Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать
Отказ от концепции эфира можно оправдать с эстетической точки зрения и поддержать экспериментальными данными. Но если мы предпримем этот решительный шаг, то окажемся лицом к лицу с серьезной проблемой: уравнения Максвелла дают очень точный прогноз для скорости света, но не содержат никакой информации о том, относительно чего ее следует измерять. Давайте ненадолго примем уравнения Максвелла такими, какие они есть, и посмотрим, куда это нас приведет. Если мы получим в итоге бессмыслицу, то всегда сможем вернуться и попробовать другую гипотезу, удовлетворившись тем, что отрицательный результат тоже результат. Уравнения Максвелла предсказывают, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, и в них нет упоминания о скорости источника или приемника света. Создается впечатление, будто эти уравнения действительно утверждают, что скорость света неизменна независимо от того, насколько быстро источник и приемник света движутся относительно друг друга. Словом, уравнения Максвелла говорят нам о том, что скорость света – фундаментальная константа природы. Это действительно непростое утверждение, так что давайте потратим еще немного времени на уточнение его смысла.
Представьте себе луч света фонарика. Согласно здравому смыслу, если бы мы бежали достаточно быстро, то теоретически могли бы догнать переднюю часть движущегося вперед пучка света. Здравый смысл даже позволяет предположить, что мы могли бы бежать вместе с лучом света, если бы нам удалось перемещаться со скоростью света. Но если следовать уравнениям Максвелла, то независимо от того, как быстро мы бежим, луч света опережает нас со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Если это не так, то скорость света различна для человека с фонариком и бегущего человека, что противоречит результатам эксперимента Майкельсона и Морли, а также нашему утверждению, что скорость света – фундаментальная константа природы, имеющая одно и то же значение независимо от движения источника или наблюдателя. Похоже, мы оказались в смешном положении. Конечно, здравый смысл будет требовать от нас отвергнуть или по крайней мере пересмотреть уравнения Максвелла – возможно, они верны лишь отчасти? Это предположение не выглядит неразумным, поскольку движение любой реальной экспериментальной установки повлекло бы за собой только крохотное отклонение от скорости в 300 миллионов метров в секунду, которая появляется в уравнениях Максвелла. Это отклонение настолько крохотное, что вполне могло остаться незамеченным в опытах Фарадея. В качестве альтернативы можно просто принять уравнения Максвелла и тот факт, что мы никогда не сможем догнать луч света. Эта идея не просто оскорбляет наш здравый смысл, но и, как покажет следующая глава, подразумевает также, что мы должны отвергнуть само понятие абсолютного времени.
Современному человеку разрушить привязанность к абсолютному времени столь же трудно, как и ученым XIX столетия. Наша интуиция целиком и полностью говорит в пользу абсолютного пространства и времени, но мы должны осознавать, что это всего лишь интуиция. Кроме того, данные понятия лежат в основе законов Ньютона, которые по сей день используются в работе многих инженеров. В XIX веке законы Ньютона казались попросту неприкасаемыми. В то время как работы Фарадея по электричеству и магнетизму уже лежали в Королевском институте, Изамбард Брюнель[9] руководил строительством Большой западной железной дороги из Лондона в Бристоль. В 1864 году, когда Максвелл завершил свой блестящий синтез работ Фарадея и раскрыл секрет света, Брюнель завершил строительство легендарного Клифтонского подвесного моста[10]. Бруклинский мост был открыт спустя восемь лет, а в 1889 году над Парижем вознесся шпиль Эйфелевой башни. Все великолепные достижения века пара были спроектированы и возведены с использованием концепций, сформулированных Ньютоном. Ньютонова механика была далека от абстрактных математических размышлений. Символы ее успеха вырастали по всей Земле и становились свидетельствами постоянно растущего господства человечества над законами природы. Представьте себе, какое смятение произошло в умах ученых конца XIX века, когда они столкнулись с уравнениями Максвелла и их скрытой атакой на сами основы ньютоновского мировоззрения. Разумеется, победитель может быть только один. Безусловно, господствовать должен победоносный Ньютон и концепция абсолютного времени. Тем не менее начало XX столетия ознаменовалось тем, что проблема постоянства скорости света по-прежнему нависала темной тучей: Максвелл и Ньютон не могли быть правы одновременно. Так продолжалось до 1905 года, когда работа до тех пор никому не известного физика по имени Альберт Эйнштейн наконец не показала, что природа на стороне Максвелла.
3. Специальная теория относительности
В главе 1 нам удалось установить, что интуитивное представление Аристотеля о пространстве и времени перегружено устаревшими понятиями. Другими словами, мы показали, что нет необходимости рассматривать пространство как фиксированную, неизменную и абсолютную структуру, в которой находятся разные объекты и происходят разные события. Мы также увидели, как Галилей понял неуместность понятия абсолютного пространства, при этом твердо поддерживая идею универсального времени. В предыдущей главе мы немного отклонились от основной темы, переместившись в XIX столетие, чтобы познакомиться с физиками Фарадеем и Максвеллом и узнать, что свет – не что иное, как симбиоз электрического и магнитного полей, движущихся вперед в идеальном соответствии с красивыми уравнениями Максвелла. Где нам предстоит расстаться с накопленным багажом? И если мы отвергаем идею абсолютного пространства, то чем должны ее заменить? И что означает упоминание о возможном отказе от понятия абсолютного времени? Цель этой главы – дать ответы на эти вопросы.
Вне всяких сомнений, Альберт Эйнштейн – знаковая фигура современной науки. Его растрепанные седые волосы и небрежные манеры соответствуют современному представлению о профессорах: попросите ребенка нарисовать ученого, и получите изображение, напоминающее Эйнштейна в старости. Однако идеи, изложенные в этой книге, – это идеи молодого человека. На рубеже XX столетия, когда Эйнштейн размышлял о природе пространства и времени, ему было немногим больше 20 лет, он имел молодую жену и ребенка. У него не было ни академического звания, ни работы в каком-либо университете или исследовательской лаборатории, хотя он регулярно, часто допоздна, обсуждал физические вопросы с небольшой группой друзей. Печальным следствием очевидной изолированности Эйнштейна от официальной науки стало стремление рассматривать его как индивидуалиста, который выиграл с ней схватку. Мы считаем это следствие печальным, потому что оно вдохновляет немало безумцев, которые полагают, что в одиночку открыли новую теорию Вселенной, и не могут понять, почему никто к ним не прислушивается. На самом деле Эйнштейн был достаточно тесно связан с научными учреждениями, хотя его академическая карьера действительно начиналась непросто.
Что в нем поражает, так это упорство в изучении важных научных проблем того времени, притом что он оставался незамеченным в университетских и академических кругах. После окончания Швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе в возрасте 21 года Эйнштейн получил диплом преподавателя математики и физики и занимал ряд временных преподавательских должностей, что позволило ему выкроить время для работы над докторской диссертацией. В 1901 году, в период работы в частной школе в Шлаффхаузене в Северной Швейцарии, Эйнштейн подал диссертацию в Цюрихский университет, но она была отклонена. После этой неудачи он переехал в Берн и начал карьеру в качестве технического эксперта третьего класса в швейцарском патентном бюро. Относительная финансовая стабильность и свобода, которые давала эта должность, сделали эти годы его жизни наиболее продуктивными в научном плане, а возможно, и наиболее продуктивными в жизни ученого за всю историю.
Большая часть этой книги посвящена работе Эйнштейна, которая привела его к золотому 1905 году, когда он впервые написал уравнение E = mc², наконец получил докторскую степень и завершил работу по фотоэффекту, за которую впоследствии был награжден Нобелевской премией. Поразительно, что в 1906 году, когда его труды навсегда изменили наше представление о Вселенной, Эйнштейн все еще работал в патентном бюро и даже был повышен до технического эксперта второго класса. Свою «надлежащую» академическую должность в Берне он получил только в 1908-м. Хотя может возникнуть соблазн задаться вопросом, каких высот Эйнштейн мог бы достичь, если бы в течение этих лет не был вынужден заниматься физикой только в свободное время, сам он всегда вспоминал жизнь в Берне с нежностью. В своей книге The Science and the Life of Albert Einstein[11] друг и биограф Эйнштейна Абрахам Пайс описывает период его работы в патентном бюро как дни, «когда он был ближе всего к раю на земле», потому что у него было время размышлять о физике.
