Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
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.
Тут необходимы пояснения. Человек, включающий фонарик, видит движение луча света или пули иначе, чем случайный прохожий. Последнему траектория света покажется длиннее, а поскольку скорость света для них одна и та же, то время, прошедшее между двумя событиями — включением фонарика и появлением светового пятна на противоположной стене, — будет для разных наблюдателей разным.
Неужели это реально? Да. Мы уже достаточно знаем о космических и атомных процессах, чтобы убедиться: при высоких скоростях все так и есть. Если бы я передвигался со скоростью, равной половине скорости света, то потраченные мной три с небольшим минуты с точки зрения пешехода на тротуаре длились бы на полминуты дольше.
Теперь разгоним трамвай до скорости света и посмотрим, как будет выглядеть пространство во время этого путешествия. Согласно теории относительности, предметы вокруг меня деформируются. Возникнут также цветовые искажения, но вызванные уже другими причинами. Шпили и островерхие крыши зданий будут словно кланяться путешественнику, остальные дома как будто поспешат столпиться вокруг него. Я двигаюсь по горизонтальной оси, поэтому горизонтальные расстояния покажутся мне короче, но высота объектов останется прежней. Формы автомобилей и силуэты людей сузятся. Все описанное верно и для того, на кого я смотрю, и, наоборот, для тех, кто смотрит на меня. Этот кэрролловский зазеркальный мир относительности симметричен, и мой трамвай для наблюдателя тоже как будто сплющится по длине.
Очевидно, что картина мира Эйнштейна отличается от модели Ньютона. Для последнего время и пространство были абсолютами, в рамках которых материальные события развивались единообразно. Подобный взгляд — это взгляд всевидящего ока, созерцающего картину, единую для всех. Эйнштейн смотрел на мир взглядом человека, при котором то, что вижу я, и то, что видите вы, зависит от каждого из нас, от нашего положения и скорости. И эту относительность нельзя устранить. Мы не можем знать, каков мир сам по себе, мы можем только сопоставлять свои наблюдения, общаясь между собой.
Я в своем трамвае и вы в кресле с книгой можем передать друг другу только наши личные впечатления. К тому же сообщения не передаются мгновенно, неизбежное запаздывание сигнала всегда связано с конечной скоростью распространения света.
В реальности трамвай не движется со скоростью света. Эйнштейн ездил на нем до Швейцарского патентного бюро. По вечерам ученый частенько заходил в кафе «Больверк». Работа с патентами была не слишком обременительной. Честно говоря, большинство заявок (например, предложение по усовершенствованию старого ружья или некоего устройства для управления переменным током) выглядели довольно глупо. На подобных бланках Эйнштейн частенько писал: «Ошибочно, неточно, не ясно».
По вечерам за столиком кафе «Больверк» он встречался со своими коллегами — и тут начиналась настоящая жизнь, потому что они говорили о физике. Эйнштейн, как правило, молчал. Он курил сигары, пил кофе и очень много думал. В его голове роились вопросы, так далекие от обычных физических проблем. Как происходит обмен информацией между людьми? Что это за процесс? Какие сигналы мы посылаем друг другу? Как мы расшифровываем эти послания?
Поиск ответа на подобные вопросы стал сутью всех его работ. Шаг за шагом он приближался к истине.
Результатом раздумий стала статья, опубликованная в 1905 году, под названием «К электродинамике движущихся тел». В этом объемном труде заложены основы той стройной формулы, которая будет опубликована чуть позже: Е=mс2. Для нас особенно важно, что первые строки Эйнштейна, касающиеся теории относительности, закладывали основу для создания в будущем атомной физики. Для Эйнштейна это был шаг к созданию единой картины мира — так воспринимали свои открытия и другие мыслители от науки, включая Ньютона. Теория относительности родилась из глубокого понимания процессов, происходящих в природе и в общении между людьми. Физика — это не события, а наблюдения. Предложенный Эйнштейном метод основан на представлении о мире, в основе которого лежат не события, а отношения.
Впоследствии Эйнштейн вспоминал то время с удовольствием и даже сказал своему другу Силарду: «Это были самые счастливые годы моей жизни. Никто не ожидал, что я способен нести золотые яйца». Конечно, как иначе можно назвать открытия Эйнштейна — квантовые эффекты, общую теорию относительности и теорию поля? Последователи сумели доказать многие теоретические выводы и гипотезы ученого. Например, в 1915 году он в рамках общей теории относительности предположил, что гравитационное поле вблизи Солнца может заставить луч изгибаться благодаря искривлению пространства. Королевское научное общество отправило две экспедиции в Бразилию и на Западное побережье Африки для наблюдения за поведением солнечных лучей во время солнечного затмения. 29 мая 1919 года руководитель экспедиции Артур Эддингтон сделал уникальные фотографии звезд во время затмения. Ученый считал это величайшим моментом в своей жизни. Он поспешил телеграммой сообщить новость математику Джону Идензору Литлвуду а тот немедленно написал о результатах экспедиции Бертрану Расселу:
Дорогой Рассел:
Теория Эйнштейна полностью подтвердилась. Прогноз отклонения — 1 мин. 72 сек., реально наблюдаемый угол — 1 мин. 75 сек. ± 06.
С уважением, Дж. И. Л.
Таким образом, теория относительности из умозрительных заключений стала реальностью. Формула Е = mс2 со временем была экспериментально и практически подтверждена. Даже идея о том, что движущиеся часы идут иначе, чем неподвижные, подтвердилась полностью и теперь считается неоспоримой. А тогда, в 1905 году, Эйнштейн в шутку описал эксперимент, который мог бы подтвердить эту его теорию:
Попробуйте синхронизировать два часовых механизма. Один из них закрепите в точке А, второй запустите с постоянной скоростью по замкнутой кривой из точки А в точку А. Пусть все время путешествия составляет по показаниям неподвижных часов t секунд. При этом движущиеся часы отстанут на величину 1/2t(v/c)2. Следовательно, часы, зафиксированные на экваторе Земли, будут идти немного медленнее, чем такой же хронометр, закрепленный на одном из полюсов Земли.
Эйнштейн умер в 1955 году — через пятьдесят лет после великой статьи 1905 года. Однако тогда невозможно было измерить время с точностью до одной миллиардной доли секунды, так что предложение сравнить скорость течения времени на экваторе и на полюсе казалось очень странным. Сегодня это получилось — еще как получилось!
Эксперимент был проведен в Харуэлле, оксфордском центре научно-исследовательских работ по атомной энергетике, молодым ученым по имени X. Дж. Хей. Он сделал модель Земли, поместив на плоскую тарелку полюс (в центре) и экватор (по ободу). В центр установил неподвижный хронометр, а на обод — очень точные часы и заставил их описывать окружность. Эти часы измеряют время путем статистических подсчетов количества распадающихся радиоактивных атомов. Разумеется, у Хея часы, движущиеся по ободу, шли медленнее тех, что были закреплены в центре. Этот эффект можно наблюдать на любом вращающемся диске, например на пластинке, которая крутится на граммофоне.
Эйнштейн был создателем скорее философской, чем математической, системы. Его гениальность проявлялась в его философских идеях, которые позволяли совершенно по-новому взглянуть на практический опыт.
Он не смотрел на природу как на Бога, он изучал ее как следопыт, то есть, находясь внутри хаоса, он пытался увидеть его свежим взглядом и найти закономерности. Он описывал Вселенную такой, какой ее наблюдал:
Мы забыли, какие свойства мира ощущений заставили нас выработать те или иные донаучные концепции, поэтому нам трудно перестать смотреть на этот мир через призму устаревших представлений. Существует и другая трудность: наш язык состоит из слов, которые неразрывно связаны с этими примитивными понятиями. Вот те препятствия, что стоят перед нами, когда мы пытаемся описать сущность донаучной концепции пространства.
