Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [67]

Относительность здесь разворачивается по полной. Факт, по поводу которого все наблюдатели согласны (мюоны долетают до поверхности в определенных измеримых количествах), получает разные объяснения для разных наблюдателей. Для наблюдателя на земной поверхности все дело в замедлении времени в 10 раз. Для мюона в те же 10 раз сокращается расстояние, которое ему предстоит преодолеть. Без привычки это выглядит не совсем обычно: про некоторые ситуации нельзя сказать, что имеет место «на самом деле». Тем не менее вся схема работает так, что не приводит к явным противоречиям – какими, например, стали бы два теоретических вывода, что мюоны не успевают пролететь 20 километров и одновременно, на основе какой-то другой цепочки рассуждений, что успевают. За 115 лет внимательного отношения к этим вопросам – с самого момента появления специальной теории относительности – таких противоречий обнаружено не было.

*****

Относительность и пространство-время. Специальная теория относительности – это и есть описание движения и его свойств при наличии абсолютной скорости. Ключевые ее положения сформулированы в 1905 г. в статье Эйнштейна под техническим названием «К электродинамике движущихся тел» [65]. Слово «специальная» вошло в употребление позднее, и понимать его надо как не очень удачную замену слова «частная» в значении «не общая» (для чего есть причины, обсуждаемые на следующих прогулках). Слово «теория» же не указывает на «умозрительный» характер, а относится к математическому аппарату для выведения разнообразных следствий из основополагающих утверждений о свойствах окружающего мира. Этих основополагающих утверждений всего два. Удивительно, что они формулируются не на языке формул, а словесно. Их часто называют постулатами Эйнштейна. Законы Ньютона традиционно не называют постулатами Ньютона, но это вполне можно было бы делать, потому что они просто постулированы (объявлены верными). Закон тяготения Ньютона принимается без обоснования, а затем проверяется во всех его бесчисленных следствиях: от падения тел на землю до предела Роша и вообще всего изобилия явлений во Вселенной. Он работает в огромном числе случаев, хотя и есть ситуации, в которых он неприменим и для объяснения которых требуются более общие законы. Аналогичным образом два приведенных ниже высказывания проверяются всем опытом работающей науки. Все их следствия, собственно и составляющие специальную теорию относительности, верны для относительного движения, если оно равномерно и прямолинейно[80]. Вот эти два высказывания:

• Скорость света в пустоте – одна и та же для всех наблюдателей. Как мы уже говорили, этот тезис утверждает абсолютность скорости света.

• Все законы природы одинаковы для всех наблюдателей, которые движутся друг относительно друга с постоянной скоростью (в любом направлении, но равномерно и прямолинейно). Это высказывание известно как принцип относительности. Он говорит, что внутри вашей суперракеты после выключения двигателей жизнь устроена так же, как в моей тихоходной. Это относится к любым действиям, которые вы решите осуществить на борту в изоляции от внешнего мира. Ни один эксперимент, проведенный внутри ракеты в такой изоляции, не может подсказать вам, что вы движетесь относительно чего бы то ни было.

Эти фундаментальные высказывания об устройстве Вселенной более общие, чем, скажем, утверждения о массе нейтрино или числе кварков: мы думаем, что эти высказывания оставались бы верными, если бы наш мир населяли несколько другие элементарные частицы (собственно, нечто в этом роде и имело место в очень ранней Вселенной). Эти высказывания непосредственно относятся к движению, но глубинным образом затрагивают пространство и время. И как постепенно выяснилось, в нашей Вселенной существует не само по себе пространство и само по себе время, а нечто более общее – штука с довольно громоздким названием «пространство-время». Главное в нем, что его разделение на пространство и время происходит по-разному для наблюдателей, которые находятся в движении друг относительно друга.

Для начала о пространстве-времени можно думать примерно как о временнóй развертке Вселенной. Временная развертка строится так, что одно из направлений в пространстве играет роль времени. Развертка того, что происходит на одной прямой линии (например, по ней движутся точки), занимает плоскость; развертка происходящего на плоскости занимает трехмерное пространство. Разумеется, временная развертка событий, происходящих в трехмерном пространстве, оказывается не слишком наглядной, потому что требует четвертого измерения для времени, а предложение «представить себе четырехмерное пространство» – завуалированное издевательство. Однако как-то думать о нем приходится, поэтому обычно изображают пространство-время, считая само пространство одномерным или двумерным и подразумевая при этом, что для нашего трехмерного «все примерно так же, только представить себе нельзя». На рис. 5.3 вместо нашего трехмерного пространства – двумерное, что-то вроде бесконечного листа бумаги. Вертикальное направление занято временем: сверху – будущее, а снизу – прошлое того листа, который изображает пространство. Правда, живущие в нем существа не имеют никакой возможности воспринимать свой мир так, как он представлен на рисунке, ведь глядеть со стороны на ось времени означает находиться вне времени; при таком взгляде «видна» вся история мира от начала до конца. Наблюдатель «в данный момент» располагается, как правило, в точке пересечения координатных линий и считается неподвижным: всякое движение тогда рассматривается относительно этого наблюдателя. С течением времени каждое тело, движущееся или покоящееся относительно выбранного наблюдателя, описывает линию во всем «объеме»; эта линия и есть временная развертка его движения. Она вертикальна, если положение тела в пространстве не меняется. Но если тело движется по пространству, то линия, которую оно прочерчивает «в объеме», отклоняется от вертикали тем сильнее, чем больше скорость тела.