Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

В 1728 году другой астроном, Джеймс Брэдли, измерил скорость света иным способом. Представьте себе звезду прямо над головой. Ее свет падает прямо на вас, словно дождь. Когда едешь на машине, дождь льется по стеклам под углом, поскольку вы движетесь. Земля летит по околосолнечной орбите со скоростью 30 км/c и похожа на движущуюся машину. Если направить телескоп прямо вверх, то свет будет падать на него и попадать в окуляр под наклоном, ведь мы движемся. Чтобы рассмотреть звезду, телескоп нужно наклонить, чтобы он находился под таким же углом, что и «дождь», льющийся на «машину», то есть на Землю. Насколько? Телескоп нужно наклонить примерно на 20 секунд дуги. Наблюдая ту же звезду спустя 6 месяцев, вы должны будете отклонить телескоп на 20 секунд дуги в другую сторону. Брэдли удалось измерить такой эффект, который называется «звездная аберрация». Степень такого уклона равна vЗЕМЛ/vСВЕТ, Брэдли в данном случае получил результат примерно 1 часть на 10 000. Таким образом, он сделал вывод, что скорость света примерно в 10 000 раз выше скорости орбитального движения Земли (30 км/c) и, следовательно, равна 300 000 км/c. Поэтому Максвелл в 1865 году, спрогнозировав, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью около 310 740 км/c, тогда же понял, что это и есть скорость света, уже измеренная астрономами (300 000 км/c). Два этих числа вполне соответствовали друг другу с поправкой на понятную погрешность его прогноза (связанную с ошибками при измерении электрических и магнитных сил), а также на ошибки при астрономических наблюдениях. Оказалось, что свет – это электромагнитные волны. Максвелл понял, что длина разных электромагнитных волн может быть гораздо короче или длиннее, чем волн видимого света. Короткие электромагнитные волны сегодня известны под названием «ультрафиолетовые лучи», «рентгеновские лучи» или «гамма-лучи», а сравнительно длинные называются «инфракрасные лучи», «микроволны» и «радиоволны». В 1886 году Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн, передавая радиоволны по комнате и принимая их там же. Во времена Эйнштейна теория Максвелла была самой захватывающей научной теорией, и Эйнштейн также проявлял к ней самый живой интерес.

В 1896 году, когда Эйнштейну было всего 17 лет, он вообразил следующий мысленный эксперимент. Допустим, ровно в полдень мы начали удаляться от башенных курантов со скоростью света. Если мы обернемся и посмотрим на них, то стрелки как будто застынут на отметке «полдень», поскольку свет, отразившийся от них в этот момент, будет лететь с той же скоростью, что и мы. Останавливается ли время, когда летишь со скоростью света? Эйнштейн задумался, как будет при этом выглядеть луч света, летящий рядом. В таком случае он увидел бы неподвижные волны электрических и магнитных полей, напоминающие борозды на обычном поле; они не будут двигаться относительно наблюдателя. Если лететь с той же скоростью, что и волна, то волна покажется неподвижной. Но такая стационарная волноподобная конфигурация электрических и магнитных полей в вакууме не допускалась максвелловскими уравнениями поля. Картина, которую мы бы увидели из иллюминатора воображаемой фотонной ракеты, казалась невозможной. Эйнштейн понял, что ситуация парадоксальна, а значит, он где-то ошибается. Ему потребовалось девять лет, чтобы догадаться, как исправить эту ошибку.

Эйнштейн действовал очень оригинально. В 1905 году он решил принять два постулата.

1. Движение относительно. Эффекты физических законов должны выглядеть одинаково для любого наблюдателя, находящегося в равномерном движении (это движение с постоянной скоростью в одном и том же направлении, без поворотов).

2. Скорость света в вакууме постоянна. Скорость света c должна получаться одинаковой, если ее измерит любой наблюдатель, находящийся в равномерном движении.

Два этих постулата лежат в основе специальной теории относительности Эйнштейна. Она называется теорией относительности, поскольку «движение относительно» (первый постулат), и специальной – потому что касается только равномерного движения. Первый постулат вы испытываете на себе. Доводилось ли вам летать на пассажирском самолете со скоростью 800 км/ч (по прямой, без поворотов), когда шторки в салоне опущены и можно посмотреть какой-нибудь плохой фильм? Вам кажется, что вы сидите, как будто и не взлетали. В летящем самолете вы находитесь словно в состоянии покоя. Прямо сейчас мы летим вокруг Солнца со скоростью 30 км/c, но нам кажется, что мы никуда не движемся. Первый постулат теории относительности: важны лишь относительные движения, и абсолютный эталон неподвижности определить невозможно. Закон тяготения Ньютона соответствует этому постулату. Согласно этому закону, ускорение (изменение скорости) двух материальных точек зависит от расстояния между ними и никак не связано со скоростями самих этих частиц. Следовательно, Солнечная система была бы устроена одинаково, если бы Солнце оказалось неподвижным, вокруг него вращались бы планеты, либо если бы все это хозяйство летело как одно целое на скорости 100 000 км/c. C точки зрения Ньютона оба случая равноценны. Невозможно поставить в Солнечной системе такой гравитационный эксперимент, который бы показал, движется эта система или нет. На самом деле она движется, вращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/c. Теория Ньютона подчиняется первому постулату, и Эйнштейн считал, что уравнения Максвелла также должны ему подчиняться. Все законы физики должны подчиняться этому постулату.

Второй постулат непростой. Он означает, что если я измерю скорость пролетающего мимо меня луча света, то она должна составить 300 000 км/c. Но если кто-то другой пронесется мимо меня на скорости 100 000 км/c и измерит скорость того же луча света, она также должна составить 300 000 км/c, а не 200 000 км/c, как мы могли бы предположить. Он должен увидеть луч света, летящий со скоростью 300 000 км/c, то есть с такой же скоростью, которую измерил бы я. Это безумие!

Да, здравый смысл здесь отсутствует. Скорости должны складываться. На самом деле, парадокс обретает смысл, только если часы у второго наблюдателя идут с иной скоростью, нежели у меня, и измеренные нами расстояния также отличаются. Примечательно, что Эйнштейн просто поверил в два этих постулата, а здравый смысл отбросил за ненадобностью. В шахматной партии мы бы назвали подобный шаг «отличный ход» (обозначается!!) – подобный ход может обеспечить мат сопернику спустя 17 ходов. Эйнштейн предположил, что два его постулата верны, решил доказать теоремы на основе мысленных экспериментов, выводимых из этих постулатов, и посмотреть, что получится. Если потом сверить эти теоремы с наблюдениями – и наблюдения их подтвердят, то, значит, и сами постулаты верны. Это было поразительно. Никто и никогда ранее не делал ничего подобного. Постулаты Эйнштейна поддавались опровержению[25]. Если бы эйнштейновские теоремы привели его к выводам, которые противоречили бы наблюдениям, то теория тем самым была бы опровергнута. Если бы теоремы согласовывались с наблюдениями, то самих постулатов мы, конечно бы, при этом не доказали, но нашли бы факты в их пользу.