Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать - [13]

В основе специальной теории относительности Эйнштейна лежат два предположения, которые на языке физики называются аксиомами. Аксиома – это утверждение, которое считается истинным без доказательства. Имея набор аксиом, мы можем получить из них следствия для реального мира, которые можно затем проверить с помощью экспериментов. Первая часть этого метода очень стара и восходит к Древней Греции. Наиболее тщательно она разработана в «Началах» Эвклида[12], где он изложил свою систему геометрических понятий, которая преподается в школах по сей день. Эвклид построил свою геометрию на основе пяти аксиом, которые принял как самоочевидные истины. Как мы увидим позже, на самом деле геометрия Эвклида – лишь одна из многих возможных геометрий, а именно геометрия плоского пространства, такого как поверхность стола. Геометрия поверхности Земли не является эвклидовой и определяется другим набором аксиом. Еще один пример (как мы скоро узнаем, еще более важный для нас) – геометрия пространства и времени. Вторая же часть, проверка следствий на практике, древними греками не использовалась (а ведь если бы они это делали, современный мир мог бы быть совершенно иным). Этот, казалось бы, простой и естественный шаг был введен в науку исламскими учеными в XI столетии и распространился в Европе намного позже, в XVI–XVII веках. С появлением эксперимента в качестве якоря наука наконец получила быстрое развитие, что повлекло за собой технический прогресс и процветание.

Первая из аксиом Эйнштейна заключается в следующем: уравнения Максвелла справедливы в том смысле, что свет всегда распространяется в пустом пространстве с одной и той же скоростью независимо от скоростей источника и наблюдателя. Вторая аксиома гласит: мы должны придерживаться мнения Галилея относительно невозможности проведения эксперимента, который позволил бы идентифицировать абсолютное движение. Вооружившись только этими предположениями, мы можем поступить так, как и должны поступать настоящие физики: проанализировать следствия из этих постулатов. Как всегда в науке, окончательная проверка теории Эйнштейна, выведенной из этих двух аксиом, заключается в ее возможности предсказывать и объяснять результаты экспериментов. Позвольте привести еще одну цитату Фейнмана, на этот раз более развернутую: «В общем случае мы ищем новый закон следующим образом. Сначала делаем предположение. Потом вычисляем следствия, вытекающие из этого предположения, чтобы увидеть, к чему оно приведет, если окажется верным. Затем с помощью эксперимента или опыта сравниваем результат вычисления с окружающим миром и сопоставляем его непосредственно с наблюдениями, чтобы увидеть, работает ли новый закон. Если наше предположение не соответствует результатам эксперимента, значит, оно ошибочно. В этом простом утверждении кроется ключ ко всей науке. Не имеет значения, насколько красива ваша гипотеза. Равно как не имеет значения, насколько умен тот, кто ее выдвинул, или насколько известно в науке его имя, – если предположение не согласуется с результатами эксперимента, то оно ошибочно». Эта замечательная цитата взята из лекции, которую Фейнман прочитал в 1964 году – рекомендуем посмотреть ее запись на YouTube.

Таким образом, наша цель на нескольких следующих страницах – вывести следствия из аксиом Эйнштейна. Начнем с применения метода, которым часто пользовался сам Эйнштейн, – с мысленного эксперимента. В частности, мы хотим изучить следствия того, что скорость света постоянна для всех наблюдателей независимо от их перемещения относительно друг друга. Для этого нам необходимо представить себе довольно громоздкие часы, состоящие из двух зеркал, между которыми движется луч света. Назовем эти часы световыми. Мы можем использовать это устройство в качестве часов, подсчитывая количество отражений пучка света от зеркал. Например, если зеркала расположены на расстоянии метра друг от друга, то свету требуется около 6,67 наносекунды для одного цикла[13]. Вы можете проверить это самостоятельно: свет проходит расстояние два метра, двигаясь со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Это очень точные часы, миллион тактов которых соответствует одному сердцебиению.

Теперь представим, что световые часы находятся на поезде, который проносится мимо наблюдателя, стоящего на платформе станции. Вопрос на миллион долларов: как часто тикают часы на поезде с точки зрения человека на платформе? До Эйнштейна все предполагали, что они идут точно в таком же темпе – один такт каждых 6,67 наносекунды.

На рис. 2 показано, как выглядит один такт часов в восприятии человека, стоящего на платформе. Поскольку поезд движется, с точки зрения наблюдателя на платформе свет должен пройти более длинный путь за один такт. Другими словами, начальная точка путешествия светового луча не совпадает с конечной, поскольку часы перемещаются. Чтобы частота тиканья часов оставалась одной и той же и для наблюдателя в поезде, и для наблюдателя на платформе, луч света должен двигаться немного быстрее, в противном случае он не успеет завершить свое путешествие за 6,67 наносекунды.