Физика времени

Когда Эйнштейн говорит: «представим себе...», он предлагает нам проделать мысленный эксперимент. В данном случае речь идет о мысленном эксперименте с двумя лабораториями, которые мы должны считать инерциальными. Лаборатория, связанная с Землей, может вполне считаться инерциальной. Хотя мы понимаем, что, это, конечно, лишь приближение к идеальной инерциальности. Ведь Земля вращается вокруг своей оси, а вращение — это движение с ускорением. Если можно было бы связать систему отсчета с Солнцем, она была бы ближе к инерциальной, но все равно не строго инерциальной. К счастью, для многих реальных лабораторных экспериментов слабая неинерциальность лабораторий практически несущественна. А в мысленном эксперименте мы и вовсе этой малой неинерциальностью можем пренебречь.

Принцип относительности Эйнштейна охватывает все физические явления, все типы взаимодействий в физике, все физические процессы. Ему подчиняются, в частности, электромагнитные явления. Для наших дальнейших рассуждений это особенно важно: мы будем говорить о свете, о скорости его распространения, об обмене световыми сигналами. Распространение света — это явление электромагнетизма, свет представляет собою электромагнитные волны определенных частот.

Скорость света

Специальная теория относительности расширяет принцип относительности Галилея. Кроме того, она добавляет еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности?

Все дело в том, что скорость света — это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Так думал, например, Аристотель. Правда, серьезные рассуждения, которые приводились в древности в пользу такой воз- возможности, кажутся нам сейчас не слишком надежными.

Например, Герон Александрийский рассуждал так. Если вы ночью повернете голову к небу, закрыв глаза, а затем внезапно откроете их, то вы увидите звезды немедленно. Раз между мгновением открытия глаз и мгновением, когда мы впервые видим звезды, не протекает никакого времени, свет распространяется мгновенно.

Это звучит для нас не очень убедительно. К тому же нужно сказать, что но мнению древних греков зрительные образы возникают вследствие излучения из глаз, а не вследствие испускания света (или его рассеяния) видимыми телами. Они держались, так сказать, «радиолокационной» теории зрения: чтобы что-то увидеть, нужно послать из глаз сигнал, а затем принять его обратно, — это отражение создаст и принесет нам видимый образ тела.

Скорость света долго еще считали бесконечной. Так думал, например, Кеплер, который прямо писал об этом в 1611 году.

Галилей был другого мнения. Он предложил не спорить, а проделать эксперимент. Пусть два человека, снабженные сигнальными фонариками, станут подальше друг от друга, насколько это возможно, и один из них включит свет. Другой должен включить свой фонарь, как только этот свет увидит. Время обмена сигналами можно измерить, а зная расстояние, нетрудно определить и скорость света. Галилей пытался проделать такой опыт, но его «экспериментальной технике» это было все же не под силу.

Эксперимент почти по такой же схеме провел позднее, в 1675 году, датский астроном Олаф Кристенсен Рёмер (1644—1710). Это был астрономический эксперимент, и «фонарем» служил ему один из открытых Галилеем спутников Юпитера — во время своих затмений. Конечность скорости света была подтверждена.

А в земных, лабораторных условиях опыт Галилея осуществил в 1849 году французский экспериментатор Ипполит Физо (1819—1896), которого Эйнштейн назвал в одной из своих работ гениальным физиком. В усовершенствованном варианте опыт был повторен затем в 1874 году. Он дал для скорости света величину 300 — 330 км/с. Современное наиболее точное значение скорости света получено с помощью атомных часов. Оно составляет 299 792456,2 м/с с точностью до погрешности эксперимента, которая оценивается как +/- 0,2 м/с.

Это — огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Она и вправду чуть ли не бесконечно велика.  

Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с; скорость космической ракеты — 12 км/с, скорость Земли в ее орбитальном движении вокруг Солнца — 30 км/с: скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики — около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики вместе с большой группой других галактик — относительно других таких же групп — еще примерно в два раза больше.

Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это действительно огромная скорость, но все же и она еще мала по сравнению со скоростью света.

Ни прибавить, ни убавить

Большой спутник движется по орбите вокруг Земли и с него, как с космодрома, запускается ракета — автоматическая межпланетная станция к Венере. Это не мысленный эксперимент, так уже не раз бывало в истории советских космических исследований. Представим себе, что запуск производится строго в направлении движения «орбитального космодрома». Ясно тогда, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно «орбитального космодрома» плюс скорость самого этого «космодрома» относительно Земли. Скорости двух движений складываются, и потому ракета получает довольно большую скорость. Она может преодолеть притяжение Земли и улететь к другой планете.

А теперь другой эксперимент. Со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света с. Какова скорость распространения света относительно Земли ? Ответ: эта скорость — не больше с, она есть с и только с.

Если свет испускается не по движению спутника, а в прямо противоположную сторону, то и тогда относительно Земли свет будет распространяться со скоростью, не меньшей с, а снова равной этой величине.

Это — иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше с. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. Например, скорость человека, идущего вдоль вагона поезда по его ходу, может быть 1 метр в секунду. Это скорость относительно поезда. Но скорость человека относительно Земли, или относительно лаборатории в поле (вспомним мысленный эксперимент Эйнштейна), будет равна сумме: 1 метр в секунду плюс скорость поезда, которая может составлять, например, 30 метров в секунду. Итак, скорость человека относительно лаборатории в поле равна 31 метру в секунду. И вообще, когда мы говорим о скоростях, мы всегда должны сказать, относительно чего мы их измерили, ибо эти скорости относительны, они зависят от системы отсчета.

А скорость света не складывается с другими скоростями. К ней ничего ни прибавить, ее никак ни убавить. Скорость света абсолютна, она всегда одна и та же и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютный рекорд

Эйнштейн пришел к мысли об абсолютности скорости света логическим путем. И подвели его к этому заключению теоретические исследования электромагнитных процессов в движущихся телах. Все опытные, экспериментальные данные об этих процессах приводят к такой теории электромагнетизма, из которой в качестве неизбежного следствия вытекает постоянство скорости света в пустоте.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ней. Постоянство этой скорости — закон природы, а потому — именно в соответствии с принципом относительности — он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.