«Время идет различным шагом с различными людьми». Замечание Розалинды, обращенное к ее любовнику, из пьесы Шекспира «Как вам это понравится» вполне соответствует нашим повседневным ощущениям. Ту же мысль выражает и эпитафия в Честерском соборе: «Когда я был младенцем, я спал и плакал, а время ползло… но по мере того как я старел, время бежало все быстрей». Большую часть человеческой истории параллельно с субъективным временем, как мы его воспринимаем, существовало и другое, неколебимое, объективное время: вселенский метроном, отмеряющий течение жизни, один для всех, всегда и везде. И вдруг в 1905 году оказалось, что в отношении времени Розалинда была куда ближе к истине, чем казалось.
Теория относительности практически ликвидировала несостыковки и противоречия физики 20-го века, заставила в корне поменять представление о структуре пространства-времени и экспериментально подтвердилась в многочисленных опытах и исследованиях
Теория относительности практически ликвидировала несостыковки и противоречия физики 20-го века, заставила в корне поменять представление о структуре пространства-времени и экспериментально подтвердилась в многочисленных опытах и исследованиях
В наше время часто говорят о смене парадигмы — и обычно не к месту. Но что касается обеих теорий относительности, разработанных Альбертом Эйнштейном в первой половине ХХ века, то тут, пожалуй, иначе и не скажешь. Основная идея Эйнштейна — мы живем в четырехмерной Вселенной, где масса, пространство и время относительны, а не абсолютны, — перевернула современную физику. Без релятивистских идей невозможно было бы исследование элементарных частиц, из которых состоит вся материя (и мы с вами в том числе), невозможно было бы изучение фундаментальных процессов формирования Вселенной. Теория относительности повлияла и на развитие технологий. Космические полеты, включая, естественно, и коммерческие, и систему GPS, невозможны без релятивистских вычислений.
Без теории относительности мы не научились бы использовать энергию атома и — поскольку технологию можно использовать как во благо, так и во зло — создавать оружие массового поражения.
Физика до Эйнштейна
В «Математических началах» (1687) Исаак Ньютон определял пространство и время как абсолюты, независимые от внешних воздействий. «Абсолютное истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно», «абсолютное пространство… остается всегда одинаковым и неподвижным». Законы движения, сформулированные Ньютоном именно для такой Вселенной, оставались фундаментом физической науки почти два столетия.
К концу XIX века физики столкнулись с проблемами при описании поведения света. В 1873 году шотландец Джеймс Кларк Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма, согласно которой свет должен двигаться в ваку уме с конечной скоростью 300 000 километров в секунду. В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели широко известный эксперимент, который продемонстрировал, что скорость света постоянна, несмотря на вращение Земли, — вопреки законам механики Ньютона.
Специальная теория относительности
Представьте, что вы едете в поезде, двигающемся по прямой с постоянной скоростью. Если вы не видите ничего за пределами поезда, то не можете сказать, движется он или стоит. Например, если бы вы играли в мяч, игра шла бы совершенно одинаково и в равномерно двигающемся, и в неподвижно стоящем поезде. Более того, если бы параллельно с вашим поездом двигался еще один, тоже идеальный, при этом с такой же скоростью, что и ваш, невозможно было бы сказать, двигаются оба поезда или нет. Только если один из поездов сменит скорость или направление движения, станет понятно, что вы не стоите на месте.
Поезд является для вас «системой отсчета», и если он двигается равномерно и прямолинейно, то ваша система отсчета — инерциальная. Решение, предложенное Эйнштейном, требовало для начала признать, что законы природы неизменны во всех инерциальных системах отсчета, в том числе и законы, по которым распространяется свет, а значит, скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их перемещения относительно друг друга. Хотя вроде бы второй постулат и противоречит здравому смыслу, он логично вытекает из законов Максвелла и наблюдений Майкельсона и Морли.
Теперь представьте, что в поезде установлен простой прибор, напоминающий часы. Он состоит из двух зеркал, установленных лицом друг к другу и разделенных вертикальным стержнем. «Такты» часов отмеряются лучом света, скачущим туда-сюда между двумя зеркалами. В вашей системе отсчета — в движущемся поезде — вы наблюдаете вертикально перемещающийся вверх-вниз луч света, но наблюдатель в другой системе отсчета — например, на платформе — увидит луч, скользящий по зигзагообразной траектории. Поскольку скорость света постоянна вне зависимости от системы отсчета, согласно второму постулату, лучу потребуется больше времени, чтобы пройти более длинный зигзагообразный путь. Другими словами, для наблюдателя на платформе часы тикают медленней!
Все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни, двигается со скоростями, по сравнению со скоростью света, крошечными, поэтому растяжение времени наблюдать невозможно. Но для субатомных частиц, скорость которых близка к скорости света, оно наблюдалось неоднократно. Одно из последствий растяжения времени оказывается практически важным: события, одновременные в одной системе отсчета, не обязательно будут одновременными в другой. Подобные рассуждения приводят и к идее растяжимости пространства — объект удлиняется в направлении движения. Если пространство и время текучи и непостоянны, они перестают быть отдельными сущностями, их заменяет единое пространство-время: пространственно-временной континуум, в котором время — четвертое измерение.
Общая теория относительности
Теория гравитации Ньютона не согласовывалась со специальной теорией относительности, поскольку включает в себя некую таинственную силу, «действующую на расстоянии», которая и объясняет взаимное притяжение предметов — в первую очередь небесных тел. Эйнштейн обошелся без привлечения «мистических сил» и разработал общую теорию относительности, которая в отличие от специальной рассматривает не только инерциальные, но и неинерциальные системы отсчета — двигающиеся относительно друг друга с ускорением. Его главным достижением стал принцип эквивалентности, согласно которому физические эффекты гравитации неотличимы от эффектов ускорения. Представьте, что вы находитесь в падающем лифте. Вы не чувствуете своего веса, потому что и вы, и лифт двигаетесь с одинаковым ускорением. Если вы не можете свериться с другой системой отсчета — выглянуть из лифта, — вы не узнаете, действует ли на вас гравитация.
«Проведите в обществе красивой и умной девушки час, и вам покажется, что прошла минута. Положите руку на раскаленную плиту на минуту, вам покажется, что прошел час. Это и есть относительность» Альберт Эйнштейн, 1954
Пусть теперь луч света двигается через лифт параллельно полу. Если скорость лифта постоянна, свет пройдет по прямой линии. Но если лифт падает вниз с ускорением, луч отклонится вверх. Если луч света отклоняется в ускоряющейся системе отсчета, он должен, согласно принципу эквивалентности, отклоняться и гравитацией. В присутствии притягивающей массы свет, перемещающийся по прямой, на самом деле перемещается по искривленной траектории. Объединив этот вывод с идеей пространственно-временного континуума из специальной теории, Эйнштейн пришел к заключению, что само пространство-время изгибается или искажается. Гравитация, решил он, — это феномен, зависящий от формы пространства-времени, от геометрии Вселенной.
E MC2
Еще один вывод из специальной теории относительности Эйнштейна — эквивалентность массы и энергии. Представляющие по сути одно и то же, они соотносятся согласно знаменитому уравнению e mc2. Они относительны, как пространство и время, и масса тела возрастает по мере приближения к скорости света. Но, чтобы тело достигло такой скорости, потребуется бесконечная энергия, потому скорость света и остается теоретическим пределом скорости во Вселенной. Поскольку скорость света в квадрате — огромная величина, из уравнения Эйнштейна вытекает, что небольшая масса может быть преобразована в колоссальную энергию, — что и подтверждает ядерное оружие, в котором в энергию переходит менее одного процента массы. В 1931 году Эйнштейн предупреждал, что ученым следует сделать все возможное, чтобы их творения стали благословением, а не проклятием для человечества. Пятнадцатью годами позже — после бомбардировки Хиросимы — он мрачно заключил, что «освобождение силы атома изменило все, кроме нашего образа мыслей, и потому мы дрейфуем к невиданной катастрофе».