Страница 16 из 163
Решение Эйнштейна состояло в следующем: Нет ни абсолютного пространства, ни абсолютного времени. Ньютоновский фундамент, на котором была построена вся физика, треснул. А что касается эфира, то его просто не существует.
Отрицая абсолютное пространство, Эйнштейн сделал совершенно бессмысленным само представление о «состоянии покоя в абсолютном пространстве». Невозможно обнаружить движение Земли через абсолютное пространство, заявил он, и именно поэтому результаты опытов Майкельсона — Морли таковы, каковы они есть. Скорость движения Земли можно измерить только относительно других тел, таких как Солнце или Луна, точно так же, как скорость поезда может быть измерена лишь относительно каких-то материальных объектов, например, земли или воздуха. Ни к Земле, ни к поезду, ни к чему-то другому не может быть применено понятие абсолютного движения; движение всегда относительно.
Отрицая абсолютное пространство, Эйнштейн также отверг утверждение, что все наблюдатели, независимо от своего движения, должны получать одинаковые результаты при измерении длины, ширины и высоты одного и того же стола, поезда и любого другого объекта. Наоборот, утверждал он, длина, ширина и высота — это относительные понятия. Их величины зависят от относительного движения измеряемого объекта и того, кто производит измерения.
Отрицая абсолютное пространство, Эйнштейн отрицал и то, что течение времени одинаково для всех, вне зависимости от того, кто как движется. Время относительно, заявил он. Для людей и предметов, движение которых отличается, оно также течет по-разному.
От таких утверждений появляется ощущение, что почва уходит из-под ног. Действительно, они не только подрывали основы всей ньютоновской физики, но и противоречили повседневному опыту, привычным представлениям о пространстве и времени.
Но Эйнштейн оказался не только разрушителем, но и созидателем. Взамен старого фундамента физики он построил новый, не менее прочный, который, как оказалось, гораздо точнее соответствует реальному устройству мира. Этот фундамент состоял из двух основных принципов.
• Принцип абсолютности скорости света: Независимо от своей природы пространство и время должны быть таковы, чтобы скорость света была абсолютно одинакова во всех направлениях и совершенно не зависела от движения тех, кто ее измеряет.
Этот принцип означал, что результат экспериментов Майкельсона — Морли верен и, независимо от того, насколько точнее станет техника измерения скорости света в будущем, он останется прежним: скорость света постоянна.
• Принцип относительности: Законы физики любой природы должны быть одинаковы для любой системы и независимы от ее движения (в физике принято говорить: «в любой системе отсчета»).
Этот принцип исключал возможность существования абсолютного пространства, поскольку, если бы законы физики были различны в различных системах отсчета (например, относительно Земли и относительно Солнца), физики могли бы выбрать «предпочтительную систему» (скажем, связанную с Солнцем) и определить относительно нее состояние «абсолютного покоя». Таким образом, понятие абсолютного пространства снова вкрадывалось бы в физику. Далее мы еще вернемся к этой проблеме.
Исходя их абсолютности скорости света, Эйнштейн вывел изящное. заключение, иллюстрация которого приведена на Врезке 1.1, и суть его в том, что, если мы с Вами движемся друг относительно друга, то то, что я называю пространством, оказывается смесью вашего пространства и вашего времени, а то, что вы считаете пространством, есть смесь моего пространства и моего времени.
Это «перемешивание пространства и времени» аналогично перемешиванию направлений на Земле. Природа дает два способа определения направлений: один связан с осью вращения Земли, а другой — с ее магнитным полем.
В Пасадене (Калифорния) направление на магнитный северный полюс, определенное по стрелке магнитного компаса, сдвинуто к востоку от направления на географический северный полюс (направления вдоль оси вращения Земли) примерно на 20 градусов (см. рис. 1.2). Это означает, что для того чтобы плыть к магнитному северному полюсу, надо частично (на 80 процентов) плыть на север и частично (на 20 процентов) — на восток. В этом смысле магнитный север есть смесь географического севера и географического востока, аналогичным образом, географический север можно считать смесью магнитного севера и магнитного запада.
Для того чтобы понять, что такое перемешивание пространства и времени {то, что я называю пространством, оказывается смесью вашего пространства и вашего времени, а то, что вы считаете пространством, есть смесь моего пространства и моего времени), представьте себе, что у вас есть спортивный автомобиль. Вы мчитесь посреди ночи по бульвару Колорадо в Пасадене (Калифорния) с огромной скоростью, а я, полицейский, в это время дежурю на обочине. Вы установили на крышу машины конструкцию, на которой закреплены петарды, так что первая из них оказалась над капотом, а последняя — над багажником (см. рис. 1.3а). Вы подвели к петардам электрическое зажигание и хотите взорвать их одновременно в тот момент, когда будете проезжать мимо моего полицейского поста.
1.2. Магнитный север можно считать смесью географического севера и географического востока, а географический север — смесью магнитного севера и магнитного запада.
На рис. 1.3б приведена диаграмма, которая иллюстрирует ситуацию с вашей точки зрения. По вертикали откладывается время, измеряемое вами («ваше время»), а по горизонтали — расстояние, измеряемое вами вдоль вашей машины («ваше пространство»). Поскольку все петарды неподвижны в вашем пространстве (закреплены на вашей машине), следовательно, течение вашего времени оставляет в вашем пространстве их на одних и тех же расстояниях. Этому соответствуют штриховые линии на диаграмме, по одной для каждой петарды. Они тянутся вертикально, снизу вверх, не отклоняясь ни вправо, ни влево, и обрываются на одной высоте, которая соответствует моменту взрыва. Каждое такое событие (взрыв петарды) изображено звездочкой.
Такой рисунок, на котором горизонтальное направление изображает пространство, а вертикальное — время, называется пространственно-временной диаграммой. Штриховые линии на нем называются мировыми линиями, потому что они показывают, как петарды «путешествуют по миру» в процессе течения времени. Далее в этой книге мы будем часто пользоваться пространственно-временными диаграммами и мировыми линиями.
1.3. (а) Ваша спортивная машина несется по бульвару Колорадо с закрепленными на крыше петардами. (6) Пространственно-временная диаграмма движения и взрывов петард с вашей точки зрения (движущейся вместе с машиной). (в) Пространственно-временная диаграмма, показывающая то же движение и взрывы петард с моей точки зрения (покоящейся на полицейском посту).
Движение по горизонтали на этой диаграмме соответствует движению через пространство в фиксированный момент вашего времени. Поэтому можно считать, что любая горизонтальная линия изображает пространство, как его видите вы («ваше пространство») в некоторый момент времени. Например, пунктирная линия на рисунке — это ваше пространство в момент взрыва петард. Движение по вертикали на диаграмме соответствует движению по времени в фиксированной точке вашего пространства. Соответственно, удобно считать, что каждая вертикальная линия на пространственно-временной диаграмме (например, мировая линия петард) — это изображение течения вашего времени в некоторой точке вашего пространства.