Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
Более того, даже если пространство не плоское, оно не обязательно сферическое, иначе говоря, оно не обязано везде иметь положительную кривизну. Пространство может менять свою кривизну, содержать седловые точки,[7] из-за чего движение тел в таком пространстве может быть более предпочтительным в одних направлениях, нежели в других. Мы по-прежнему будем видеть, как планеты движутся по орбитам, но причиной их движения будет не гравитационное поле, а геометрия пространства.
На рисунке показаны последовательные этапы превращения сферы, имеющей положительную кривизну, сначала в цилиндр с нулевой кривизной, а затем в гиперболоид вращения с отрицательной кривизной поверхности.
Во времена Ньютона требовать большего от любого, самого одаренного ученого, было невозможно — математика пока была не в силах постичь реальный мир. О его свойствах догадывались лишь наиболее просвещенные и вдумчивые философы. Они предлагали рассматривать пространство как абсолютную систему координат, сетку. Ньютон упростил представления о мире в ущерб реальности. Лейбниц, не согласившись с ним, произнес пророческие слова: «Я принимаю термин „пространство“ но при этом он будет означать нечто относительное, такое же, как и время».
У Ньютона время тоже было абсолютом. Оно имело решающее значение при астрономических расчетах: мы не знаем, как далеко от нас расположены звезды, и можем лишь фиксировать моменты их прохождения через меридиан. По этой причине мореходы призывали к совершенствованию двух главных навигационных приборов — телескопа и часов.
В первую очередь требовалось улучшить телескоп — этим занялись в новой Королевской обсерватории в Гринвиче. Инициировал работу вездесущий Роберт Гук, который вместе с Кристофером Реном проводил реконструкцию Лондона после великого пожара 1666 года. Мореплаватели теперь могли определять свое местоположение, пользуясь новой точкой отсчета — Гринвичским меридианом, проходящим через центральную обсерваторию. Этот меридиан определял два ключевых репера: нулевую долготу и гринвичское время.
Вторым новшеством стало усовершенствование часового механизма. Часы превратились в символ эпохи, потому что благодаря теории Ньютона они нашли практическое применение в открытом море. Хронометр, показывающий время по Гринвичу, помогал морякам ориентироваться в океане. Принцип расчетов предельно прост: Земля совершает полный оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу за 24 часа, следовательно, на каждый из 360 градусов она поворачивается за четыре минуты. Матрос, который видит Солнце в кульминации (в самой высокой точке над горизонтом), смотрит на хронометр и понимает по разнице во времени, на какой он находится долготе.
Правительство пообещало вручить приз в размере 20 000 фунтов стерлингов тому, кто сумеет разработать часы, по которым можно было бы ориентироваться с точностью до половины градуса во время шестинедельного похода. Лондонские производители часов (в их числе Джон Харрисон) создали совершенно гениальный механизм, маятник которого исправно работал независимо от крена судна.
Эти технические задачи спровоцировали в конце XVII века изобретательский бум. Справедливости ради стоит отметить, что проблема учета точного времени и сегодня вдохновляет ученых и инженеров на оригинальные и остроумные придумки. Действительно, морской поход корабля сродни звездным путешествиям. Как звезда перемещается в пространстве и как мы определяем, сколько времени занимает ее путь? Стартовой точкой подобных расчетов стали навигационные карты мореходов, потому что они заставили задуматься об относительности времени.
Часовые мастера XVII–XVIII веков были аристократией среди ремесленников подобно мастерам-каменщикам в Средние века, что говорит о важности этих приборов в жизни людей. Часовщики стремились к тому, чтобы хронометры не только показывали точное время, но и воспроизводили движение планет по небу.
Господство идей Ньютона длилось без малого два столетия. Если бы его призрак пришел в Швейцарию в конце XIX века, то все часы в унисон должны были пропеть ему: «Аллилуйя»! Однако, по иронии судьбы, в начале 1900-х именно в Берне, в двухстах ярдах от старинной часовой башни, начиналась научная карьера человека, который снова перевернул наши представления о мире с ног на голову. Его звали Альберт Эйнштейн.
Как раз в это время были обнаружены странности с поведением света. В 1881 году Альберт Майкельсон в ходе экспериментов, которые ученый провел с применением изобретенного им прибора и повторил через шесть лет совместно с Эдвардом Морли, установил, что скорость света всегда остается постоянной и не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости наблюдателя. Открытие американских физиков противоречило законам Ньютона, что взволновало мировое научное сообщество и породило множество вопросов.
Вряд ли молодой Эйнштейн был в курсе этих споров. Он не входил в число наиболее прилежных студентов университета.
Однако к моменту переезда в Швейцарию он уже задавался вопросами, как выглядел бы наш мир с точки зрения путешественника, движущегося вместе со световым лучом.
Поиск ответа на вопрос, что такое свет, был достаточно трудным, потому что путь к истине полон парадоксов. И все же, как в любой творческой деятельности, самое важное здесь — правильно сформулировать вопрос. Гениальность таких людей, как Ньютон и Эйнштейн, заключается в том, что они умеют ставить прозрачные, почти детские вопросы, ответы на которые имеют фундаментальное значение.
Поэт Уильям Купер за это качество называл Ньютона «мудрецом, похожим на дитя», и такое описание вполне применимо и к Эйнштейну, чьего лица, казалось, никогда не покидало удивленное выражение. О чем бы ни писал гениальный ученый — о попытке догнать световой луч или о падении сквозь пространство, — его тексты всегда были полны простых, красивых и наглядных аналогий. Я приведу один подобный фрагмент его работы, в которой он описывает принцип относительности. Эйнштейн делает это на примере того, как он, работая клерком, каждый день ездил на трамвае на службу. Исходный пункт — дом со старинными часами, конечный — Швейцарское патентное бюро.
Отправной точкой рассуждений становится почти детский вопрос: «Как бы выглядел окружающий мир, если бы я путешествовал на световом луче?» Если трамвай будет удаляться от часов со скоростью света, то, с точки зрения пассажира, эти часы остановятся.
Позвольте мне разъяснить, почему так происходит. Предположим, что часы расположены у меня за спиной. Они показывают полдень. Это момент отправления. Но допустим, что я удаляюсь от них на световом луче на 300 000 километров. Такое расстояние я преодолею за одну секунду. Но часы будут по-прежнему показывать полдень, потому что отраженному от них свету требуется та же секунда, чтобы добраться до меня. Таким образом, до тех пор, пока я путешествую на трамвае со скоростью света, я буду наблюдать, как часы на башне будут показывать одно и то же время.
Это удивительный парадокс! Я не стану вдаваться в его последствия и проблемы, которыми был озабочен Эйнштейн. Только констатирую факт, что если я путешествую на луче света, то окружающее время для меня останавливается. Это означает, что, достигнув скорости света, я останусь один в своем собственном пространстве и времени, которое все более и более будет расходиться со временем остального мира.
Подобные парадоксы помогают понять две вещи. Первая очевидна: универсального времени не существует. Вторая сложнее: путешественник и домосед воспринимают один и тот же опыт по-разному, как и каждый из нас. Например, если я еду на трамвае, то законы, связывающие скорость, время и расстояние, для меня точно такие же, как и для человека, стоящего на тротуаре под часами. Однако фактические значения, которые получим я и стоящий на мостовой человек, не совпадут.
В этом — суть принципа относительности. Однако встает очевидный вопрос: «Что объединяет разные точки зрения?» Прежде всего — свет, который является носителем информации, связывающей нас. Именно поэтому с 1881 года физиков озадачивает факт: когда мы обмениваемся сигналами, информация между нами всегда движется с одной и той же скоростью. Иначе говоря, скорость света — постоянная величина. При этом время, пространство и масса — характеристики, индивидуальные для каждого наблюдателя, но на всех нас действуют одинаковые законы, потому что и трамвай, и человека, стоящего на тротуаре, связывает скорость света, которая при любых условиях остается неизменной.
Свет и другие излучения являются сигналами, которые распространяются по Вселенной, словно рябь по воде, и не существует способа заставить их двигаться быстрее, чем они это делают. Свет, радиоволны или рентгеновское излучение передают новости и сообщения, формируя базовую сеть информации, которая связывает воедино материальную Вселенную. Даже если сообщение, которое необходимо послать из одной точки в другую, представляет собой сигнал точного времени, все равно мы не сможем получить его быстрее, чем его доставит свет или радиоволна. Для Вселенной не существует универсального времени, не существует сигнала от Гринвичской обсерватории, по которому мы могли бы настроить наши часы, не учитывая скорость света.
