Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Галилей понимал, что, сидя в глубинах корабля, невозможно определить никаким экспериментом, находится ли корабль в покое или движется с постоянной скоростью; живые существа — ходящие, плавающие или летающие — будут не в состоянии почувствовать какое-либо движение. Рассмотрим, к примеру, игру в теннис внутри движущегося корабля. Можно было бы подумать, что при движении корабля вперед теннисный мячик должен стремиться лететь назад, в корму корабля, давая носовому игроку преимущество, но такое интуитивное представление неверно. Мячик будет вести себя во всех отношениях так, как если бы корабль неподвижно стоял в гавани. Если никакой физический эксперимент не может обнаружить движение корабля, то, значит, законы физики должны быть одинаковы для любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью.

Вслед за Галилеем Исаак Ньютон успешно применил этот принцип к своим знаменитым законам движения и ввел относительность в систему движения любых материальных тел. К примеру, и наблюдатель, стоящий рядом с бильярдным столом, и наблюдатель, проходящий мимо него, смогут точно описать все, что происходит в игре, при помощи законов Ньютона, хотя и разойдутся во мнениях о том, с какой скоростью шары двигались по отношению к ним самим.

Однако, когда Джеймс Клерк Максвелл в 1860-е гг. объявил, что свет — это электромагнитная волна, быстро выяснилось, что Ньютонов тип относительности к волнам не применим. В частности, согласно Ньютоновым формулам, наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, в общем случае намеряли бы разные значения для скорости света. Человек, движущийся параллельно с фотоном, к примеру, увидел бы его летящим медленнее, чем человек, движущийся с этим же фотоном встречным курсом. Поскольку скорость света встроена в уравнения Максвелла, то и уравнения для каждого из этих наблюдателей были бы чуть иными. Ученые решили, что физика световых волн, должно быть, по-разному работает для каждого наблюдателя. От Максвелла до Эйнштейна было предпринято множество попыток экспериментально измерить предполагаемые колебания скорости света, но все они оказались безуспешными. Самая известная из этих попыток — эксперимент 1887 г., проведенный Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, которые использовали для измерения разницы в скорости света интерференцию световых волн; они не смогли обнаружить никаких изменений, хотя движение Земли вокруг Солнца должно было по идее дать вполне измеримый эффект.

Альберт Эйнштейн подошел к этой проблеме с другого направления. Он задался вопросом: если законы электричества и магнетизма одинаковы для любого движущегося наблюдателя, то как должен тогда выглядеть принцип относительности? В своих расчетах он опирался на два предположения: (1) все законы физики одинаковы для всех наблюдателей, движущихся с постоянными скоростями, и (2) скорость света одинакова для всех наблюдателей. Из этих двух предположений следовал целый ряд ошеломляющих и даже пугающих следствий. Среди них:

• ничто (известное нам) не может двигаться быстрее скорости света;

• масса и энергия эквивалентны, и одно может превращаться в другое (вспомним знаменитое уравнение E = mc2);

• время для движущегося объекта идет медленнее;

• размер движущихся объектов вдоль направления движения сжимается;

• время и пространство в каком-то смысле неразделимы и образуют четырехмерное единство, известное как пространство-время.

За столетие, прошедшее после Эйнштейновых публикаций, все странные предсказания специальной теории относительности были подтверждены в ходе множества самых разных экспериментов.

Теория относительности, возможно, кажется вам очень далекой от нашего разговора о падающей кошке. Но следующий проект Эйнштейна окажется прочно связанным с нашей задачей. Почти сразу же после успеха специальной теории относительности Эйнштейн начал размышлять над самым большим ее ограничением — условием, согласно которому законы физики должны быть одинаковыми только для наблюдателей, движущихся с постоянными скоростями. Формально движение с постоянной скоростью, то есть движение, соответствующее закону инерции Ньютона, называется инерциальным движением. У этого ограничения есть один удручающий фактор — почти невозможно найти в окружающей нас действительности образец по-настоящему инерциального движения. Все на Земле, к примеру, постоянно испытывает некоторое ускорение: Земля вращается вокруг своей оси, вовлекая в это вращение все, что находится на ее поверхности, а еще Земля движется по почти круговой орбите вокруг Солнца. Эйнштейну не нравилось, что принцип относительности строго выполняется только для объектов в состоянии равномерного движения, которого на самом деле в природе практически не существует.

В 1907 г. Эйнштейн все еще работал в патентном бюро; его слава пока не способствовала научной карьере. Однажды, когда он, по обыкновению, размышлял над проблемой неинерциального движения, ему в голову пришла, как он считал, «счастливейшая в жизни мысль».

Представляя себе объект, падающий под действием силы тяжести, мы, как правило, думаем о тяготении как о силе, которая тянет это тело. Эйнштейн, однако, понял, что такая картина неверна: человек или объект — или кошка — в свободном падении под действием силы тяжести невесом; он совершенно не ощущает на себе действие силы тяжести. Астронавты на орбите вокруг Земли невесомы, потому что непрерывно падают по направлению к Земле: просто получается так, что они при этом двигаются параллельно поверхности Земли, так что фактически находятся в состоянии непрерывного падения и при этом все время промахиваются мимо Земли.

Эйнштейн почти сразу же после того, как в его голову пришла счастливейшая в жизни мысль, заложил фундамент для новой релятивистской теории, которая включает в себя и гравитацию тоже: он ввел принцип эквивалентности. Для наших целей принцип эквивалентности можно сформулировать примерно так:

Чтобы понять стоящую за этим принципом идею, представим себе человека в замкнутом космическом корабле без иллюминаторов. Подобно людям в Галилеевом корабле, этот человек никак не может видеть движение. Если корабль стоит на поверхности земли, его пассажир будет ощущать, как его тянет вниз гравитационное поле. Если тот же корабль находится в пространстве, вдали от любых гравитационных тел, и ускоряется, этот человек также будет ощущать некую силу, которая тянет его вниз. Эта направленная вниз сила — инерциальное сопротивление тела ускорению. Эйнштейн утверждал, что не существует таких экспериментов, при помощи которых человек в корабле мог бы определить, в какой ситуации он находится, — они физически эквивалентны. Этот эффект испытывал на себе всякий, кому случалось ездить в лифте: когда лифт движется вверх с ускорением, человек в нем чувствует себя тяжелее. Когда же лифт замедляется вблизи верхней точки, этот же человек чувствует себя легче.