Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [14]

Эйнштейн пришел к выводу, что время не носит абсолютного характера: оно не для всех течет одинаково. Если я вижу два одновременных события – скажем, две вспышки молнии по обе стороны от меня, – то тот, кто движется в этот момент мимо меня, увидит их не в одно и то же время, а с небольшим разрывом. Причина в том, что скорость течения времени для каждого из нас зависит от нашего движения относительно друг друга. Эта странная идея является одним из первых уроков теории относительности и известна как «относительность одновременности». Давайте поговорим о ней более подробно.

Задумайтесь о том, как достигают ваших ушей звуковые волны. В конце концов, звук является просто вибрацией молекул воздуха, которые передают энергию через столкновения друг с другом. Без материи (воздуха) звук не существует. В космосе никто не услышит ваш крик, как это показано в «Инопланетянине», фильме 1980-х годов.

Идея Эйнштейна в том, что световым волнам, в отличие от звуковых, для перемещения не нужно никакой среды. Его теория опиралась на два постулата (известные как принципы относительности). Первый, восходящий еще к Галилею, утверждает, что всякое движение относительно и нет такого эксперимента, который мог бы подтвердить, что кто-либо или что-либо находится в полном состоянии покоя. Второй постулат гласит, что световые волны перемещаются со скоростью, которая не зависит от скорости источника света. Обе эти идеи кажутся разумными, пока не начнешь вникать глубже в то, что из них следует. Давайте сначала обратимся ко второму постулату – свет для всех движется с одинаковой скоростью – и проведем простой мысленный эксперимент.

Представьте, что вы находитесь на пустой сельской дороге и к вам приближается машина. Звуковые волны от мотора достигнут вас до появления машины, поскольку перемещаются быстрее самой машины, однако их скорость будет зависеть от того, насколько быстро смогут их передавать вибрирующие молекулы; эти волны не доберутся до вас быстрее, даже если машина прибавит скорость. Изменится лишь то, что длина этих волн станет короче. В этом заключается хорошо известный эффект Доплера: по мере того как машина приближается, а потом удаляется от нас, мы ощущаем изменение в высоте звука мотора. Когда звук слабеет, источник волн удаляется, поэтому волны доходят до нас все более растянутыми, отсюда и более низкий тон. Таким образом, хотя длина звуковой волны зависит от скорости источника звука, скорость распространения самих волн по отношению к нам (то есть время, за которое они нас достигнут) не изменится, если только мы не начнем двигаться в пространстве по направлению к приближающейся машине. Пока, надеюсь, все понятно.

Свет – это совсем другое. Для движения ему не нужна среда. Это значит, у нас нет возможности измерить его скорость по отношению к среде и ни у кого нет привилегии, позволяющей утверждать, что он находится в истинном покое и поэтому может измерить «истинную» скорость света. На этом основании Эйнштейн сделал вывод, что скорость света следует считать постоянной, вне зависимости от того, с какой скоростью мы передвигаемся относительно друг друга (конечно, при условии, что при измерении скорости света вдалеке от нас мы не испытываем положительного или отрицательного ускорения)[14].

Теперь представьте себе две ракеты, которые сближаются друг с другом со скоростью, близкой к световой. Астронавт на борту одной из ракет посылает световой импульс навстречу второй, измеряя при этом скорость перемещения этого импульса. Поскольку астронавт может на совершенно законном основании утверждать, что находится в состоянии покоя, тогда как все движение происходит за счет второй ракеты, он должен видеть, как свет удаляется от него со своей обычной скоростью, то есть со скоростью чуть более миллиарда километров в час[15], и именно это он и наблюдает. А астронавт во второй ракете может с тем же основанием полагать, что он без всякого движения «подвешен» в пространстве.

Поэтому он полагает, что, измерив скорость достигшего его света, он получит цифру чуть более одного миллиарда километров в час (поскольку, как и звук машины, скорость света не должна зависеть от скорости, с которой приближается ко второму астронавту источник света). И действительно, получается предполагаемый результат. Поэтому может показаться, что оба астронавта получают одинаковое значение скорости для одного и того же светового импульса, хотя они сами сближаются почти со скоростью света!

Это странное свойство света, как оказывается, обусловлено не самим светом, а свойствами скорости, с которой свет может перемещаться, – скорости, максимально возможной в нашей Вселенной и являющейся связующим звеном между пространством и временем. Ибо свет способен перемещаться с одной и той же скоростью с точки зрения всех наблюдателей вне зависимости от того, с какой скоростью перемещаются они сами, только при одном условии – если мы изменим свое понимание расстояния и времени.

Еще пример. Представьте, что вы посылаете с Земли серию импульсов, или вспышек, в космос – вашему другу, который унесся ввысь на сверхмощной ракете, способной развивать скорость до 99 % скорости света. Вы будете измерять импульсы, которые удаляются от вас со скоростью миллиард километров в час и, значит, постепенно обгоняют ракету вашего друга на 1 % скорости света; так же как автомобиль на хайвее может ехать чуть быстрее, чем машина на соседней полосе, и обгонит ее со скоростью, равной разности их скоростей. Но что увидит ваш друг в ракете, если будет следить за обгоняющими его импульсами? Теория относительности говорит нам, что он все равно увидит, что импульсы обгоняют ракету со скоростью один миллиард километров в час. Помните, что скорость света постоянна, причем для всех наблюдателей.