Александр Китайгородский - Физика – моя профессия
Первое задание преподавателя звучит так: измерить по часам время, необходимое для прохождения света от одной боковой стены своего вагона до противоположной. После того как ускоряющие двигатели были выключены и вагоны перешли в режим равномерного движения, студенты приступили к измерению времени.
– Все в порядке, – сообщают они друг другу и преподавателю, – передаем результаты.
Цифры совпадают: вагоны в точности одинаковые, опыты тождественные – иначе и быть не может, – время по часам Миши, измеряемое Мишей, и время по часам Пети, измеряемое Петей, течет одинаково.
Второе задание заключается в измерении того же события, но на чужом корабле. Теперь Миша измеряет время прохождения светового луча в Петином корабле, а Петя определяет время такого же события в Мишином корабле. Измерения, естественно, носят уже другой характер. Мгновения, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени, могут быть сообщены на чужой корабль при помощи радиосигнала. Миша измеряет время между приходами радиосигналов, которые послал Петя, а Петя измеряет интервал времени, который проходит между радиосигналами, посланными Мишей. Теперь Миша измеряет время, идущее по часам Пети, а Петя измеряет время, идущее по часам Миши. Измерения дают другой результат: у обоих студентов получились опять-таки одинаковые цифры (условия измерения полностью симметричны), но цифры оказались несколько большими, чем в первом измерении. Попутешествовав на своих ракетах в разных условиях, студенты устанавливают на опыте следующее. Для наблюдателя, неподвижного по отношению к событию, временно́й интервал события имеет какое-то характерное значение. Движущиеся наблюдатели для этого же события будут получать бо́льшие цифры, и при этом тем большие, чем быстрее они движутся.
Оказывается, время относительно. Результат измерения времени зависит от состояния движения измеряющего по отношению к измеряемому событию.
– Но этот результат эксперимента есть строгое следствие аксиом Эйнштейна, – поясняет Миша Пете (или Петя Мише; мы не будем лишать их симметрии). – Обрати внимание на то, что луч света идет поперек вагона только тогда, когда мы ведем наблюдение за своим лучом.
Наблюдая же за чужим вагоном, каждый из нас двоих отмечает: добираясь от источника до приемника, луч прошел большее расстояние. Оно равно длине гипотенузы некоего треугольника. Одна сторона его – путь, на который переместился чужой вагон, пока свет достигал приемника, а другая – ширина вагона. Но скорость света одинакова для нас обоих. А путь, пройденный лучами, разный. Значит, промежуток времени, за который свет прошел расстояние от источника до приемника в своем вагоне, меньше для своего наблюдателя (свет прошел более короткий путь – поперек вагона), чем для чужого (в чужом вагоне он, нам кажется, прошел по гипотенузе). А это как раз то, что мы с тобой наблюдали, заключает Миша (или Петя).
После этого наша пара спокойно отправляется обедать, нисколько не взволнованная революционностью полученного результата.
Но современникам открытия Эйнштейна принятие этого вывода давалось с большим трудом.
– Время не абсолютно!
– Время зависит от движения наблюдателя!
– Один и тот же процесс протекает с разной скоростью, если наблюдать за ним с разных позиций!
Все эти формулировки одного и того же факта казались необычными, странными, противоречащими здравому смыслу. Особенно неприятно было соглашаться со следствием, вытекающим из симметрии наблюдателей: для каждого из двоих измерения своих событий приводят к меньшим цифрам. Так, Миша сообщает Пете: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 секунды; но Петя сообщает Мише: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 микросекунды. Чтобы парадокс был яснее, его можно сформулировать так: Миша устанавливает, что отстают Петины часы, а Петя – что отстают Мишины часы.
А нельзя ли выяснить, чьи часы отстают на самом деле после того, как Миша и Петя возвратятся из своего учебного путешествия в космос? Сверить, конечно, можно, но это не способ проверки вывода специальной теории относительности, содержание которой мы сейчас излагаем. Изложенный вывод принадлежит только этой теории, которая касается, только случая равномерного прямолинейного движения. При таком движении наблюдатели могут встретиться только один раз, и проверка поведения часов может быть сделана только путем радиоразговоров.
А что все-таки произойдет, если сверить Мишины и Петины часы после их возвращения? Будут ли часы показывать одно и то же время или какие-то уйдут вперед? Оказывается, чтобы дать ответ на этот вопрос, надо точно описать, как происходило движение обоих космонавтов по отношению к звездному небу.
Один случай представляет особенный интерес. Предположим, что из какого-то места ушла в далекое путешествие космическая ракета, а потом через какое-то время вернулась в то же место. Перед отправлением часы на ракете и на космодроме были сверены. Вторая сверка происходит после возвращения ракеты. Можно строго доказать, что больше времени пройдет на часах космодрома. Если путешествие было очень быстрым (близким к скорости света), то на ракете могут пройти годы, в то время как на космодроме пройдут десятилетия и даже столетия.
Но на этих занятных выводах нет возможности останавливаться подробнее. Хотелось лишь подчеркнуть, что строгое физическое рассуждение, основывающееся на бесспорных аксиомах, привело к новым взглядам на такое фундаментальное понятие, как время. Оказалось, что промежуток времени есть относительная величина, то есть с разных точек зрения время одного и того же события оказывается разным.
Ясно, что уже и этого единственного заключения теории относительности вполне достаточно, чтобы возмутить «здравый смысл». Выслушав меня терпеливо, «здравый смысл» вступает в беседу.
– Что за чушь: с одной точки зрения, с другой точки зрения? Это же противоречит здравому смыслу… А на самом деле сколько времени прошло?
– Да нисколько, так спрашивать нельзя.
– Ну, знаете! Как это – нельзя? Вздор!
– Но, позвольте, ведь есть много вещей, про которые спрашивать нельзя. Скажем, ведь вы согласны, что бессмысленно спрашивать, какой город ближе – Ленинград или Париж. Для нас, жителей Москвы, Ленинград ближе Парижа, а население Марселя не сомневается, что Париж у них под боком, а Ленинград далековато.
– Ну, да это совсем другое дело.
– Другое?! Да нет, очень похожее. На вопрос, не имеющий смысла, нельзя дать ответа.
– Но почему вопрос о том, сколько на самом деле прошло времени между выстрелом и попаданием в цель, лишен смысла? Ведь время…
– Да, да, пожалуйста, ведь время… Вы, кажется, хотели сказать, что такое время?
– Ведь время – это… да не спрашивайте про пустяки, всякий знает, что такое время… Ну, в конце концов время – это то, что меряется часами.
– Превосходно, совершенно правильно. Лучшего ответа нам и не надо. С этого ведь я и начал объяснение. Я просил вас только обратить внимание на то, что каждый носит свои часы при себе и о своем времени судит легко. А вот о чужом времени…
– Свое время, чужое… Не влезает мне это в голову. Время одно.
– Уфф! Ну как же одно? У первого путешественника свои часы, а у второго свои, и если они хотят сверить часы, то одному из них надо послать сигнал другому. Ведь я же вам это объяснял: один смотрит, сколько времени заняло событие, по своим часам, а второй – тот, что движется, – посылает сигналы, сколько времени показали его часы в начале и конце события. Так мы и пришли к выводу, что интервал между событиями, измеренный по своим часам, будет больше.
– Вы все про часы, а я про время. Ведь время…
– Ну что, ведь время? Вы же согласились, что время – это то, что измеряется часами.
– Нет и нет, не запутывайте меня, пожалуйста. Я чувствую, что здесь что-то не так. Не укладывается у меня это в голове.
Да, тяжело бороться со здравым смыслом. Но спорить с тем, кто отбрасывает строгую логику рассуждения в угоду безапелляционно принятым «истинам», – это как об стену горохом. Разумеется, выводы теории относительности с изумлением, восторгом и преклонением перед мощью аналитического разума были быстро подхвачены тысячами физиков, которые, проверив логическую нить Эйнштейна, не нашли в ней ни малейшего изъяна.
Но сторонники здравого смысла продолжали негодовать, возмущаться, требовать «других доказательств» еще долгие годы (поразительно, что даже и сейчас изредка слышатся их голоса). А в этих «других доказательствах» недостатка не было. Они появились в совершенно неограниченном числе много времени спустя, когда физики начали работать с частицами, движущимися с околосветовой скоростью.
Я остановился лишь на выводе теории, касающемся промежутков времени. Но столь же строго из основных постулатов теории относительности следовали и другие революционные выводы. Среди них – заключение о возрастании массы частицы с увеличением скорости ее движения и заключение об эквивалентности энергии и массы.
