Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Это не только остроумный ответ в тон Эйнштейну, а еще и напоминание о том, что явления классической физики гораздо ближе к повседневной жизни, чем явления атомных масштабов. Соответственно, понятия и научные идеалы квантовой физики могут кардинально отличаться от привычных. Тут стоит вспомнить слова Галилея о Природе, которая «вовсе не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия», и о Боге, который «наделил нас органами чувств, языком и разумом, чтобы с их помощью мы сами могли получить знания об устройстве Природы».
Освоение нового языка требует усилий. В квантовой физике нужно было выработать новый язык для мира квантовых явлений и говорить на нескольких языках сразу. Когда речь шла о зримо-осязаемых рукотворных приборах, нужен был язык классической физики. А говорить о квантовых явлениях, измеряемых этими приборами, нужно было на новом — квантовом — языке. И это было нелегко даже тем, кто этот новый язык изобретал.
Когда некий физик посетовал, что при одной мысли о квантовых проблемах у него кружится голова, Бор ответил: «Если кто-то думает о проблемах квантовой теории без головокружения, значит, он ничего в них не понимает». К трудностям двуязычия, впрочем, добавлялось головокружение от успехов теории.
Главным средством от головокружения было понимание, что квантовая механика — это еще не подлинная теория. Не потому, что она не соответствовала вкусам, или, скажем прямо, предрассудкам Эйнштейна, а потому, что квантовая механика не учитывала одно из главных его достижений — теорию относительности, которой было уже двадцать лет от роду. Создатели квантовой механики принимали теорию относительности как несомненную истину. Еще в модели атома Бора удалось, применив теорию относительности, объяснить тонкости спектра, но квантовая механика делала вид, что никакой теории относительности нет. Физика жила в двух эпохах параллельно — в квантовой и в релятивистской. Квантовая физика развивалась на основе константы Планка h, а релятивистская — на основе скорости света c, которая тоже оказалась фундаментальной константой.
Глава 7
Пространство-время Эйнштейна
Что = Где + Когда
Объясняя смысл поворотной научной работы, трудно взять из нее больше, чем отдельные фразы, — такие тексты пишутся для профессионалов. Однако начало статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» вполне доступно:
Известно, что электродинамика Максвелла в применении к движущимся телам приводит к асимметрии, не свойственной самим явлениям. Например, взаимодействие магнита и проводника с током зависит лишь от их относительного движения, однако случаи, когда движется тот либо другой, описываются совсем по-разному. Если движется магнит, а проводник покоится, то вокруг магнита возникает электрическое поле, которое порождает ток в проводнике. Если же магнит покоится, а движется проводник, то никакого электрического поля вокруг магнита не возникает; зато в проводнике возникает электродвижущая сила, вызывающая точно такой же ток, как и в первом случае.
Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды», побуждают предположить, что не только в механике, но и в электродинамике нет оснований для понятия абсолютного покоя и что для всех систем отсчета, для которых справедливы законы механики, справедливы также и законы электродинамики. К этому предположению, называемому далее «принципом относительности», добавим принцип, который лишь кажется противоречащим первому: свет в пустоте движется всегда с определенной скоростью, не зависящей от движения источника света. Этих двух принципов достаточно, чтобы на основе теории Максвелла для покоящихся тел построить простую и свободную от противоречий электродинамику движущихся тел. При этом понятие «светоносного эфира» окажется лишним.
Намерение Эйнштейна выглядит скромно — поправить формулировку теории Максвелла, не меняя ее основ. Однако, чтобы решить эту задачу, автору пришлось изменить основу всей физики — представления о пространстве и времени. Так в 1905 году родилась самая знаменитая, пожалуй, физическая теория — теория относительности.
За пять лет до того Эйнштейн закончил Политехникум в Цюрихе с дипломом учителя физики и математики. Более года он не мог найти постоянную работу, давал частные уроки, прежде чем его приняли в Патентное бюро техническим экспертом третьего класса, и то лишь после долгого испытательного срока. Через пару лет его класс повысили до второго, но не потому, что в свободное от службы время он получил несколько первоклассных научных результатов. А после семи лет работы в Патентном бюро он очень удивил своего начальника, сообщив, что приглашен читать лекции в университете.
Начальник наверняка удивился еще больше, узнав о взгляде его подчиненного на скорость света. Помню собственное изумление, которое пережил в седьмом классе, услышав, что, согласно Эйнштейну, никакой предмет не может двигаться со скоростью, большей скорости света c. Тогда я уже запросто решал задачки, в которых с некоторой скоростью V двигался поезд, а по его крыше бежал лихой пассажир со скоростью U в том же или противоположном направлении. Скорости надо было сложить или вычесть — и… пятерка обеспечена. Поезд и пассажира я заменил на ракеты — большую и малую. Предположил, что обе ракеты могут двигаться со скоростью V = 2/3 c, чего Эйнштейн не запретил. Запустил большую ракету, а потом с ее борта — малую. Спрашивается, какова итоговая скорость малой ракеты? Ответ:
2/3 c + 2/3 c = 4/3 c,
что больше скорости света.
Где же тут ошибка? Этот вопрос я задал учительнице и… понял, что она не знает! Не помню, что она мне сказала, но помню, как в библиотеке липецкого Дома офицеров прошел мимо привычных полок с приключениями и фантастикой и подошел к полкам с научно-популярными книгами и журналами. Ответ на свой вопрос тогда я не нашел, но обнаружил, что фантастические приключения Майн Рида и Жюля Верна как-то вдруг поблекли рядом с настоящими приключениями тех, кто исследует устройство мира. Следы того давнего открытия сохранились у меня в виде выписок из журнала «Знание — Сила»: что такое альфа-частица, что происходит в атоме и даже таблица элементарных частиц. Но о скорости света в этих выписках нет ничего…
Как бы я теперь объяснил себе 14-летнему, почему 2/3 + 2/3 может быть не равно 4/3?
Начал бы я с того, что отношения между числами и физическими величинами не так уж просты. Соединив два равных объема воды с одинаковой температурой 20°, не получишь воду с температурой 40°, а соединив две капли равного радиуса, не получишь каплю удвоенного радиуса.
Поэтому, говоря о скоростях моих ракет, я прежде всего заменил бы арифметический символ сложения на условный [в квадратных скобках]:
V [+] U =?
пояснив, что мы не числа складываем, а выясняем связь между тремя измеренными величинами: скорость большой ракеты, измеренная земным физиком, скорость бортовой ракеты, измеренная физиком на большой ракете, и скорость бортовой ракеты, измеренная земным физиком.
Итак, большая ракета летит со скоростью V = 2/3 c, то есть за одну секунду пролетает примерно 200 000 километров, и это измеряет физик на Земле. А физик на борту докладывает на Землю, что, согласно его измерениям, малая ракета, запущенная с борта большой, также летит со скоростью U = 2/3 c. В этих двух измерениях сомневаться нечего. Вопрос в том, какой будет скорость малой ракеты, измеренная физиком на Земле. Это вопрос не математический, а физический, вопрос к Природе, и правильный ответ может дать лишь измерение, то есть эксперимент. Заранее вовсе не известно, сколько времени — по часам земного физика — пройдет между двумя событиями, если по часам физика на ракете пройдет, скажем, 30 секунд. Два события — это, например, совпадения секундной стрелки ракетных часов с девяткой, а затем с тройкой. Читатель может сам придумать конкретный способ такого измерения.
Но прежде стоит задать вопрос попроще, безо всяких ракет. Как узнать, какое из двух событий произошло раньше — скажем, какая из двух ламп зажглась раньше, красная или синяя? Если лампы стоят поблизости от наблюдателя и вспышки разделяет порядочный интервал времени, то в вопросе подвоха не заметно. Если же лампы разнести на многие километры, нетрудно сообразить, что надо как-то учитывать и время, которое потребуется свету на путь от каждой из ламп до наблюдателя. Чтобы сделать лампы равноправными, наблюдателю надо, конечно, расположиться ровно посередине между ними.
