Архив рубрики: Постулаты Эйнштейна

Два опорных камня

Гениальность Эйнштейна — не в том, что он не ша­рахнулся в испуге от движущейся нелепости. Гениаль­ность Эйнштейна выше и загадочнее: великий физик предсказал эту удивительную «нелепость». Он объявил о ее существовании задолго до того, как она обнаружи­лась в утонченном наблюдении света. Как он сумел предугадать подобное — никто не знает. Это — интуиция гения. Когда ученому задавали такой вопрос, он улыбался и вспоминал, как еще шестнадцатилетним подростком воображал себя несущимся верхом на свето­вом луче. И «чувствовал», что даже относительно само­го светового луча скорость этого же луча будет посто­янна и равна 300 000 километрам в секунду. Он чувство­вал естественность того, что всем «здравомыслящим» коллегам представлялось абсурдом!

И вот за три года до появления теории Ритца, за во­семь лет до ее падения Эйнштейн, словно глядя в буду­щее, поставил рядом два опорных камня своей теории.

Первый — принцип относительности равномерных прямолинейных движений. Второй — независимость ско­рости света от скорости светового источника.

Таковы постулаты Эйнштейна. Взятые по отдельно­сти, они ничуть не удивительны. Первый был знаком еще Галилею. Эйнштейн его только обобщил. Второй был принят в физике с тех пор, как восторжествовала волновая природа света (теория Ритца оказалась шагом назад). И не по отдельности, а только вместе они вы­глядели абсурдом. Ибо кажется, признайте первый постулат — станет невозможным второй. И наоборот, из второго будто бы вытекает «нелепость» первого. Согла­ситься с ними обоими — значит, казалось бы, то же са­мое, что поехать в Ленинград, не покидая Москвы. Тем не менее в теории Эйнштейна они стоят рядом и не спорят.

И из их парадоксального соседства следуют не менее парадоксальные заключения об устройстве природы.

Главный вывод служит ключом ко всем остальным, и потому назвать его стоит сразу. Эйнштейн постиг его внезапно. Как сказано в биографии ученого, «однажды утром, хорошо выспавшись, он сел в кровати и вдруг понял, что два события, которые для одного наблюда­теля происходят одновременно, могут быть неодновре­менными для другого».

Как это понять? О чем вообще идет речь?

Не обладая интуицией Эйнштейна, попробуем усво­ить это постепенно.

Наблюдение ведет привидение

В этом месте я задремал над сочинением этой книж­ки. И очутился в космической ракете. Невесомость, ти­шина, никакой тряски —все как полагается в современ­ном «Галилеевом ковчеге». Мне хочется узнать, лечу ли я, и если лечу, то куда, и успею ли при жизни доле­теть до Земли. Но увы, я понимаю, что никакие опыты и измерения ответа не дадут: действует запрет, наложен­ный эйнштейновским прин­ципом относительности. Тог­да я начинаю размышлять о причинах своего плачевно­го положения.

Кто виноват в нем? Свет. На предыдущей странице он сам в этом признался. Так как же устроен свет, если он ведет себя столь невеж­ливо?

Предположим на минут­ку, что свет — это не волны. Тогда, кажется, все встанет на место.

Пусть где-то в пустоте летит снаряд. Он взрывает­ся. Осколки мчатся в разные стороны. Но скорость оскол­ков складывается со ско­ростью снаряда. Если стать привидением (чтобы самому не взорваться) и до взрыва сесть верхом на снаряд, то после взрыва, продолжая по инерции двигаться так, как двигался исчезнувший снаряд, будешь сохранять его скорость и находиться в центре разлета осколков. Поэтому, измеряя скорость осколков, никогда не узнаешь, с какой скоростью ле­тишь ты сам, то есть с какой скоростью летел снаряд.

Движущийся фонарь — как снаряд. Световая вспыш­ка— как расширяющийся шар летящих «осколков» от ка­кого-то взрыва. Взрыв этот можно отразить зеркалом в любую сторону, собрать линзой в тонкий луч. Но ни­каким опытом не удастся по измерениям скорости оскол­ков (скорости света) узнать скорость фонаря.

Объяснен как будто главный итог опыта Майкель­сона! Правда, остается еще как-то вывернуться — истол­ковать волновые причуды света, хоть то же явление интерференции. Но это, быть может, мелочи...

Изложенную теорию света сочинил в 1908 году один уважаемый физик, по фамилии Ритц. Называлась она баллистической (по аналогии со взорвавшимся снаря­дом). И оказалась катастрофически неверной.

Дело вот в чем. Если скорость осколков складывает­ся со скоростью снаряда, а, согласно баллистической теории, роль снаряда играет движущийся фонарь, то скорость света должна складываться со скоростью фо­наря. Именно при таком условии не удастся установить оптическим опытом собственное равномерное прямоли­нейное движение.

Но это утверждение можно проверить опытом или наблюдением, что и было сделано через несколько лет после провозглашения теории Ритца. К тому времени астрономы основательно изучили вращающиеся системы двойных звезд и научились сравнивать скорости света, испускаемого каждой из звезд такой «вальсирующей» пары. Как выяснилось, оба звездных «партнера» — и тот, что, «вальсируя», движется на нас, и тот, что, наобо­рот, удаляется,— испускают свет, распространяющийся с совершенно одинаковой скоростью. Значит, в противо­речии с теорией Ритца, скорость света не зависит от ско­рости светового источника. Другими словами, световой сигнал нельзя ускорить «броском» фонаря — сигнал бу­дет распространяться все с той же скоростью — 300 000 километров в секунду.

Вкратце повторю сказанное.

Казалось бы, признав первый постулат Эйнштейна, мы обязаны объявить, что скорость света должна скла­дываться со скоростью фонаря. Так же, как скорость «Галилеева ковчега» складывается со скоростью пасса­жира, идущего по палубе. Или скорость пистолета со ско­ростью пули. А выходит, что такого сложения скоростей для света в действительности нет. Скорость света не зависит от скорости фонаря!

Тут свет опять повел себя так, будто есть все-таки эфир и световые волны в эфире подобны звуковым вол­нам в воздухе. Ведь скорость звуковых волн тоже не за­висит от движения источника (никто не станет кричать «с разбегу», чтобы ускорить распространение звука).

Но эфира нет. И поэтому распространение света не похоже на распространение звука. Как доказал Майкельсон, световыми волнами невозможно определить собственную «абсолютную» скорость в эфире, в то вре­мя как звуковыми волнами можно установить собст­венную скорость движения в неподвижном воздухе. (Вспомните «ого» и «ау», которыми мы с приятелем перекликались на поезде из порожних платформ.) Вот вам: свет не похож ни на звук, ни на взрыв.

Ни на что он не похож. И поведение его ни на что не похоже. Теперь оно выглядит еще более диким и противоестественным, чем прежде. Свет вроде той дамы, которая «рано утром вечерком поздно на рассвете ехала верхом в расписной карете».

Да и не только свет ведет себя столь странно. Не следует думать, что для людей, лишенных зрения или зажмуривших глаза, физика меняется. Сказанное о свете относится и к радиоволнам, рентгеновым, гамма- и инфракрасным лучам, и к потокам частиц нейтрино, и к тяготению — словом, к любым полям, распространяю­щимся в пустоте со скоростью света. А только такие поля и существуют в природе

„Галилеев ковчег“

Когда Галилей, вооруженный своей прозорливой дипломатической мудростью, осторожно и тонко вое­вал за «еретические» идеи Коперника и доказывал, что Земля обращается вокруг Солнца, а не наоборот, он услышал, в числе множества возражений, и такое (очень, кстати, неплохое для XVI века):

— Если бы Земля двигалась, то птицы, летающие в воздухе, не могли бы поспеть за мчащимися вместе с Землей башнями и деревьями! Так-то, дерзкий сеньор!

В ответ Галилео прибег к сравнению. Ему поневоле приходилось быть не только ученым, но и популяриза­тором— иначе коллеги-богословы ничего бы не поняли.

Короче говоря, Галилео посоветовал спорщикам от­правиться в трюм какого-нибудь корабля, запасясь му­хами, бабочками, аквариумом с рыбками, а также ку­сочком ладана и кувшинами с водой. Пока корабль неподвижен, спорщикам предлагалось поэксперименти­ровать— попрыгать, покидать всевозможные предметы, внимательно понаблюдать за поведением летающих мух, плавающих рыбок, водяных капель, отвесно падаю­щих вниз, дыма от ладана, поднимающегося прямо вверх.

Далее Галилео заявил:

 - Заставьте теперь корабль двигаться с любой ско­ростью, и тогда (если только движение будет равно­мерным и без качки) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения.

Прыжки и броски не станут труднее или легче, мухи и бабочки будут по-прежнему летать во все стороны, капли будут все так же отвесно падать, а дым отвесно же подниматься. Галилео заключил:

 - Ни по одному из этих явлений вы не сможете установить, движется ли корабль или стоит непо­движно.

Другими словами и чуть шире: никаким механиче­ским опытом невозможно обнаружить собственное пря­молинейное и равномерное движение.

Это утверждение — принцип относительности Галилея. Быть может, логичнее было бы сообщить его чита­телю пораньше — хотя бы там, где речь шла о падении тел и о ньютоновском законе инерции. Я приберег его до сих пор по единственной причине: уж очень похож принцип относительности Галилея на первый постулат Эйнштейна, о котором вы прочитали на предыдущей странице.

Галилей объявил, что равномерное движение невоз­можно установить с помощью механики. И, если гово­рить строго, именно на это утверждение опирался разбиравшийся во второй главе закон инерции.

Эйнштейн добавил совсем немного: даже если бы обитатели «Галилеева ковчега» обзавелись оптическим прибором Майкельсона, они все равно не обнаружили бы собственное равномерное и прямолинейное дви­жение.

Механикой — нельзя, оптикой — нельзя. Конечно, тут не поможет и физика тепла. Учение же об электромаг­нетизме во времена Эйнштейна срослось с оптикой — после блестящих теоретических исследований Максвел­ла выявилась электромагнитная природа света (свет оказался электромагнитными волнами).

Вот Эйнштейн и получил право заявить свой первый постулат. Повторяю его в чуть измененной форме: при­рода устроена так, что никаким физическим экспери­ментом нельзя отличить покой от равномерного прямо­линейного движения.

Таков принцип относительности Эйнштейна.

Слово свету

После того как природа, взглянув на людей через зрительную трубку прибора Майкельсона, задала им очередную загадку, не имело смысла воскрешать почив­ший эфир. Ведь с самого начала эфир был всего лишь гипотезой, его выдумали ради удобства физического истолкования света. А свет, судя по всему, не очень за­ботился о собственной понятности для людей.

Но если эфир погиб, свет-то остался. Мир не погас, не погрузился во тьму. Мало того, загубив эфир, свет предъявил свое неведомое прежде «отрицательное» ка­чество.

Его сиятельство свет сказал тогда:

— Уважаемые физики! Поскольку я великолепно об­хожусь без эфира и меня не сносит никакой эфирный ветер, я не могу, к сожалению, ничем помочь тем из вас, кто захочет воспользоваться моими услугами, чтобы обнаружить движение Земли по орбите. Извините, но не могу! Так уж я устроен. И так устроен мир.

Это ведь и доказал опыт Майкельсона.

В самом деле, выкиньте из обсуждения знаменитого эксперимента разговоры об эфире. Что тогда останется? Останется вывод: оптическим опытом не удалось обна­ружить движение Земли. Только и всего.

Каково движение Земли? Во время эксперимента Майкельсона планета двигалась прямолинейно и рав­номерно — крошечное искривление ее орбиты (помните, 3 миллиметра на 30 километров!) не могло заметно по­влиять на картину интерференции.

Отсюда заключаем: оптическим экспериментом не­возможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение — причем, разумеется, не только Земли, но и любого другого тела, на котором исполняется экспери­мент. Этот вывод и сделал Эйнштейн. И этот вывод стал основой для еще более широкого обобщения, по­служившего первым исходным пунктом — первым посту­латом теории относительности. Вот он, в чуть упрощен­ной форме, первый постулат Эйнштейна: никаким физи­ческим экспериментом невозможно обнаружить равно­мерное и прямолинейное движение. Другими словами, движение инерциальной системы отсчета неотличимо от покоя. Оба состояния равноправны. Важнейшее поло­жение! Оно касается самой сути движения.

Обратите внимание на усиление формулировки. Вме­сто слов «оптическим экспериментом» употреблены сло­ва «никаким физическим экспериментом». Не слишком ли смело? Кто дал право сделать замену?

Наш старый знакомый — Галилео Галилей.

Почему это трудно

Что трудно в эйнштейновской физике мира?

Пожалуй, все.

Трудно постичь удивительную особенность света, ко­торый, как признал Эйнштейн, распространяется в пу­стоте с равной скоростью по отношению к любым телам, как угодно движущимся друг относительно друга.

Трудно вообразить отсутствие безоговорочной одно­временности удаленных событий.

Трудно согласиться с запретом на сверхсветовые скорости движения тел.

Трудно понять сущность относительности простран­ства— то, что размеры предмета не неизменны, а зави­сят от того, как движется система отсчета этих размеров.

Трудно признать относительность времени — то, что темп хода часов неодинаков для наблюдателей, по-раз­ному движущихся относительно этих часов.

Почему это трудно? Очень просто — потому, что все перечисленное кардинально противоречит нашим обы­денным привычкам.

Попробуйте перевернуть смысл приведенных утвер­ждений— и они превратятся в банальности, в «обще­понятное» и «бесспорное». Ракету мы тогда сумеем разо­гнать, если захотим, до сколь угодно большой скорости, лишь бы хватило топлива. Доброкачественные, точно выверенные часы у всех пойдут в равном темпе. Ваш рост для любых движущихся наблюдателей будет оди­наков. А как же иначе?

А вот как. Пока взаимные движения не очень быстры по сравнению со светом, все сущее отвечает нашим при­вычкам и нашему жизненному опыту. Но если мы начнем «бегать наперегонки» с самим светом, это нам не удастся. В мире сверхбыстрого о привычках придется забыть. Придется столкнуться с новыми «правилами игры».

То, что они удивительны, для нас не ново. Природа вся удивительна — надо только приглядеться. Пожалуй, самое удивительное в том, что человеческий гений сумел постичь эти странные законы, не побывав в мире сверх­высоких скоростей. Наоборот, особенности сверхбыстро­го человек отгадал, обдумывая причины неподвижности. Парадоксальной неподвижности интерференционных по­лос в опыте Майкельсона.

Дети и взрослые

Вот слова Эйнштейна, исполненные скромности и не­множко шутливые: «Иногда я себя спрашиваю: как же получилось, что именно я создал теорию относитель­ности? По-моему, причина этого кроется в следующем. Нормальный взрослый человек едва ли станет размыш­лять о проблемах пространства — времени. Он полагает, что разобрался в этом еще в детстве. Я же, напротив, развивался интеллектуально так медленно, что, только став взрослым, начал раздумывать о пространстве и вре­мени. Понятно, что я вникал в эти проблемы глубже, чем люди, нормально развивавшиеся в детстве».

Детство читателей этой книжки, надеюсь, еще не кончилось, они еще не разобрались как следует в сущ­ности пространства и времени, а потому им надлежит хоть в общих чертах усвоить идеи Эйнштейна. В зрелом возрасте это будет сложнее — придется преодолевать стену застарелых привычек.

«Нормальные взрослые люди», в том числе даже фи­зики-теоретики, коллеги Эйнштейна, с величайшим тру­дом постигали его мысли. Первую его статью (она уви­дела свет в 1905 году) оценили единицы. Биографы великого ученого буквально по пальцам перечисляют понявших.

Когда молодой Эйнштейн дал свою работу маститому профессору Грунеру, намереваясь устроиться в Бернский университет, тот вернул оттиск с надписью: «Я вообще не понимаю, что вы тут написали».

Правда, через некоторое время этот профессор все понял, а спустя пятнадцать лет даже выпустил книгу о теории относительности. И множество других физиков, поначалу ничего не понявших, не желавших понять, с течением времени прозревали, становились горячими приверженцами Эйнштейна.

Появились талантливые популяризаторы, объяснив­шие основы эйнштейновских воззрений миллионам.

Я думаю, близко время, когда знание теории относи­тельности станет достоянием каждого культурного чело­века— и физика и лирика.

А может быть, и школьника.