Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

я действительно имею в виду «пустая», в смысле «ничего не содержащая», с вакуумом внутри – движется в вакууме, содержащемся в большей коробке. Остается ли пустое пространство внутри маленькой коробки неизменным во время ее движения, или коробка занимает различные пространства внутри большей коробки? На этот вопрос легко ответить, если мы заменим «пустое пространство» внутри герметичной маленькой коробки водой. Когда коробочка движется внутри большего объема воды, можно утверждать, что внутри нее сохраняются все те же молекулы воды, причем по мере движения она вытесняет воду снаружи. А что, если там нет воды? И что, если теперь мы уберем физические стенки обеих коробок и все остальное в воображаемой Вселенной так, что останется только пустота? Будет ли эта пустота чем-то значимым? Существует ли пустота для того, чтобы быть заполненной материей, или для того, чтобы быть ограниченной стенками коробки? Возможно, я задаю один и тот же вопрос, просто меняя формулировки, но это только потому, что он совсем не тривиальный.

Исаак Ньютон полагал, что пространство должно существовать для того, чтобы в нем содержалась материя и энергия, чтобы в нем происходили события. Он утверждал: пространство – это пустое ничто, независимо от законов физики, которые управляют поведением материи и энергии внутри этого пространства. Для Ньютона пространство – это холст, на котором написана реальность. Ибо как без пространства – и, конечно же, времени, к которому можно прикрепить события, – приписать событиям координаты, по которым их удалось бы определить? Безусловно, они должны случаться «в определенной точке» пространства и «в определенный момент» времени. Как «застолбить» реальность, если у вас нет абсолютного пространства и времени?

Но прав ли был Ньютон? Сегодня мы можем сказать: и да и нет. (Простите.) Прав в том смысле, что пространство реально – это больше, чем просто расстояние между предметами, как утверждал Декарт. И не прав в том смысле, что пространство существует абсолютно, независимо от того, что оно содержит.

Кажется, что эти два утверждения противоречат друг другу… но это только пока вы не узнаете об эйнштейновской относительности. Эйнштейн доказал, что абсолютное время и абсолютное пространство не существуют как отдельные субстанции. И чтобы разобраться, зачем это следует понимать, я должен познакомить вас с первой из двух теорий относительности.

Специальная теория эйнштейна

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