Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер

Первым достижением Эйнштейна была частная теорияотносительности (из-за неправильного перевода с немецкого, раньше ее называли специальной теорией относительности). Частная теория относительности является описанием наблюдений, которые производят люди, находящиеся в равномерном относительном движении без ускорения. Центральным замечанием Эйнштейна было замечание о том, что для наблюдателя, находящегося в равномерном движении, невозможно, не выглядывая из окна, определить, движется он или нет. Это заключение Эйнштейн сжато выразил утверждением, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны.«Инерциальная система отсчета» — это просто подмостки, движущиеся с постоянной скоростью по прямой линии. У Галилея в начале семнадцатого века возникла та же идея, когда он вообразил путешествие в каюте без окон на лодке, плывущей по спокойному морю: он не смог представить себе никакого эксперимента, позволяющего определить, движется ли лодка. Чтобы найти современный пример инерциальной системы отсчета, мы можем представить себе эксперименты, которые мы проводим в кабине космического аппарата, находящегося в свободном полете: если у нас нет связи с внешним миром, мы не сможем определить, движется ли он. Решающей разницей между Галилеем и Эйнштейном, а также между двумя разделяющими их веками оказалось то, что в распоряжении Эйнштейна была информация об электричестве и магнетизме, так же как о динамике движущихся тел (маятников и так далее).

Чтобы понять значение идеи Эйнштейна об эквивалентности инерциальных систем отсчета, представим себе, что вы и я, являемся авторами учебников. Я полагаю, что я неподвижен в лаборатории, где я провожу серию экспериментов; вы думаете, что вы находитесь в лаборатории, движущейся относительно меня по прямой линии со скоростью 1 000 000 000 километров в час (км/ч; эта скорость соответствует примерно 93 процентам от скорости света, путешествие вокруг Земли с этой скоростью заняло бы 0,14 сек.). В отличие от других авторов, которые, чтобы составить свои тексты, полагаются на работы других, мы решили сами выполнить все классические эксперименты — бросание Галилеем камушков с падающей башни в Пизе, открытие Фарадеем электромагнитной индукции, бесплодные поиски Майкельсона и Морли свидетельств движения через эфир и так далее. С точки зрения Эйнштейна, каждый из нас написал бы по существу один и тот же учебник, несмотря на тот факт, что вы путешествуете относительно меня со скоростью 1 000 000 000 км/ч. Наши слова, конечно, были бы различными, но курсы физики, которым мы обучаем, были бы неразличимыми. Если бы мы обменялись учебниками, я смог бы пользоваться вашим, а вы моим. Эквивалентность наших учебников распространяется на всю физику, не только на движущиеся частицы (Галилей), но также на электричество и магнетизм (Эйнштейн).

Теперь мы подходим к центральному пункту. Многие уравнения физики, в частности описывающие электричество и магнетизм, зависят от скорости света с. Проблема в следующем. В моих главах, посвященных электромагнетизму, используемые мною выражения требуют некоторого значения с, которое я измерил в моей лаборатории. Выражения, которые используете вы в своей главе, также содержат определенное значение с, и, чтобы я мог преподавать физику по вашему учебнику, значение величины с, которое измерили вы, должно быть в точности тем же самым, что измерил я. Другими словами, когда вы измеряете с, вы получаете то же значение, что и я, хотя вы двигаетесь со скоростью 1 000 000 000 км/ч относительно меня. Только в этом случае ваш учебник будет согласован с моим.

Тот факт, что наблюдатели в разных инерциальных системах отсчета (вы и я) получают при измерении одну и ту же скорость света, имеет глубочайшие следствия для нашего понимания пространства и времени. Например, он разрушает понятие универсальной одновременности и уничтожает концепцию пространства как только арены. Поскольку эти замечания разрушают все, во что мы привыкли верить, настает решающий момент для пересмотра нашего понимания природы. Нам необходимо увидеть более точно, что из этого следует.

Как это может быть, что вы получаете в измерении то же значение с, хотя вы так быстро двигаетесь относительно меня? Одно объяснение состоит в том, что ваши измерения расстояния и времени отличны от моих. Например, если ваша измерительная линейка короче, чем моя, а ваши часы идут медленнее, то значения, измеренные вами, будут отличаться от моих, хотя мы и наблюдаем одно и то же явление. Таким образом, может быть, что «толчок», который вы даете лучу света, излучаемому из лампы, движущейся на 1 000 000 000 км/ч быстрее моей, гасится этими видоизменениями вашего восприятия пространства и времени. То есть толчок, даваемый свету вашим движением, может быть полностью погашен этим изменением восприятия. Такие видоизменения уже предлагались ранее ирландским физиком Джорджем Фитцджеральдом (1851-1901) и голландским физиком Хендриком Лоренцом (1853-1928) и были известны как сокращение Лоренца-Фитцджеральда. Достижение Эйнштейна заключалось в том, что он дал их чисто ситуационному предположению более твердую и глубокую теоретическую основу, предложив считать его следствием геометрии времени и пространства.

Эйнштейн проник в самое сердце материи. Хотя он и не выражал это таким способом, мы можем вообразить, что землемеров Хаммурапи поджимало время, и они производили свои измерения на бегу, пересекая поля. Однако землемеры, бегущие с разными скоростями через одни и те же поля, докладывали бы о разных длинах диагоналей, и формула Хаммурапи для расстояниябыла бы теперь непригодна, ибо разные землемеры сообщали бы для нее разные величины, зависящие от того, как быстро они бежали и в каком направлении. Вспышка озарения — и наш фиктивный Хаммурапи и наш реальный Эйнштейн объявили, что сообщений о положении точек в пространстве теперь недостаточно: с этого момента землемеры должны докладывать не только о положении точки, но и о моменте времени, в который, согласно показаниям их часов, это положение регистрировалось. Такую пару измерений мы называем событием. Эйнштейн предложил считать, что истинным «инвариантом», величиной, относительно которой согласны все, независимо от скорости их движения, является интервалмежду двумя событиями. Интервал между двумя событиями, разделенными в пространстве расстоянием(измеренным отдельным землемером) и разделенными во времени временем(измеренным тем же землемером) определяется как:

интервал 2= (c × время) 2− расстояние 2,

где расстояниевычисляется с помощью выражения, которое мы использовали ранее. Поскольку расстояние между положениями двух событий в пространстве, измеренное вами, меньше, чем расстояние, которое измеряю я, а интервал должен быть тем же самым, время между этими двумя событиями для вас тоже должно быть меньше, чтобы сохранить величину разности (c × время) 2− расстояние 2. Иными словами, для вас время бежит медленнее, чем для меня. Время, которое каждый из нас измеряет, называется нашим собственным временем: я полагаю, что ваше собственное время бежит медленней моего собственного времени. Поскольку вы считаете, что это я двигаюсь относительно вас, вы тоже полагаете, что мое собственное время бежит медленней вашего. Предложение Эйнштейна требует удивительного пересмотра нашего понимания времени и пространства. Во-первых, оно уничтожает понятие универсальной одновременности: у наблюдателей в разных инерциальных системах отныне нет возможности достичь согласия о том, являются ли два события одновременными. Чтобы оценить это заключение, предположим, что вы находитесь в космическом корабле, который, как вы знаете, имеет длину 100 м. Вы мчитесь мимо меня со скоростью 1 000 000 000 км/ч. Я замечаю положения двух концов космического корабля в данный момент и нахожу, что между ними всего 38 м. Расстояние во времени между моими двумя событиями (двумя измерениями) равно нулю, поскольку они одновременны, поэтому интервал между ними равен измеренному мною расстоянию в пространстве, которое равно 38 м. Вы знаете, что длина вашего космического корабля равна 100 м, поэтому, чтобы интервал был таким же, время между этими двумя событиями, измеренное вами, не может быть нулевым. В действительности вы думаете, что время между двумя моими измерениями равно 0,31 микросекунды (0,31 мс)! Короче, вы не считаете эти два события одновременными. Надежность понятия одновременности исчезла, так как никакие два наблюдателя, равномерно движущиеся друг относительно друга, не могут достичь согласия о том, являются ли два события одновременными. Иными словами, прощай, ньютоновское понимание абсолютного пространства и времени.