Физика – моя профессия

Этот хорошо известный со времен Галилея принцип механики утверждает, что покой нельзя отличить от равномерного прямолинейного движения. И в общем-то хорошо сочетается со «здравым смыслом». Каждый знает по своим ощущениям, что с закрытыми глазами не отличишь покоя от плавного движения корабля или самолета.

Иначе обстоит дело со второй аксиомой. Хотя положение о том, что скорость света оказывается одинаковой для разных наблюдателей вне зависимости от их движения (это и есть вторая аксиома), было в то время физикам известно, оно все же рассматривалось как некий странный опытный факт, в котором еще надо разобраться. Эйнштейн возвел это странное положение дел в ранг аксиомы.

Явление, о котором идет речь, было обнаружено Майкельсоном и Морлеем в 1887 году. Исследователи поставили перед собой задачу сравнить скорость распространения света с востока на запад и с севера на юг. Такое сравнение похоже на сопоставление результатов измерений двух лабораторий – одной, движущейся вместе с нашей планетой, а другой – не участвующей в суточном движении Земли. Опыт показал, что скорость света одинаковая. Результат эксперимента делал непонятным поведение носителя света – всепроникающего невесомого эфира. Различные попытки примирения опыта Майкельсона с физикой XIX века безуспешно продолжались до 1905 года. Эйнштейн разрубил гордиев узел – непонятный факт возводился в принцип, в исходное понятие. Надо было считать это явление фактом, данным нам природой.

Объединение двух аксиом означало совершенно новую формулировку принципа относительности. То, что верно для скорости света, справедливо и для любых других проявлений электромагнетизма. Поэтому, утверждал Эйнштейн, никакими физическими опытами нельзя выделить одну систему из бесконечного числа систем, движущихся равномерно и прямолинейно друг по отношению к другу. Эти системы совершенно равноправны.

К каким же выводам приведут нас эти две аксиомы? Студенты Московского университета приема 2965 года будут, наверное, усваивать эти выводы на практике. Преподаватель попросит Мишу и Петю занять места в двух тождественных ракетах, нажмет нужные рычаги и отправит их в учебное путешествие. Для выяснения сущности теории относительности проще всего поступить следующим образом: космические вагоны надо отправить по одной линии в разные стороны; в каждом вагоне на противоположных боковых стенках следует поместить источник и приемник света. Перед отправлением Миша и Петя тщательно сверяют свои часы и налаживают радиоприемники и передатчики.

Первое задание преподавателя звучит так: измерить по часам время, необходимое для прохождения света от одной боковой стены своего вагона до противоположной. После того как ускоряющие двигатели были выключены и вагоны перешли в режим равномерного движения, студенты приступили к измерению времени.

– Все в порядке, – сообщают они друг другу и преподавателю, – передаем результаты.

Цифры совпадают: вагоны в точности одинаковые, опыты тождественные – иначе и быть не может, – время по часам Миши, измеряемое Мишей, и время по часам Пети, измеряемое Петей, течет одинаково.

Второе задание заключается в измерении того же события, но на чужом корабле. Теперь Миша измеряет время прохождения светового луча в Петином корабле, а Петя определяет время такого же события в Мишином корабле. Измерения, естественно, носят уже другой характер. Мгновения, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени, могут быть сообщены на чужой корабль при помощи радиосигнала. Миша измеряет время между приходами радиосигналов, которые послал Петя, а Петя измеряет интервал времени, который проходит между радиосигналами, посланными Мишей. Теперь Миша измеряет время, идущее по часам Пети, а Петя измеряет время, идущее по часам Миши. Измерения дают другой результат: у обоих студентов получились опять-таки одинаковые цифры (условия измерения полностью симметричны), но цифры оказались несколько большими, чем в первом измерении. Попутешествовав на своих ракетах в разных условиях, студенты устанавливают на опыте следующее. Для наблюдателя, неподвижного по отношению к событию, временно́й интервал события имеет какое-то характерное значение. Движущиеся наблюдатели для этого же события будут получать бо́льшие цифры, и при этом тем большие, чем быстрее они движутся.

Оказывается, время относительно. Результат измерения времени зависит от состояния движения измеряющего по отношению к измеряемому событию.

– Но этот результат эксперимента есть строгое следствие аксиом Эйнштейна, – поясняет Миша Пете (или Петя Мише; мы не будем лишать их симметрии). – Обрати внимание на то, что луч света идет поперек вагона только тогда, когда мы ведем наблюдение за своим лучом.

Наблюдая же за чужим вагоном, каждый из нас двоих отмечает: добираясь от источника до приемника, луч прошел большее расстояние. Оно равно длине гипотенузы некоего треугольника. Одна сторона его – путь, на который переместился чужой вагон, пока свет достигал приемника, а другая – ширина вагона. Но скорость света одинакова для нас обоих. А путь, пройденный лучами, разный. Значит, промежуток времени, за который свет прошел расстояние от источника до приемника в своем вагоне, меньше для своего наблюдателя (свет прошел более короткий путь – поперек вагона), чем для чужого (в чужом вагоне он, нам кажется, прошел по гипотенузе). А это как раз то, что мы с тобой наблюдали, заключает Миша (или Петя).

После этого наша пара спокойно отправляется обедать, нисколько не взволнованная революционностью полученного результата.

Но современникам открытия Эйнштейна принятие этого вывода давалось с большим трудом.

– Время не абсолютно!

– Время зависит от движения наблюдателя!

– Один и тот же процесс протекает с разной скоростью, если наблюдать за ним с разных позиций!

Все эти формулировки одного и того же факта казались необычными, странными, противоречащими здравому смыслу. Особенно неприятно было соглашаться со следствием, вытекающим из симметрии наблюдателей: для каждого из двоих измерения своих событий приводят к меньшим цифрам. Так, Миша сообщает Пете: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 секунды; но Петя сообщает Мише: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 микросекунды. Чтобы парадокс был яснее, его можно сформулировать так: Миша устанавливает, что отстают Петины часы, а Петя – что отстают Мишины часы.

А нельзя ли выяснить, чьи часы отстают на самом деле после того, как Миша и Петя возвратятся из своего учебного путешествия в космос? Сверить, конечно, можно, но это не способ проверки вывода специальной теории относительности, содержание которой мы сейчас излагаем. Изложенный вывод принадлежит только этой теории, которая касается, только случая равномерного прямолинейного движения. При таком движении наблюдатели могут встретиться только один раз, и проверка поведения часов может быть сделана только путем радиоразговоров.

А что все-таки произойдет, если сверить Мишины и Петины часы после их возвращения? Будут ли часы показывать одно и то же время или какие-то уйдут вперед? Оказывается, чтобы дать ответ на этот вопрос, надо точно описать, как происходило движение обоих космонавтов по отношению к звездному небу.

Один случай представляет особенный интерес. Предположим, что из какого-то места ушла в далекое путешествие космическая ракета, а потом через какое-то время вернулась в то же место. Перед отправлением часы на ракете и на космодроме были сверены. Вторая сверка происходит после возвращения ракеты. Можно строго доказать, что больше времени пройдет на часах космодрома. Если путешествие было очень быстрым (близким к скорости света), то на ракете могут пройти годы, в то время как на космодроме пройдут десятилетия и даже столетия.

Но на этих занятных выводах нет возможности останавливаться подробнее. Хотелось лишь подчеркнуть, что строгое физическое рассуждение, основывающееся на бесспорных аксиомах, привело к новым взглядам на такое фундаментальное понятие, как время. Оказалось, что промежуток времени есть относительная величина, то есть с разных точек зрения время одного и того же события оказывается разным.