Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Не то чтобы я хотел давать вам очередной повод для беспокойства, но если вдуматься, и в самом деле леденит душу, что мы так стремительно мчимся по вселенной. Этак недолго и вовсе перестать выходить на улицу, чтобы не смело́ в глубокий космос. Примерно такой же экзистенциальный ужас обуял Галилея почти 400 лет назад. Он потратил массу сил на опровержение доводов всяких профанов, которым мысль, что Земля вращается вокруг Солнца, была как нож острый. В своем «Диалоге о двух главнейших системах мира» Галилей уговаривает очернителей играть с мухами и бабочками и скакать на месте, будто сумасшедшие:
Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит.
(Пер. А. Долгова)Пока скорость и направления не меняются, нет никакого объективного способа разобраться, двигаетесь ли вы со своими тараканами. Вот почему, если возникнет желание, можете поиграть в бильярд или в пятнашки на борту самолета — и если не будет турбулентности, выглядеть вы будете точно так же, как во время игры на твердой почве.
Хотя при слове «относительность» вы, вероятно, сразу думаете «Эйнштейн», Галилей до многого додумался первым. Галилеева относительность утверждает, что надо учитывать лишь относительное движение. Вы мчитесь сквозь пространство со скоростью миллион километров в час, и я тоже, но поскольку мы движемся вместе, то вполне можем выстроить мировоззрение вокруг идеи, что мы все сидим неподвижно.
Эта стройная картина распадается — по крайней мере с практической точки зрения — когда речь идет о вещах масштабных. Когда просыпаешься, долго проспав на заднем сиденье во время дальней поездки, не станешь глядеть в окно и предполагать, что все это время стоял, а горы просто сами собой приблизились, чтобы тебя порадовать. Подобный эгоцентризм — это глупо, однако если вам приятно представлять себе, будто вы сидите на месте, а вся вселенная мчится мимо, то и Галилею это очень нравилось.
Практическую роль играет только одно — относительное движение двух тел. Если мы с вами находимся в звездолетах, которые мчатся друг другу в лоб со скоростью 1000 километров в час, столкновение будет ощущаться точно так же, как если бы вы сидели сиднем, а я решил протаранить ваш звездолет на скорости 2000 километров в час. Скорости складываются: 1 + 1 = 2.
Представьте себе, что я не собираюсь вас таранить, а решаю не разбивать собственный звездолет — и вместо этого стреляю в вас из лазерной пушки. Буква L в слове laser означает light — «свет», а это значит, что отдельные фотоны перемещаются — ну, готовы? — со скоростью света. Однако, если верить Галилею, скорость света зависит от скорости источника. Если я лечу на вас со скоростью 1000 километров в час, разумно ожидать, что фотоны будут лететь в сторону вашего звездолета со скоростью (c + 1000) километров в час — а не со скоростью света, как предполагает их название.
В чем дело? Разве скоростей света много, а не одна?
О мировом эфире и обязательности насмешек над древними
Вплоть до XIX века казалось вполне разумным предполагать, что если, скажем, далекам взбрело в голову вас ис-ко-ре-нить, лучи их лазеров будут двигаться быстрее, если вы полетите им навстречу, чем если вы — что было бы мудрым решением — броситесь удирать.
В конце концов, Гюйгенс доказал, что свет — это волна, а все волны, которые изучались до того момента, распространялись в какой-то среде. Сейсмические волны (землетрясения) должны распространяться в камне. Водяные волны — по воде. Звуковые — в воздухе. Логично предположить, что какая-то среда должна быть и у звуковых волн. Существование среды играет очень важную роль, поскольку волны, распространяющиеся в среде, будут двигаться быстрее, если перемещаются по течению, а не против.
Почти весь XIX век господствовала теория, что вся вселенная пронизана неосязаемой жидкостью под названием светоносный эфир, а световые волны — это рябь в этой жидкости. Если бы эфир действительно существовал, скорость света от конкретной звезды зависела бы от относительного движения наблюдателя и звезды, а также от течения самого эфира.
Сейчас мне стыдно и неловко. Я попал в накатанную колею: традиция велит сначала рассказать об эфире — идея которого едва ли пришла бы вам в голову независимо, — а затем тут же объяснить, почему эта гипотеза оказалась ошибочной. После чего все от души смеются над тем, какие дурачки были ученые прошлого, не то что мы.
Да, теория эфира действительно ошибочна, но я скажу несколько слов о том, откуда нам, собственно, известно, что она ошибочна. Аргументировать это куда проще, чем измерить. Основной довод — то, что мы движемся вокруг Солнца в разных направлениях в разное время года. Если бы гипотеза об эфире была верна, скорость света зависела бы от направления и летом и зимой была бы разная.
В целом общепринято, что окончательный крест на теории эфира поставил опыт Альберта Майкельсона и Эдварда Морли в 1887 году, хотя похожие эксперименты многократно проводились и до, и после. Майкельсон и Морли использовали устройство под названием интерферометр, при помощи которого можно было измерять отклонения скорости света в зависимости от времени года, времени суток и ориентации устройства. И не обнаружили решительно ничего. Вообще никаких отклонений. Как писал об этом английский физик сэр Джеймс Джинс полвека спустя:
Развитие событий было одинаковым независимо от того, находился мир в покое в предполагаемом эфире или же сквозь него дул эфирный ветер со скоростью миллион миль в час. Складывалось такое впечатление, что предполагаемый эфир не играет особой роли в ходе вещей… и им, таким образом, вполне можно пренебречь.
Если нет никакого эфира, значит, свет перемещается не на чем-то, а сам по себе, а следовательно, не похож на ранее известные волны. Это явление — как и очень, очень многие другие — объяснил в 1905 году Эйнштейн[59]. Речь идет, само собой, о специальной теории относительности.
Как построить защитное силовое поле
Эйнштейн был в полном восторге от единых законов электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Еще бы! Уравнения Максвелла — образец простоты и элегантности и описывают почти все: от того, почему игла компаса указывает на север, и того, почему, если потереть воздушный шарик, он прилипнет к стене, до устройства атомов.
Одно из уравнений — так называемый закон Фарадея — описывает, как магнитное поле, меняющееся со временем, может генерировать электрическое поле. Другое уравнение — закон Ампера[60] — показывает, в свою очередь, что меняющееся со временем электрическое поле генерирует магнитное поле. Это «туда-обратно» показывает, почему там, где нормальные люди говорят о свете, физики упоминают какое-то там электромагнитное поле. Эйнштейн обнаружил, что разделение электромагнетизма на электричество и магнетизм — это, в сущности, вопрос точки зрения.
Магнетизм в движущейся системе отсчета
Рассмотрим два звездолета, капитаны которых (мы с вами) злобно глядят друг на дружку и всерьез подумывают, не пойти ли на таран. Миролюбивая инопланетянка Алиса хочет создать примитивное силовое поле, чтобы не дать нам претворить в жизнь худшие свои порывы. Устройство довольно простое: Алиса щедро поливает обшивку наших звездолетов электронами. Стоит звездолетам сблизиться, и электроны расталкивают нас в стороны.
Это силовое поле работает исключительно на электричестве, магнетизм в уравнении вообще не фигурирует.
