Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

«Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью. Но поскольку теория Ньютона покончила с представлением об абсолютном покое, теперь, говоря о фиксированной скорости света, нужно было указать, относительно чего измеряется эта фиксированная скорость. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной „эфиром“, которой наполнено все, даже „пустое“ пространство. Световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые в воздухе, и, следовательно, их скорость — это скорость относительно эфира. Наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна оставаться при этом неизменной. В частности, коль скоро Земля движется в эфире по своей орбите вокруг Солнца, скорость света, измеренная в направлении движения Земли (при движении в сторону источника света), должна превышать скорость света, измеренную под прямым углом к направлению движения (то есть когда мы не движемся к источнику). В 1887 году Альберт Майкельсон (впоследствии ставший первым американцем, удостоенным Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук очень точный эксперимент. Майкельсон и Морли сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что оба значения совершенно одинаковы!

С 1887 по 1905 год был сделан ряд попыток (наиболее известная из которых принадлежит датскому физику Хендрику Лоренцу) объяснить результат эксперимента Майкельсона и Морли тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а все часы замедляют свой ход. Но в 1905 году никому доселе не известный служащий Швейцарского патентного бюро по имени Альберт Эйнштейн опубликовал ставшую потом знаменитой работу, в которой было показано, что никакого эфира не нужно, если отказаться от понятия абсолютного времени. Через несколько недель ту же точку зрения высказал один из ведущих французских математиков Анри Пуанкаре. Аргументы, выдвинутые Эйнштейном, были ближе к физике, чем аргументы Пуанкаре, который подошел к этой задаче как к математической. Об Эйнштейне обычно говорят как о создателе новой теории, но и имя Пуанкаре связывают с разработкой важной ее части».

Здесь Хокинг обращает наше внимание на то, что фундаментальный постулат теории относительности состоит в том, что абсолютно все известные на сегодняшний день физические законы, так или иначе, должны быть абсолютно одинаковы для всех стоящих, шагающих, едущих или даже летящих с околосветовой скоростью наблюдателей, причем совершенно независимо от скорости их движения. Эта важнейшая основа всей современной физики, да и науки в целом приводит к совершенно парадоксальному и многими до сих пор так и не понимаемому выводу о скорости света: скорость света совершенно одинакова вне зависимости от движения самого наблюдателя!

Вот как разъяснял этот удивительный парадокс сам А. Эйнштейн:

«В двух далеко друг от друга удаленных местах железной дороги А и В ударила молния. К этому я присоединяю, что оба удара последовали одновременно. Если я спрошу тебя, любезный читатель, имеет ли какой-либо смысл это утверждение, то, конечно, ты ответишь мне убежденным „да“. Но если я буду настаивать на более точном разъяснении смысла этого утверждения, то после некоторого раздумья ты заметишь, что ответ на этот вопрос не так прост, кок кажется на первый взгляд.

После некоторого размышления ты предложишь мне следующим образом установить одновременность. Соединяющий оба места отрезок АВ будет измерен по рельсам, и в середине его будет поставлен наблюдатель. Последний снабжен приспособлением, позволяющим ему одновременно видеть оба место — А и В. Если теперь наблюдатель одновременно воспримет оба удара молнии, то, значит, они одновременны.

Пусть по рельсам идет очень длинный поезд с постоянной скоростью. Пассажиры его с удобством примут свой поезд за то твердое исходное тело (систему координат), к которому они будут приурочивать все события. Всякое событие, совершающееся вдоль полотна железной дороги, происходит также у определенного пункта поезда. Возникает следующий вопрос. Два события (например, два удара молнии — А и В) будут ли также одновременны по отношению к поезду? Мы сейчас убедимся, что ответ будет отрицателен.

Когда мы говорим, что удары молний одновременны по отношению к насыпи, то это означает следующее: лучи света, выходящие из мест удара молнии А и В, встречаются в середине М участка насыпи АВ. Но событиям А и В соответствуют также места А и В в поезде; М* есть середина участка АВ поезда. Пункт М* в момент удара молнии (если судить с полотна дороги) совпадает с пунктом М, но он движется со скоростью поезда. Если бы наблюдатель, сидящий в поезде в пункте М* не подвигался с той же скоростью, а все время оставался в пункте М, то оба световые луча от молний А и В достигли его одновременно, то есть встретились бы как раз у него. Но в действительности наблюдатель движется (если судить с полотна дороги) навстречу лучу света, идущему из В, и удаляется от луча, нагоняющего его из А. Поэтому он раньше увидит луч из В, чем луч из А. Следовательно, пассажиры, для которых вагон служит исходным телом, должны будут прийти к заключению, что удар молнии в В произошел раньше, чем в А. Мы приходим, таким образом, к следующему важному выводу.

События, которые одновременны в отношении к железнодорожному полотну, не одновременны в отношении к поезду, и наоборот (относительность одновременности). Каждое исходное тело (система координат) имеет свое особое время. Указание времени только тогда получает смысл, когда указано исходное тело, к которому оно относится».

Из этого простого принципа — продолжает С. Хокинг, — вытекает ряд замечательных следствий:

«Самые известные из них — это, наверное, эквивалентность массы и энергии, нашедшая свое выражение в знаменитом уравнении Эйнштейна E= mc2 (где E — энергия, m — масса, а c — скорость света), и закон, согласно которому ничто не может двигаться быстрее света. В силу эквивалентности массы и энергии энергия, которой обладает движущийся объект, должна теперь добавляться к его массе. Другими словами, чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость. Правда, этот эффект существенен лишь при скоростях, близких к скорости света. Если, например, скорость какого-нибудь объекта составляет 10 % скорости света, то его масса лишь на 0,5 % больше нормальной, тогда как при скорости, равной 90 % скорости света, масса уже в 2 раза превышает нормальную. По мере того как скорость объекта приближается к скорости света, масса растет все быстрее, так что для дальнейшего ускорения требуется все больше и больше энергии. На самом деле скорость объекта никогда не может достичь скорости света, так как тогда его масса стала бы бесконечно большой, а поскольку масса эквивалентна энергии, для достижения такой скорости потребовалась бы бесконечно большая энергия. Таким образом, любой нормальный объект в силу принципа относительности навсегда обречен двигаться со скоростью, не превышающей скорости света. Только свет и другие волны, не обладающие „собственной“ массой, могут двигаться со скоростью света.