Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Поскольку считалось, что Земля движется вокруг Солнца по приблизительно круглой орбите, она в разные времена года должна была двигаться относительно эфира в разных направлениях и, следовательно, с разной скоростью. Это как плавать по кругу в быстрой реке. Иногда Земля должна была «плыть по течению эфира», иногда – поперек течения, иногда – против. Если свет всегда движется относительно абсолютного пространства с одинаковой скоростью, здравый смысл подсказывает, что это должно проявляться в виде сезонных изменений скорости света, измеренной с Земли. Оказалось, что нет.

Эйнштейн решил эту задачу при помощи СТО. Она гласит, что все системы отсчета одинаковы, нет никакой абсолютной системы отсчета. Наблюдатель, движущийся с постоянной скоростью в пространстве, вправе считать себя неподвижным. Он увидит, что движущиеся тела в его системе отсчета подчиняются законам Ньютона, а электромагнитное излучение – уравнениям Максвелла, так что скорость света при любых измерениях получается одинаковой – такой, какую дают эти уравнения, где она обозначена буквой c . Более того, всякий, кто движется с постоянной скоростью относительно нашего героя (первого наблюдателя, как говорят физики), тоже смогут с полным правом сказать, что находятся в покое, и обнаружат, что все тела в их лаборатории подчиняются законам Ньютона, а измерения всегда дают скорость света c . И даже если один наблюдатель движется навстречу другому со скоростью, равной половине скорости света, и светит вперед фонариком, второй наблюдатель, измерив скорость света от фонарика, получит не 1,5 с , а по-прежнему с !

Эйнштейн отталкивался от наблюдаемого факта, что скорость света постоянна и не зависит от того, в какую сторону движется Земля в пространстве, и вывел математический аппарат, описывающий поведение материальных тел в системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга, то есть так называемых инерциальных системах отсчета. Если скорости малы относительно скорости света, эти уравнения дают в точности те же «ответы», что и ньютонова механика. Но, если скорости составляют заметную долю от скорости света, начинаются странности.

Например, при сложении двух скоростей никогда не получается относительная скорость больше с . Наблюдатель видит, как два других наблюдателя мчатся друг другу в лоб со скоростью 0,9 с каждый в системе отсчета первого наблюдателя, однако, если кто-то из мчащихся наблюдателей проделает измерения, у него неизбежно получится, что второй наблюдатель движется со скоростью меньше с , но больше 0,9 с (в данном случае).

Почему же скорости складываются так странно? Причина отчасти в том, что пространство и время на высокой скорости определенным образом искажаются. Чтобы учесть постоянство скорости света, Эйнштейну пришлось признать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных и движущиеся тела сокращаются по направлению движения. Кроме того уравнения говорят, что чем быстрее движется тело, тем больше его масса.

Все эти странные и удивительные явления – лишь периферия истории современной космологии и поисков связи между гравитацией и квантовой физикой. Однако надо подчеркнуть, что все это не безумные идеи, не «просто теория», как говорим мы иногда, отмахиваясь от чего-то неправдоподобного. Для ученого теория – это гипотеза, прошедшая все экспериментальные проверки. СТО – не исключение. Все чудеса, которые следуют из СТО – постоянство скорости света, растяжение времени и сокращение длины у движущихся тел, увеличение массы движущегося тела – измерены и подтверждены с высокой точностью в ходе огромного количества экспериментов. Ускорители частиц, установки, где «сталкиваются атомы», например, в ЦЕРНе, Европейском центре ядерных исследований, в Женеве, – попросту не работали бы, если бы теория оказалась неверной, поскольку спроектированы и построены в соответствии с уравнениями Эйнштейна. СТО как описание мира высоких скоростей подтверждается такими же надежными экспериментальными фактами, как и ньютонова механика, как описание повседневной жизни, и единственная причина ее конфликта с нашим здравым смыслом – в том, что мы не каждый день сталкиваемся с перемещением на таких высоких скоростях, чтобы эффекты СТО стали заметны. Ведь скорость света c составляет ни много ни мало 300 000 километров в секунду, а релятивистскими эффектами можно смело пренебрегать при скоростях, составляющих менее 10 % от этой величины, то есть при скоростях меньше каких-то 30 000 километров в секунду.

В сущности, СТО – результат сочетания ньютоновых уравнений движения с максвелловыми уравнениями, описывающими излучение. СТО во многом дитя своего времени, и если бы Эйнштейн не выдвинул свою теорию в 1905 году, это наверняка сделал бы в ближайшие годы кто-нибудь из его современников. Однако без неповторимого гения Эйнштейна потребовалось бы, вероятно, целое поколение, прежде чем кто-нибудь оценил бы важность куда более глубоких соображений, заложенных в СТО.

Эта важнейшая составляющая, на которую мы уже намекали, была результатом другого сочетания – единства пространства и времени. В повседневной жизни пространство и время – совершенно разные вещи. Пространство окружает нас по трем измерениям (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад). Мы видим, где расположены в пространстве предметы, и перемещаемся по нему более или менее так, как хотим. А время практически невозможно описать, хотя мы все представляем себе, что это такое. В каком-то смысле у времени есть направление (из прошлого в будущее), но мы не можем заглянуть ни в прошлое, ни в будущее и, конечно, не в силах перемещаться во времени по своему желанию. Однако великая универсальная постоянная c – это скорость, а скорость – величина, связывающая пространство и время. Скорость и измеряют соответственно – в километрах в час, сантиметрах в секунду, милях в год, словом, в единицах расстояния за единицу времени. Если говорить о скорости, одно без другого невозможно. Так что тот факт, что фундаментальная постоянная – это именно скорость, наверняка говорит нам что-то очень важное о Вселенной. Но что именно?

Если помножить скорость на время, получится длина. Если сделать это правильно (умножить промежуток времени на скорость света c ), то можно сочетать меры длины (пространства) и меры времени в одном и том же наборе уравнений. Такой набор уравнений, сочетающий пространство и время, состоит из уравнений СТО, описывающих замедление времени и сокращение длины, [8]и позволяет предсказать, что масса m эквивалентна энергии E, что и описано формулой E = mc 2 . Эйнштейн еще в 1905 году объяснял физикам, что вместо того чтобы считать пространство и время независимыми величинами, их надо представлять себе как разные аспекты единого унифицированного целого – пространства-времени. Но это пространство-время, добавляет СТО, не зафиксировано раз и навсегда, как абсолютное пространство или абсолютное время ньютоновой физики, – его можно растягивать и сжимать. И здесь и заложена основа для следующего огромного шага вперед.