[вернуться к содержанию сайта]
Когда Галилей, вооружённый своей прозорливой дипломатической мудростью, осторожно и тонко воевал за “еретические” идеи Коперника и доказывал, что Земля обращается вокруг Солнца, а не наоборот, 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 Землёй башнями и деревьями! Так-то, дерзкий сеньор!
В ответ Галилео прибег к сравнению. Ему поневоле приходилось быть не только учёным, 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 всё 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 приберёг 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 всё 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.
В этом месте я задремал над сочинением этой книжки. И очутился в космической ракете. Невесомость, тишина, никакой тряски – всё 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 нём? 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, всё 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 разлёта 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, остаётся ещё 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 чём. 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 звёзд и научились сравнивать скорости света, испускаемого каждой из звёзд такой “вальсирующей” пары. Как выяснилось, оба звёздных “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 всё 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 всё-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 ещё 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 ведёт себя столь странно. Не следует думать, что для людей, лишённых 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.
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 её существовании задолго до того, как она обнаружилась в утончённом наблюдении света. Как он сумел предугадать подобное – никто не знает. Это – интуиция гения. Когда учёному задавали такой вопрос, он улыбался и вспоминал, как ещё 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 её 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 ещё 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 учёного, “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 чём вообще идёт речь? Не обладая интуицией Эйнштейна, попробуем усвоить это постепенно.
Дата установки: 08.08.2012
[вернуться к содержанию сайта]
