Глава 2. Пространство, время и взгляд наблюдателя

В июне 1905 г. двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн послал в немецкий журнал Annalen der Physik статью, в которой бросил вызов парадоксу о скорости света, который привлек его внимание десять лет назад, когда он был еще подростком. Перевернув последнюю страницу рукописи Эйнштейна, редактор журнала, Макс Планк, понял, что общепринятые научные представления низвергнуты. Без шума и фанфар скромный чиновник патентного бюро из швейцарского города Берна радикально изменил традиционные представления о пространстве и времени, заменив их новыми понятиями, бросившими вызов всему, к чему мы привыкли на основе нашего жизненного опыта.

Парадокс, который беспокоил Эйнштейна в течение десяти лет, состоял в следующем. В середине XIX в., после тщательного изучения результатов экспериментальных работ английского физика Майкла Фарадея, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сумел объединить понятия электричества и магнетизма в единую теорию электромагнитного поля. Если вам когда-либо приходилось находиться на вершине горы перед началом сильной грозы или стоять рядом с генератором Ван де Граафа, вы почувствовали, что такое электромагнитное поле, потому что вы его ощутили физически. Для тех, кто не имеет такого опыта, скажем, что поле похоже на поток электрических и магнитных силовых линий, пронизывающих область пространства. Например, если рассыпать железные опилки возле магнита, то можно увидеть, что они образуют упорядоченный рисунок, следующий невидимым силовым линиям магнитного поля. Сняв шерстяной свитер в особенно сухой день, вы слышите потрескивание, сопровождающееся одним-двумя короткими разрядами, что свидетельствует о существовании силовых линий электрического поля, порождаемых стекающими с волокон вашего свитера электрическими зарядами. Помимо объединения этих и всех других электрических и магнитных явлений в рамках единого математического описания, теория Максвелла довольно неожиданно привела к выводу, что электромагнитные возмущения распространяются с постоянной, никогда не изменяющейся скоростью, равной скорости света. На основании этого факта Максвелл заключил, что видимый свет представляет собой не что иное, как определенный тип электромагнитной волны. Как нам сегодня известно, взаимодействуя с химическими со-

24ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть II. Дилемма пространства, времени Рё квантов

единениями в сетчатке глаза, эта волна дает человеку зрение. Более того (и это ключевой момент), теория Максвелла также показала, что все электромагнитные волны, в том числе и видимый свет, являются своего рода вечными странниками. Они никогда не останавливаются. Они никогда не замедляют своего движения. Свет всегда движется со скоростью света.

Все это хорошо и замечательно до тех пор, пока мы, вслед за шестнадцатилетним Эйнштейном, не зададимся вопросом: что произойдет, если пуститься в погоню за светом, двигаясь при этом со скоростью света? Интуиция, основанная на законах движения Ньютона, подсказывает, что мы догоним световые волны, и они будут казаться нам неподвижными, свет как бы остановится. Но согласно теории Максвелла и не вызывающим сомнений экспериментальным данным, такого явления, как неподвижный свет, попросту не существует — никому и никогда не удавалось держать на своей ладони неподвижный луч света. Отсюда и возникает парадокс. К счастью, Эйнштейн не знал о том, что многие ведущие физики мира сражались с этой задачей (часто следуя пути, ведущему в тупик), и обдумывал парадокс Максвелла и Ньютона без помех в уединении со своими собственными мыслями.

В этой главе мы расскажем, как Эйнштейн разрешил это противоречие в своей специальной теории относительности, навсегда изменив наши представления о пространстве и времени. Может показаться странным, что ключевым моментом в специальной теории относительности является точное понимание того, как выглядит мир для людей, часто называемых «наблюдателями», которые движутся по отношению друг к другу. На первый взгляд это может показаться просто схоластическим упражнением. Но оказалось, что это вовсе не так: благодаря Эйнштейну путешествие с воображаемыми наблюдателями, двигающимися за световым лучом, приводит к глубоким выводам, позволяющим понять, как необычно могут выглядеть самые заурядные ситуации для людей, находящихся в относительном движении.

Интуиция и ее изъяны

Повседневный опыт может подсказать несколько примеров, в которых восприятие ситуации такими наблюдателями различно. Например, деревья, растущие вдоль шоссе, будут выглядеть движущимися для водителя едущего автомобиля и неподвижными для путника, присевшего на обочине. Аналогично, приборная панель автомобиля не кажется движущейся для водителя (по крайней мере, мы надеемся на это), но, как и все другие части автомобиля, движется с точки зрения путника. Это настолько фундаментальные и интуитивно ощущаемые свойства окружающего нас мира, что мы редко обращаем на них внимание.

Специальная теория относительности утверждает, однако, что различия в картине, видимой двумя такими наблюдателями, являются более тонкими и глубокими. В ней высказывается странное утверждение, что наблюдатели, находящиеся в относительном движении, будут по-разному воспринимать расстояние и время. Это означает, как мы увидим ниже, что одинаковые наручные часы у двух наблюдателей, перемещающихся друг относительно друга, будут идти с разной скоростью и покажут разную длительность промежутка времени между двумя выбранными событиями. Специальная теория относительности показывает, что это утверждение не связано с точностью часов, а представляет собой неотъемлемое свойство самого времени.

Аналогично, если движущиеся по отношению друг к другу наблюдатели будут проводить измерения расстояния с помощью совершенно одинаковых рулеток, они получат разные значения длины. И снова дело здесь не в погрешностях средств измерения и не в ошибках при их использовании. Самые точные в мире измерительные устройства подтвердят, что пространство и время, измеряемые как расстояния и промежутки времени, воспринимаются разными наблюдателями по-разному. Специальная теория относительности в окончательной формулировке Эйнштейна разрешает противоречие между нашими интуитивными представлениями о движении и свойствами света. Од-

Глава 2. Пространство, время Рё взгляд наблюдателяВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 25

нако это решение имеет свою цену — движущиеся относительно друг друг наблюдатели будут по-разному воспринимать пространство и время.

РЎ тех РїРѕСЂ, как Эйнштейн сообщил РјРёСЂСѓ Рѕ своем поразительном открытии, прошло почти сто лет, однако РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ большинство РёР· нас воспринимает пространство Рё время как абсолютные понятия. РњС‹ РЅРµ имеем интуитивного знания понятий специальной теории относительности, РјС‹ РЅРµ чувствуем ее. Следствия специальной теории относительности РЅРµ являются частью нашей интуиции. Причина этого весьма проста: эффекты, обусловленные специальной теорией относительности, зависят РѕС‚ скорости движения. РџСЂРё скоростях, СЃ которыми движутся автомобили, самолеты Рё даже космические челноки, эти эффекты необычайно малы. Различия РІ восприятии пространства Рё времени между неподвижными наблюдателями Рё наблюдателями, едущими РІ машинах или летящими РІ самолетах, безусловно, существуют, РЅРѕ РѕРЅРё столь малы, что остаются незамеченными. Однако если Р±С‹ РјС‹ путешествовали РІ космическом корабле будущего, скорость которого составляет значительную часть скорости света, то эффекты, предсказываемые теорией относительности, были Р±С‹ совершенно очевидны. РќРѕ, конечно, такая возможность РїРѕРєР° еще остается РІ области фантастики. Тем РЅРµ менее, как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј РІ последующих разделах, правильно поставленные эксперименты позволяют СЏСЃРЅРѕ Рё точно наблюдать релятивистские свойства пространства Рё времени, предсказываемые теорией Эйнштейна.

Для того чтобы получить представление Рѕ величине рассматриваемых эффектов, представим, что РЅР° РґРІРѕСЂРµ 1970 Рі., Рё РІ РјРѕРґРµ большие Рё быстрые автомобили. Слим, только что потративший РІСЃРµ СЃРІРѕРё сбережения РЅР° приобретение РЅРѕРІРѕРіРѕ «Понтиака», отправился вместе СЃРѕ СЃРІРѕРёРј братом Джимом РЅР° местный гоночный трек, чтобы устроить своей РЅРѕРІРѕР№ машине такой тест-драйв, который ему РЅРµ позволил продавец. Разогрев машину, Слим устремился РїРѕ гоночной полосе длиной РІ РѕРґРёРЅ километр СЃРѕ скоростью 200 РєРј/С‡, Р° Джим остался стоять РЅР° обочине, засекая время. Желая получить независимое подтверждение, Слим тоже пользуется секундомером, чтобы определить время, Р·Р° которое машина пройдет полосу. До появления работы Эйнштейна никто РЅРµ усомнился Р±С‹ РІ том, что если секундомеры Слима Рё Джима работают правильно, РѕРЅРё покажут одинаковое время. Однако согласно специальной теории относительности, секундомер Джима покажет 18 СЃ, Р° секундомер Слима — 17,99999999999969 СЃ — РЅР° крошечную долю секунды меньше. Конечно, эта разница настолько мала, что РѕРЅР° может быть обнаружена только РїСЂРё измерениях, точность которых РІРѕ РјРЅРѕРіРѕ раз превосходит точность ручных секундомеров, которые запускаются Рё останавливаются нажатием пальца, точность систем хронометража, используемых РЅР° олимпийских играх, Рё даже точность прецизионных атомных часов самой современной конструкции. Поэтому неудивительно, что наш повседневный опыт РЅРµ обнаруживает того, что течение времени зависит РѕС‚ того, СЃ какой скоростью РјС‹ движемся.

Похожие различия обнаружатся и при измерении длины. Допустим, что в ходе следующего испытания Джим решил использовать хитрый трюк для измерения длины новой машины Слима: он запускает секундомер, когда мимо него проходит передняя часть автомобиля, и останавливает его, как только рядом с ним оказывается задняя часть машины. Поскольку Джим знает, что автомобиль Слима движется со скоростью 200 км/ч, он может рассчитать его длину, умножив скорость на время, зафиксированное его секундомером. И вновь, до появления теории Эйнштейна, ни у кого не возникли бы сомнения, что длина, которую таким косвенным способом определил Джим, в точности совпадет с длиной, которую тщательно вымерил Слим, когда его машина стояла без движения на полу автомобильного салона. Специальная теория относительности, напротив, утверждает, что если Слим и Джим выполнили измерения точно, и Слим установил, что длина его машины составляет, скажем, ровно 5 м, то измерения Джима дадут цифру 4,999999999999914 м — на крошечную долю метра меньше. Как и в случае измерения времени, это различие настолько

26ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть II. Дилемма пространства, времени Рё квантов

мало, что обычные инструменты не в состоянии обнаружить его.

Хотя эти различия чрезвычайно малы, они указывают на фатальный изъян в общепринятой концепции универсального и неизменного пространства и времени. По мере того как относительная скорость наблюдателей, таких как Слим и Джим, увеличивается, этот изъян становится все более очевидным. Чтобы различия стали заметными, скорость движения должна составлять существенную долю от максимально возможной скорости — скорости света, которая, согласно теории Максвелла и результатам экспериментальных измерений, составляет примерно 300000 км/с или около 1,08 млрд км/ч. Такой скорости достаточно, чтобы обогнуть земной шар более семи раз в течение одной секунды. Например, если Слим будет двигаться со скоростью не 200 км/ч, а 935 млн км/ч (около 87 % от скорости света), то, как показывают расчеты с использованием математического аппарата специальной теории относительности, длина его машины, измеренная Джимом, составит примерно 2,5 м. Это существенно отличается от результата, полученного Слимом (а также от цифры, приведенной в техническом руководстве к автомобилю). Аналогично, время, за которое автомобиль пройдет гоночную полосу по данным Джима, будет примерно в два раза больше, чем время, измеренное Слимом.

Поскольку такие огромные скорости находятся далеко за пределами технически достижимых, эффекты «замедления времени» и «лоренцевского сокращения», как они называются в специальной литературе, в нашей повседневной жизни чрезвычайно малы. Если бы мы жили в мире, в котором тела обычно двигаются со скоростями, близкими к скорости света, эти свойства пространства и времени были бы настолько понятны нам интуитивно (поскольку мы сталкивались бы с ними постоянно), что заслуживали бы отдельного упоминания не больше, чем рассмотренное в начале этой главы кажущееся движение деревьев на обочине дороги. Но поскольку мы живем в ином мире, эти особенности нам непривычны. Как будет видно ниже, понимание и принятие их требует, чтобы мы подвергли наш взгляд на мир значительным изменениям.