Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
По-видимому, теория Максвелла, в которой скорость света оказалась фундаментальной величиной, произвела сильное впечатление на немецкого физика Альберта Эйнштейна (1879–1955)[27].
В 1905 году Эйнштейн, еще, в сущности, совсем молодой человек, опубликовал свою статью, где изложил основы так называемой специальной теории относительности.
Его теория строилась на двух важнейших постулатах:
1. Движение является относительным. Для всех наблюдателей, которые движутся равномерно (то есть не меняя скорость и никуда не поворачивая), все проявления физических законов выглядят одинаково. Наблюдатели могут двигаться очень быстро или очень медленно (лишь бы равномерно!) — для них эффекты физических законов будут проявляться одинаково.
2. Скорость света в пустоте постоянна. Если наблюдатель движется равномерно (неважно, быстро или медленно), скорость света для него не меняется и всегда равна с.
Что такое постулаты? Это то же самое, что аксиомы — положения, которые мы принимаем без доказательств.
На каком основании они приняты? Строго говоря, это предположения Эйнштейна, которые он выдвинул, конечно же, не просто так. Любые претензии к постулатам в науке снимаются одинаково: надо проверить их следствия. Если предсказания, основанные на теории, не сбываются — не подтверждаются результатами опытов либо наблюдениями, значит, тем хуже для теории, она не верна. Если же предсказания сбываются на практике, особенно те предсказания, которые следуют именно из этой теории, но не следуют из других, значит, теория правильна!
Забегая вперед, укажем, что все предсказания теории подтвердились и продолжают подтверждаться, несмотря на то что и сами постулаты, и следствия теории выглядят иногда противоречащими здравому смыслу.
Например, второй постулат — о постоянстве скорости света в любой равномерно движущейся системе координат — кажется абсурдным. Если некий наблюдатель едет на машине и стреляет вперед из пистолета — с какой скоростью пуля вонзится в мишень? Любой школьник скажет, что к скорости пули нужно прибавить скорость машины[28].
В рамках этой же логики, если мы будем лететь на звездолете и направлять вперед лазерный луч, может показаться, что скорость распространения луча будет больше скорости света — к этой величине нужно было бы добавить скорость звездолета. Но согласно второму постулату теории относительности это неправильно. Скорость света в пустоте всегда одинакова — и для наблюдателя в звездолете, и для неподвижного наблюдателя, который следит за экспериментом со стороны, когда звездолет пролетает мимо его планеты.
Как это может быть? Если вспомнить, что скорость — это величина пути, пройденного за единицу времени, получается, что для разных наблюдателей по-разному должны восприниматься либо путь, либо время, либо и то и другое.
Специальная теория относительности предсказывает удивительные вещи. Для того чтобы выполнялся постулат о постоянстве скорости света в любой равномерно движущейся системе отсчета, должно изменяться многое: например, должно замедляться время на часах в звездолете по сравнению с часами неподвижного наблюдателя на Земле[29].
Теория, кроме того, предсказывает сокращение длины звездолета в направлении его полета[30] — с точки зрения (относительно) наблюдателя, оставшегося на планете. Но при этом наблюдатель на звездолете не заметит, что и звездолет, и сам наблюдатель на его борту сплющатся в том же направлении. Зато луч света будет распространяться для обоих наблюдателей с одной и той же скоростью — скоростью света с.
Скорость света измерялась неоднократно за последнее столетие. Неважно, приходит ли к нам на Землю свет от приближающейся или удаляющейся звезды, его скорость всегда одинакова — это скорость света с.
Эффекты специальной теории относительности, предсказанные Эйнштейном, подтвердились фактами. Оказалось, что часы на борту космического корабля и часы на Земле действительно идут с разной скоростью. И дело не в том, что на борту корабля часы выходят из строя. Само время течет медленнее, если осуществляется движение!
Эта картина мира отличается от привычного мира Ньютона. Сэр Исаак Ньютон считал, что во всей Вселенной время течет одинаково, в одном и том же темпе. Хорошо сделанные часы, разнесенные по разным звездным системам, должны идти абсолютно синхронно — так считал ученый, и все человечество вслед за ним не сомневалось, что иначе быть не может.
В картине мира Эйнштейна это не так: и время, и размеры объектов, то есть свойства пространства и времени, изменяются в зависимости от скорости. Для света, который (естественно) движется со скоростью света и никак иначе — ни быстрее, ни медленнее, — время останавливается. Эйнштейн не писал о времени и о пространстве по отдельности. Он считал, что Вселенная существует в едином пространственно-временном многообразии, что время — это тоже координата (четвертая), которую нужно добавить к трем пространственным координатам нашей Вселенной. Все вместе они образуют четырехмерное пространство-время.
Для того чтобы определить положение любого объекта во Вселенной, нам нужно знать все четыре координаты. Представьте себе, что мы хотим назначить встречу товарищу. Мы должны указать полные координаты места и времени встречи: например, угол проспекта Х и улицы Y, в офисе на восьмом этаже в 15 часов. Эти четыре координаты (три пространственные и одна временнáя) полностью определяют, где и когда произойдет встреча.
Специальная теория относительности показывает, что эти координаты связаны друг с другом через скорость.
Мы все время движемся вдоль временной координаты (вдоль оси времени). До Эйнштейна мы считали, что это вечное движение во времени абсолютно равномерно, всегда одинаково и от нас не зависит: река времени несет нас сама из прошлого в будущее. Наши часы (если они хорошо сделаны) идут всегда с одинаковой скоростью. Секунда вчера равна секунде завтра.
Специальная теория относительности утверждает, что это не так. Все зависит от нашей скорости перемещения в пространстве. Даже если мы в пространстве не движемся или движемся медленно, мы тем не менее продолжаем двигаться во времени. В этом случае все (или почти все) наше движение происходит только вдоль оси времени. Но если мы начнем двигаться в пространстве (сядем на ускоряющийся звездолет), наше движение во времени будет замедляться: часть нашего общего движения в пространстве-времени будет все больше «уходить» в пространственные координаты. Если мы разгонимся до огромной скорости (например, 0,999 от скорости света с) — это приведет к тому, что время на звездолете сильно замедлится. Значит ли это, что при достижении скорости света для объекта, обладающего такой скоростью, время, с точки зрения внешнего наблюдателя, остановится?
Это действительно так. Но со скоростью света могут двигаться только объекты, не обладающие массой (другими словами, нашему звездолету это не грозит). Такие объекты — это сам свет (электромагнитные
