Чарльз Флауэрс - 10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА
Давайте вообразим себе нечто более сложное, чем простые (хотя и сверхбыстрые) вагоны, и рассмотрим ситуацию, вполне пригодную для сценария «Звездных войн»: мы вторгаемся в чужую галактику на космическом корабле с защитным покрытием, которое поглощает все типы излучения, подобно так называемому черному телу, и делает наш корабль невидимым для радаров противника. Однако командир вражеского звездолета (представьте себе огромный диск с мощными лазерными излучателями по всей кромке) каким-то образом догадывается о нашем присутствии и приказывает дать залп по всем направлениям, в полной уверенности, что хотя бы один из выстрелов попадет в цель. Такая стратегия, с точки зрения противника, представляется точной и беспроигрышной при условии, что все лазерные излучатели выстрелят одновременно, и наш единственный шанс на спасение может быть связан именно с отсутствием понятия «одновременности» в релятивистской механике. Поскольку скорость света является постоянной, то (при достаточно больших размерах корабля противника) мы можем уловить отсутствие синхронизма, т. е. заметить, что более близко расположенные (с нашей точки зрения) лазеры должны начать стрельбу чуть раньше, а более удаленные – чуть позже. Понятие «одновременности» в таких ситуациях перестает быть абсолютным и начинает зависеть от системы отсчета.
Разумеется, читатель вправе спросить: какая из систем отсчета является более точной или «правильной»? Теория Эйнштейна не дает преимущества ни одной из них, полагая все системы относительными. Если расстояние между предметами (например, между компьютером и креслом командира) на вражеском корабле составляет три метра, то из этого вовсе не следует, что оно будет равно тем же трем метрам при измерении в иной системе. Теория относительности категорически запрещает саму возможность измерения точных размеров и соотношений для описываемых систем. Например, наблюдатели на двух космических кораблях, двигающихся параллельным курсом с околосветовыми скоростями, никогда не смогут точно сравнить их размеры. Никакие аккуратные «отметки» и измерения не помогут, поскольку для таких кораблей невозможно найти единые «меры длины». Более того, если бы наблюдатели могли во время такой воображаемой встречи слышать тиканье часов на борту проходящего мимо корабля, то они бы с удивлением обнаружили, что часы в разных системах отсчета тоже идут по-разному (часы на движущемся корабле идут медленнее, что было названо эффектом растяжения или замедления времени).
***
Мысленные эксперименты удобны тем, что в них можно легко пренебречь массой несущественных особенностей реальности и сконцентрировать внимание на принципиальных характеристиках рассматриваемых систем. Конечно, описанные выше мысленные эксперименты и наблюдаемые в них так называемые релятивистские эффекты невозможно проверить в привычных условиях, но выведенные Эйнштейном уравнения позволяют точно описать многие странные явления, возникающие при движении систем с релятивистскими скоростями.
На эффектах и парадоксах теории относительности построено множество сюжетов научно-фантастических романов и фильмов. Особенно понравилась романистам идея о замедлении времени, и читатель наверняка может вспомнить какой-нибудь вариант истории о космическом корабле, вернувшемся на Землю (которую условно можно считать неподвижной) с космонавтом, постаревшим всего на несколько лет, в то время как все его сверстники стали глубокими старцами или уже умерли. Кстати, величину этого эффекта можно рассчитать по довольно простым формулам (например, при скорости, равной 99% от скорости света, время в корабле будет течь в семь раз медленнее, чем на Земле, так что после 10-летнего полета космонавты действительно увидят родную планету постаревшей на 70 лет). В общем случае, при приближении к скорости света в движущейся системе замедляется время, увеличивается вес объектов и их длина.
Эйнштейн пытался представить и описать движение с релятивистскими скоростями в случае электронов (самых маленьких субатомных частиц, вращающихся вокруг атомного ядра), что представляет особый интерес, поскольку электроны можно легко ускорять различными методами. Из его уравнений следовало, что время в собственной системе отсчета электрона при возрастании скорости начинает замедляться, в результате чего ускорение (при той же действующей силе) уменьшается, и это эквивалентно «утяжелению» электрона, т. е. увеличению его массы. Рассуждения подобного типа привели Эйнштейна еще в 1905 г. к фундаментальному открытию, что масса тела является мерой содержащейся в нем энергии, что и выражает ставшая знаменитой и общеизвестной формула Е = тс2, где с означает скорость света, а Е – полную энергию тела с массой т.
Это простое уравнение в действительности имеет весьма глубокий смысл, поскольку наглядно демонстрирует, что энергия и масса (которые всегда считались совершенно разнородными понятиями) являются разными представлениями одной и той же сущности. Выделяя или поглощая энергию, материальные объекты просто переводят эту сущность из одной категории в другую во всех процессах, независимо от того, идет речь о горении куска угля, любовных играх или взрывах Сверхновых.
Приведенная выше формула и ее применение кажутся достаточно простыми и понятными, но гораздо более сложными и парадоксальными были рассуждения Эйнштейна о различных эффектах, возникающих при приближении к световому порогу скорости, поскольку для их объяснения ученый пользовался необычной смесью из здравого смысла, собственных интуитивных озарений и весьма сложных математических уравнений. Однако еще более сложной для восприятия широкой общественности оказалась обобщающая концепция пространства-времени, которая вытекала из предлагаемой Эйнштейном теории.
***
Учет времени в качестве четвертой координаты означает фактически, что мы не можем указать положение какого-либо тела в пространстве без указания точного времени измерения, и обратно. Ни одну пару событий в мире нельзя считать одновременной, поскольку все они разделены существованием порогового значения скорости, неким общим ограничением на передачу информации, которое относится ко всем видам электромагнитного излучения. Никакие командиры кораблей с релятивистскими скоростями никогда не узнают, насколько синхронны залпы их лазерных излучателей, поскольку каждый будет пользоваться собственной системой отсчета, собственными критериями времени и расстояния.
Математически положение тел в четырехмерном пространстве-времени можно описывать столь же легко и удобно, как координаты точки на листе обычной миллиметровки, однако это обстоятельство не облегчает понимания теории, поскольку почти все мы привыкли к обычному, трехмерному восприятию пространства (в котором, как нам кажется, и проходит наша жизнь). Поэтому читателю лучше не напрягать свое воображение, а просто попытаться понять «принципы действия» предлагаемой теории.
О наглядности физических моделей или теорий следует сказать хотя бы несколько слов, поскольку именно наглядность была характерной особенностью классических представлений. Все мы, например, привыкли воспринимать гравитацию в качестве силы, которая заставляет яблоко падать на голову юного Исаака Ньютона в соответствии с общеизвестной гравюрой в школьных учебниках. Позднее историки выяснили, что история с яблоком является легендой, возникшей через много лет после смерти Ньютона, но она до сих пор наглядно демонстрирует детям действие закона всемирного тяготения и прекрасно запоминается. Строго говоря, никто не понимает механизма гравитации, которая столетиями остается загадкой, несмотря на приятную и столь понятную всем картинку с яблоком (Эйнштейн безуспешно размышлял о гравитации несколько десятков лет, но и ему не удалось создать точную теорию этого явления).
Через 10 лет после публикации первой работы по специальной теории относительности Эйнштейн занялся проблемами гравитации и создал так называемую общую теорию относительности, ставшую его вторым главным научным открытием. Именно она позволила Эйнштейну предсказать величину отклонения света удаленных звезд в гравитационном поле Солнца, поразившую британских астрономов, наблюдавших затмение 1919 года. Это предсказание и сделало его мировой знаменитостью, хотя в действительности всё гораздо более сложно (Эйнштейн предсказывал, что гравитационное поле Солнца будет искривлять пространство-время, а свет от звезд должен был лишь двигаться по искривленным траекториям.)
Новая теория и ее наглядное астрономическое подтверждение знаменовали собой революционные изменения в научном описании и понимании мира вообще (начиная с нашей маленькой, уютной Солнечной системы и кончая далекими галактиками). Древние греки когда-то полагали, что Солнце, планеты и звезды закреплены на огромных прозрачных сферах, вращающихся вокруг Земли. Позднее, благодаря Галилею и Копернику, мы поняли, что Земля и остальные планеты вращаются вокруг Солнца, а в начале XX века Хаббл доказал, что даже гигантские звездные системы вращаются и убегают друг от друга в просторы космоса с огромной скоростью. Все эти системы объединяло одно – в них предполагалось, что эти немыслимо сложные движения обусловлены какими-то силами (которые мы пока просто не понимаем), связанными с взаимодействием между объектами.
