Пространство, время и взгляд наблюдателя
В июне 1905 г. двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн послал в
немецкий журнал Annalen der Physik статью, в которой бросил вызов парадоксу о
скорости света, который привлек его внимание десять лет назад, когда он был еще
подростком. Перевернув последнюю страницу рукописи Эйнштейна, редактор журнала,
Макс Планк, понял, что общепринятые научные представления низвергнуты. Без шума
и фанфар скромный чиновник патентного бюро из швейцарского города Берна
радикально изменил традиционные представления о пространстве и времени, заменив
их новыми понятиями, бросившими вызов всему, к чему мы привыкли на основе
нашего жизненного опыта.
Парадокс, который беспокоил Эйнштейна в течение десяти лет,
состоял в следующем. В середине XIX в., после тщательного изучения результатов
экспериментальных работ английского физика Майкла Фарадея, шотландский физик
Джеймс Клерк Максвелл сумел объединить понятия электричества и магнетизма в
единую теорию электромагнитного поля. Если вам когда‑либо приходилось
находиться на вершине горы перед началом сильной грозы или стоять рядом с
генератором Ван де Граафа, вы почувствовали, что такое электромагнитное поле,
потому что вы его ощутили физически. Для тех, кто не имеет такого опыта,
скажем, что поле похоже на поток электрических и магнитных силовых линий,
пронизывающих область пространства. Например, если рассыпать железные опилки
возле магнита, то можно увидеть, что они образуют упорядоченный рисунок,
следующий невидимым силовым линиям магнитного поля. Сняв шерстяной свитер в
особенно сухой день, вы слышите потрескивание, сопровождающееся одним‑двумя
короткими разрядами, что свидетельствует о существовании силовых линий
электрического поля, порождаемых стекающими с волокон вашего свитера
электрическими зарядами. Помимо объединения этих и всех других электрических и
магнитных явлений в рамках единого математического описания, теория Максвелла
довольно неожиданно привела к выводу, что электромагнитные возмущения
распространяются с постоянной, никогда не изменяющейся скоростью, равной
скорости света. На основании этого факта Максвелл заключил, что видимый свет
представляет собой не что иное, как определенный тип электромагнитной волны.
Как нам сегодня известно, взаимодействуя с химическими со‑единениями в сетчатке
глаза, эта волна дает человеку зрение. Более того (и это ключевой момент),
теория Максвелла также показала, что все электромагнитные волны, в том числе и
видимый свет, являются своего рода вечными странниками. Они никогда не
останавливаются. Они никогда не замедляют своего движения. Свет всегда движется
со скоростью света.
Все это хорошо и замечательно до тех пор, пока мы, вслед за
шестнадцатилетним Эйнштейном, не зададимся вопросом: что произойдет, если
пуститься в погоню за светом, двигаясь при этом со скоростью света? Интуиция,
основанная на законах движения Ньютона, подсказывает, что мы догоним световые
волны, и они будут казаться нам неподвижными, свет как бы остановится. Но
согласно теории Максвелла и не вызывающим сомнений экспериментальным данным,
такого явления, как неподвижный свет, попросту не существует — никому и никогда
не удавалось держать на своей ладони неподвижный луч света. Отсюда и возникает
парадокс. К счастью, Эйнштейн не знал о том, что многие ведущие физики мира
сражались с этой задачей (часто следуя пути, ведущему в тупик), и обдумывал
парадокс Максвелла и Ньютона без помех в уединении со своими собственными
мыслями.
В этой главе мы расскажем, как Эйнштейн разрешил это
противоречие в своей специальной теории относительности, навсегда изменив наши
представления о пространстве и времени. Может показаться странным, что ключевым
моментом в специальной теории относительности является точное понимание того,
как выглядит мир для людей, часто называемых «наблюдателями», которые движутся
по отношению друг к другу. На первый взгляд это может показаться просто
схоластическим упражнением. Но оказалось, что это вовсе не так: благодаря
Эйнштейну путешествие с воображаемыми наблюдателями, двигающимися за световым
лучом, приводит к глубоким выводам, позволяющим понять, как необычно могут
выглядеть самые заурядные ситуации для людей, находящихся в относительном
движении.
|
