Страница 23 из 25
Для этого представьте себе, что мы находимся внутри космического корабля, свободно парящего в космическом пространстве и не подверженного влиянию никаких звезд или планет. Мы обеспечены всеми необходимыми запасами: у нас есть вода, воздух и предметы первой необходимости. Кроме того, на борту имеется простейшее оборудование для проведения научных экспериментов в виде блоков, весов и т. п. Единственное ограничение — мы не можем выглянуть наружу и посмотреть на вещи, находящиеся за пределами корабля. В нашем эксперименте мы будем считать, что корабль оборудован различными датчиками, расположенными внутри и снаружи корабля.
Прежде всего, давайте подумаем, что мы можем узнать, находясь внутри корабля. У нас есть пульт управления, и мы можем вращать судно вокруг любой оси. Также мы можем запустить двигатели и переместиться в любом желаемом направлении. Итак, мы проводим время, вращая корабль в разные стороны и перемещаясь туда-сюда, не зная и не особо беспокоясь о том, в каком направлении мы движемся, и проводя заодно разнообразные эксперименты.
Рис. 4.2. Изолированный космический корабль. Слева направо: свободное падение, ускорение, вращение.
Что мы можем узнать? Очевидно, что нам не составляет труда заметить ускорение корабля. Когда он движется без ускорения, наша любимая обеденная вилка невесома и свободно парит в воздухе. Однако как только мы запускаем двигатели, она падает вниз, где под «низом» понимается «направление, противоположное тому, в котором корабль ускоряется».[60] Если мы еще поэкспериментируем, то сможем даже научиться распознавать вращение космического корабля. В этом случае предмет сервировки, расположенный точно на оси вращения, продолжает свободно парить на одном месте; однако любые предметы, находящиеся на периферии, «притягиваются» к корпусу корабля и остаются там.
Таким образом, определенные сведения о состоянии корабля мы можем узнавать экспериментально, с помощью несложных опытов внутри судна. Тем не менее есть также вещи, которые мы понять попросту не можем. Например, мы не знаем, где находимся. Скажем, мы проводим несколько экспериментов внутри нашего неускоряющегося, невращающегося корабля. Затем мы включаем двигатели, куда-то стремительно переносимся и снова выключаем, — и вот мы опять в неускоряющемся и невращающемся корабле и можем повторить предыдущие эксперименты. При условии, что у нас есть хоть малейшие навыки проведения физических экспериментов, мы получим точно такие же результаты. Если мы потрудились записать величину ускорения и продолжительность работы двигателей, то, возможно, сумеем вычислить расстояние, на которое переместился корабль; однако, прибегая исключительно к локальным экспериментам, мы при всем желании не сможем отличить одно местоположение от другого.
Аналогично, нам не под силу отличить одну скорость от другой. Как только мы выключаем двигатели, корабль снова начинает свободно парить в пространстве, и совершенно неважно, какую скорость он успел набрать; необходимости замедляться нет. И ориентацию корабля мы тоже определить не можем — в пустынных бескрайних просторах межзвездного пространства все направления одинаковы. Можно понять, вращается судно или нет; однако если включить подходящие направляющие двигатели (или использовать соответствующие бортовые гироскопы) и прекратить вращение, то никакой локальный эксперимент не позволит нам определить угол, на который успел повернуться корабль.
Эти простые выводы открывают нам сокровенные тайны процессов, происходящих в реальном мире. Любые манипуляции, которые мы совершаем с нашим аппаратом, при условии, что они не влияют на результаты экспериментов, — мы меняем его местоположение, поворачиваем, заставляем двигаться с постоянной скоростью, — отражают симметрию законов природы. Принципы симметрии в физике играют важнейшую роль: именно они накладывают строгие ограничения на то, какую форму могут принимать законы природы и какого типа экспериментальные результаты мы можем получать.
Разумеется, у обнаруженных нами видов симметрии есть свои названия. Изменение местоположения объекта в пространстве называется «переносом», изменение ориентации в пространстве — это «поворот», а изменение скорости движения сквозь пространство — «буст». В контексте специальной теории относительности набор поворотов и бустов называется преобразованиями Лоренца, а полный комплект, включающий переносы, — преобразованиями Пуанкаре.
Главная идея, лежащая в основе этих преобразований симметрии, высказывалась учеными задолго до появления специальной теории относительности. Еще Галилео утверждал, что законы природы должны быть инвариантными относительно того, что мы сегодня называем переносами, поворотами и бустами. Даже без теории относительности, если бы Галилео и Ньютон оказались правы в своих утверждениях о законах механики, мы все равно были бы не в состоянии определять положение , ориентацию и скорость, находясь в изолированном свободно движущемся космическом корабле. Различие между теорией относительности и представлениями Галилео лежит лишь в области того, что происходит, когда мы перемещаемся в систему координат движущегося наблюдателя. Волшебство относительности заключается в том, что у изменения скорости много общего с изменением пространственной ориентации; буст — всего лишь пространственно-временная версия поворота.
Прежде чем начинать разбираться с этим, давайте остановимся на мгновение и спросим себя: а могли бы законы физики работать по-другому? Например, выше мы утверждаем, что абсолютное положение объекта не поддается определению — и абсолютная скорость тоже, однако абсолютное ускорение вполне измеримо.[61] Можно ли вообразить мир с такими физическими законами, в котором невозможно оценить абсолютное положение, однако абсолютная скорость поддается объективному измерению?[62]
Это совсем несложно. Представьте себе, что вы движетесь сквозь неподвижную среду, такую как воздух или вода. Если бы мы жили в бескрайнем водоеме, то нам не к чему было бы привязать свое местоположение, однако мы могли бы без труда измерять свою скорость по отношению к воде. Можно было бы даже предположить, что окружающее пространство тоже напитано подобной средой.[63]0 В конце концов, еще Максвелл в своих работах по изучению электромагнетизма доказал, что свет — это всего лишь тип волны. А если есть волна, вполне естественно думать, что есть и среда для ее распространения. Например, чтобы распространялся звук, нужен воздух — в космосе никто не услышит ваш крик. Однако свет успешно распространяется в безвоздушном пространстве, значит (следуя этой логике, которая окажется в итоге ошибочной), и там существует какая-то среда, сквозь которую он перемещается.
Таким образом, физики конца XIX века считали, что электромагнитные волны распространяются сквозь невидимую, но играющую невообразимо важную роль среду, которой они дали название «эфир». И ученые-экспериментаторы поставили себе целью найти доказательства существования этой субстанции. Однако они потерпели поражение, а их неудача подготовила почву для специальной теории относительности.
Ключ к относительности
Представьте, что мы снова вернулись в космическое пространство, но на этот раз взяли с собой более изощренное оборудование для проведения экспериментов. В частности, у нас есть впечатляющая штуковина, сделанная по последнему слову лазерной техники и умеющая измерять скорость света. Для того чтобы откалибровать устройство, мы в свободном падении (без ускорения) проверяем, будет ли скорость света всегда одной и той же независимо от направления. Все правильно, это действительно так. Инвариантность относительно выбора направления — неотъемлемое свойство распространения света, как мы и подозревали.
60
Создатели научно-популярных фильмов и сериалов по большей части относятся к этому закону природы с ужасающим пренебрежением — в основном потому, что имитировать невесомость чрезвычайно трудно. (В одной из серий фильма «Звездный путь: Энтерпрайз» есть уморительная сцена, в которой космический корабль «потерял гравитацию» как раз в тот момент, когда капитан Арчер принимал душ.) Искусственная гравитация, позволяющая капитану и команде целеустремленно вышагивать по капитанскому мостику, не совместима с законами физики в том виде, какими мы их знаем. Если вы не ускоряетесь, то единственный способ создать необходимую силу тяжести — таскать с собой предмет массой с небольшую планету, что, как вы понимаете, не совсем практично.
61
Скорость — это всего лишь темп изменения положения, а ускорение — темп изменения скорости. В терминах дифференциального исчисления скорость — это первая производная положения, а ускорение — вторая. Важное свойство классической механики состоит в том, что положение и скорость полностью задают состояние частицы, ускорение же определяется локальными условиями и соответствующими законами физики.
62
Упражнение для читателей: можно ли вообразить мир, в котором абсолютная ориентация в пространстве поддается точному определению? А как насчет мира, в котором нельзя определить абсолютное положение, скорость и ускорение, но зато темп изменения ускорения является наблюдаемым?
63
Проигрывая возможные ситуации, постарайтесь все же не слишком увлекаться. Сегодня мы твердо убеждены, что никакой среды, пронизывающей все пространство и относительно которой мы могли бы измерять нашу скорость, не существует. Однако в конце XIX века люди верили в ее существование, называя такую среду эфиром. С другой стороны, мы верим в существование в каждой точке пространства полей, причем некоторые поля (например, поле Хиггса) в пустом пространстве могут даже иметь ненулевые значения. Сегодня мы верим, что волны — электромагнитные и иные — это распространяющиеся колебания этих полей. Однако поле не считается настоящей «средой» по двум причинам: во-первых, оно может иметь нулевое значение, а во-вторых, невозможно измерить скорость по отношению к нему. Кроме того, вполне вероятно, что мы многого не знаем. Некоторые отличающиеся богатым воображением физики-теоретики всерьез задаются вопросом, а нет ли вокруг нас каких-то новых полей, которые задают абсолютную систему координат, относительно которой мы могли бы измерять свою скорость (см., например: Mattingly, D. Modern Tests of Lorentz Invariance // Living Reviews in Relativity, 2005, 8, p. 5). Подобные поля иронично называют «эфиром», но это совершенно не тот эфир, о котором говорилось в XIX веке. В частности, они никак не связаны с распространением электромагнитных волн и прекрасно согласуются с основными принципами теории относительности.