсолютными, но при этом вводит новые абсолюты. В классической физике скорость света была относительной в том смысле, что она должна была меняться в зависимости от движения наблюдателя. В специальной теории относительности скорость света становится в этом смысле новым абсолютом. Неважно, как движется источник света или наблюдатель, скорость света по отношению к наблюдателю никогда не меняется.

Представим себе два космических корабля А и Б.

Пусть в космосе нет ничего, кроме этих двух кораблей. Они движутся навстречу друг другу с постоянной скоростью. Имеется ли какой-нибудь способ, чтобы астронавты на любом из кораблей могли решить, какой из следующих трех случаев является «истинным» или «абсолютным»?

1. Корабль А находится в состоянии покоя, корабль Б движется.

2. Корабль Б находится в состоянии покоя, корабль А движется.

3. Оба корабля движутся.

Эйнштейн дает следующий ответ. Нет, не имеется такого способа. Космонавт на любом из кораблей может, если он хочет, выбрать корабль А в качестве неподвижной системы отсчета. Нет никаких экспериментов, включая опыты со светом или любыми другими электрическими или магнитными явлениями, которые доказали бы, что этот выбор неправилен.

То же самое справедливо, если он выберет корабль Б в качестве неподвижной системы отсчета. Если он предпочитает рассматривать оба корабля движущимися, он просто выберет неподвижную систему отсчета вне этих кораблей, точку, относительно которой оба корабля находятся в движении. Не стоит задаваться вопросом, какой из этих выборов «правилен» и какой нет. Говорить об абсолютном движении любого из кораблей — это значит говорить о чем-то не имеющем смысла. Реально только одно: относительное движение, в результате которого корабли сближаются с постоянной скоростью.

В книге такого рода невозможно углубляться в технические детали специальной теории и особенно в детали, связанные с ее математическим аппаратом.

Мы должны удовлетвориться упоминанием некоторых из наиболее удивительных следствий, которые логически вытекают из того, что Эйнштейн называет двумя «основными постулатами» своей теории:

1. Не существует способа, чтобы установить, находится тело в состоянии покоя или равномерного движения относительно неподвижного эфира.

2. Независимо от движения своего источника свет всегда движется через пустое пространство с одной и той же постоянной скоростью.

(Второй постулат не следует смешивать, как это часто делают, с постоянством скорости света по отношению к равномерно движущемуся наблюдателю. Это положение следует из постулатов.)

Другие физики, конечно, рассматривали оба постулата. Лоренц попытался примирить их в своей теории, к которой абсолютные длины и времена изменялись в результате давления эфирного ветра. Большинство физиков посчитали это слишком радикальным нарушением здравого смысла. Они предпочитали считать, что постулаты несовместимы и по крайней мере один из них должен быть несправедливым. Эйнштейн рассмотрел эту проблему более глубоко. Постулаты несовместимы только в том случае, сказал он, если мы отказываемся отбросить классическую точку зрения, что длина и время абсолютны.

Когда Эйнштейн опубликовал свою теорию, он не знал, что Лоренц думал в том же направлении, но, подобно Лоренцу, он понял, что измерения длины и времени должны зависеть от относительного движения объекта и наблюдателя. Однако Лоренц прошел только половину пути. Он сохранил понятие абсолютной длины и времени для покоящихся тел. Он считал, что эфирный ветер искажает «истинную» длину и время. Эйнштейн прошел этот путь до конца. Эфирного ветра не существует, сказал он. Нет смысла в понятиях абсолютной длины и времени. Это ключ к специальной теории Эйнштейна. Когда он его повернул, всевозможные замки начали медленно открываться.

Чтобы наглядно объяснить специальную теорию, Эйнштейн предложил свой знаменитый мысленный эксперимент. Представим себе, сказал он, наблюдателя М, который стоит около железнодорожного полотна. На некотором расстоянии по направлению движения имеется точка Б. На таком же расстоянии против направления движения имеется точка А. Пусть оказалось, что одновременно в точках А и Б вспыхивает молния. Наблюдатель считает, что эти события одновременны, так как он видит обе вспышки в одно и то же мгновение. Поскольку он находится посередине между ними и поскольку свет распространяется с постоянной скоростью, то он заключает, что молния ударила одновременно в этих двух точках.

Теперь предположим, что, когда ударяет молния, вдоль полотна в направлении от А к Б с большой скоростью движется поезд. В тот момент, когда происходят обе вспышки, наблюдатель внутри поезда — назовем его М' — находится как раз напротив наблюдателя М, стоящего около полотна. Поскольку М' движется в направлении к одной вспышке и удаляется от другой, он увидит вспышку в Б раньше, чем в А. Зная, что он находится в движении, он примет в расчет конечность скорости света и также сделает вывод, что вспышки произошли одновременно.

Все очень хорошо. Но согласно двум основным постулатам специальной теории (подтвержденным опытом Майкельсона — Морли) мы можем с таким же правом предположить, что поезд покоится, тогда как Земля быстро бежит назад под его колесами.

С этой точки зрения М, наблюдатель в поезде, придет к заключению, что вспышка в Б действительно произошла раньше, чем в А, — в той последовательности, в какой он их наблюдал. Он знает, что находится посередине между этими вспышками и, поскольку считает себя покоящимся, вынужден заключить, что вспышка, которую он видел первой, произошла раньше, чем та, которую он видел второй.

М, наблюдатель на Земле, вынужден согласиться.

Правда, он видит вспышки как одновременные, но теперь он предполагается движущимся. Когда он примет в расчет скорость света и тот факт, что он движется навстречу вспышке в А и от вспышки в Б, он сделает вывод, что вспышка в Б должна была произойти раньше.

Следовательно, мы вынуждены заключить, что на вопрос, были ли вспышки одновременными, нельзя ответить каким-то абсолютным образом. Ответ зависит от выбора системы отсчета. Конечно, если два события происходят одновременно в одной и той же точке, то можно абсолютно уверенно сказать, что они одновременны. Когда два самолета сталкиваются в воздухе, нет такой системы отсчета, в которой эти самолеты развалились бы неодновременно. Но чем больше расстояние между событиями, тем труднее решить вопрос об их одновременности. Дело не в том, что мы просто не способны узнать истинное положение дела. Не существует реального истинного положения дела. Нет абсолютного времени для Вселенной, которым можно было бы измерить абсолютную одновременность. Абсолютная одновременность событий, происходящих в разных точках пространства, является лишенным смысла понятием.