Страница 18 из 163
Как удалось Эйнштейну прийти к столь неожиданному описанию пространства и времени?
Он не анализировал результаты экспериментов. Часы того времени были недостаточно точны, чтобы обнаружить замедление времени и расхождения, касающиеся одновременности, при доступных тогда скоростях не существовало и методов измерения длины, способных зафиксировать ее сокращение. Единственными опытами, имевшими отношение к данной проблеме, были эксперименты Майкельсона— Морли и им подобные, которые показывали, что скорость света на поверхности Земли может быть одинаковой во всех направлениях. Конечно же, этой информации было слишком мало, чтобы на ее основании полностью изменить свои представления о пространстве и времени! Более того, известно, что Эйнштейн не обращал особого внимания на эти опыты. Вместо этого он опирался на свое собственное, интуитивное представление о том, как природа должна быть устроена. После долгих размышлений ему стало очевидно, что скорость света должна быть универсальной константой, не зависящей от направления и движения чего-либо. Лишь в этом случае, понял он, уравнения Максвелла для электромагнетизма становятся универсальными, простыми и красивыми (и соответственно, «магнитные силовые линии всегда остаются замкнутыми»). Он был твердо убежден, что Мироздание должно быть основано на простых и красивых законах. Поэтому абсолютность скорости света он сделал новым принципом, на котором должна базироваться вся физика.
Этот принцип уже сам по себе гарантировал, что система физических законов Эйнштейна будет принципиально отличаться от ньютоновской. В ньютоновской физике, где пространство и время были абсолютны, скорость света должна быть относительной и зависеть от того, как движутся источник света и наблюдатель (вспомните пример с птицей и поездом), тогда как Эйнштейн, предположив, что скорость света абсолютна, пришел к выводу, что относительны пространство и время. Согласившись с относительностью пространства и времени, он, стремясь к простоте и красоте физических законов, пришел к своему принципу относительности: Не существует предпочтительного вида движения (например, покоя в абсолютном пространстве); для законов физики все виды движения одинаковы.
Для создания основ новой физики Эйнштейну оказались ненужными не только экспериментальные данные, но и идеи других физиков. Он вообще не обращал особого внимания на то, что делали другие ученые. Похоже, он вообще не читал ни одну из важных технических статей Хендрика Лоренца, Анри Пуанкаре, Джозефа Лармора и других, написанных в период с 1896 по 1905 гг. и посвященных пространству, времени и эфиру.
В этих статьях и Лоренц, и Пуанкаре, и Лармор, так же как и Эйнштейн, продвигались к пересмотру существовавших представлений о пространстве и времени, но для них это продвижение было блужданием в тумане, состоящем из заблуждений, навязанных им ньютоновской физикой. Эйнштейн, напротив, оказался способен отбросить эти заблуждения. Его убежденность в том, что природа любит простоту и красоту, его готовность следовать этому убеждению даже тогда, когда это подрывало основы ньютоновской физики, позволила ему, в отличие от остальных, мыслить ясными и четкими понятиями и привела его к созданию нового описания пространства и времени.
Принцип относительности будет играть важную роль далее в этой книге. Поэтому я хочу посвятить несколько страниц его подробному объяснению.
Для такого объяснения мне потребуется понятие системы отсчета. Система отсчета — это лаборатория, содержащая все измерительные приборы, которые могут потребоваться для проведения любых экспериментов. Эта лаборатория и все ее оборудование должны двигаться через Вселенную как одно целое, иными словами, все ее части должны двигаться одинаково. Основным является именно то, как движется система отсчета. Когда физики говорят о «различных системах отсчета», они имеют в виду системы отсчета, которые по-разному движутся, а вовсе не лаборатории с разным оборудованием.
Лаборатория и приборы системы отсчета не обязательно должны быть реальными. Они, естественно, могут быть воображаемыми, существующими лишь в сознании физика, который, например, задает вопрос: «Если бы я, находясь на борту космического корабля, летящего в поясе астероидов, стал измерять размер одного из них, что бы у меня получилось?». Этот физик просто представляет себе, что у него есть система отсчета (лаборатория), связанная с космическим кораблем, и что он использует приборы в этой лаборатории для проведения своих измерений.
Эйнштейн сформулировал свой принцип относительности не для произвольных систем отсчета, а для совершенно определенного класса систем: систем (лабораторий), на которые не действуют никакие внешние силы и которые, следовательно, движутся свободно (по инерции), сохраняя свое движение равномерным, таким, как оно было вначале. Такие системы Эйнштейн назвал инерциальными, поскольку их движение определяется исключительно их инерцией.
Система отсчета, связанная с взлетающей ракетой (лаборатория внутри этой ракеты), не является инерциальной, поскольку ее движение определяется как инерцией, так и реактивной тягой. Эта тяга приводит к тому, что движение ракеты не равномерно. Система отсчета, связанная с космическим челноком, который входит в земную атмосферу, также неинерциальная, поскольку трение между обшивкой челнока и молекулами воздуха тормозит челнок, делая и его движение неравномерным.
Самое главное, рядом с любым массивным телом, например, таким, как Земля, все системы отсчета оказываются под воздействием гравитационного тяготения. Экранировать систему отсчета (так же, как и любой другой предмет) от гравитационного тяготения невозможно. Таким образом, ограничиваясь лишь инерциальными системами отсчета, тогда, в 1905 г., Эйнштейн исключил из рассмотрения физические проблемы, в которых была важна гравитация[51]; он рассматривал идеализированную модель Вселенной, в которой гравитации вообще не было. Предельные идеализации, подобные этой, чрезвычайно важны для прогресса в физике: вначале мы отбрасываем свойства Вселенной, которые слишком сложны для рассмотрения, и возвращаемся к ним, лишь полностью разобравшись с оставшимися более простыми. Эйнштейн завершил свое описание идеализированной Вселенной, лишенной гравитации, в 1905 г. После этого он взялся за более сложную задачу: описание свойств пространства и времени в нашей реальной Вселенной, в которой есть гравитация. В результате он пришел к заключению, что гравитация искажает пространство и время.
Понимание того, что такое система отсчета, дает нам возможность более глубоко и точно сформулировать принцип относительности Эйнштейна: Если какой-либо физический закон получен применительно к измерениям в одной инерциальной системе отсчета, то применительно к измерениям в любой другой инерциальной системе отсчета этот закон должен иметь точно такую же математическую и логическую форму. Другими словами, с точки зрения законов физики все инерциальные системы отсчета (или все виды равномерного движения) одинаковы. Приведем в качестве примера два физических закона, чтобы сделать это более понятным:
• «Любое свободное тело (такое, на которое не действуют никакие силы), которое изначально находилось в состояния покоя, будет всегда оставаться в покое. Любое свободное тело, которое в инерциальной системе отсчета изначально двигалось, будет продолжать двигаться прямолинейно с постоянной скоростью.» Поскольку у нас есть все основания считать, что данная релятивистская формулировка первого закона Ньютона справедлива, по крайней мере, в одной инерциальной системе отсчета, то, согласно принципу относительности, она должна быть справедлива во всех остальных таких системах, независимо от того, в каком месте Вселенной они находятся и как быстро они движутся.
51
Это значит, что с моей стороны было несколько некорректно использовать в качестве примера спортивный автомобиль, также находящийся под воздействием земного тяготения. Однако поскольку это тяготение направлено перпендикулярно направлению движения автомобиля (вниз), то, оказывается, что оно не влияет на эффекты, которые обсуждались в этом примере.