Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Аналогично проверено и сокращение размеров тел вдоль линии движения с ростом скорости: два протона, разогнанные навстречу друг другу в ускорителе, взаимодействуют не как шарики, а как диски, сжатые в направлении движения согласно тем же формулам. Отметим также, что уже при определении точных координат спутников приходится учитывать эффекты СТО, иначе можно ошибиться на несколько километров.

Все эти вопросы, вопросы кинематики, составляют примерно половину первой статьи Эйнштейна, вторая половина посвящена электродинамике. При этом оказывается, что электродинамика Максвелла настолько опередила свое время и была такой завершенной, что полвека спустя Эйнштейн смог почти без изменений включить ее в СТО.

Однако из своих же исследований фотоэффекта он знает, что уравнения Максвелла не являются абсолютно универсальными, и поэтому формулирует свой принцип относительности в более общем виде, чем нужно для этих уравнений. Здесь возникает очень любопытный психологический парадокс: практически одновременно в статье о квантах он отказывается от волновой теории света, а в определении скорости света в СТО именно на нее и опирается — такой дуализм (позднее именно он станет основой квантовой механики) говорит о безграничной вере Эйнштейна в свою физическую интуицию.

С публикацией первой статьи научная «изоляция» Эйнштейна, скромного эксперта Патентного бюро, кончилась — посетивший его первым Макс фон Лауэ позднее вспоминал: «Встретивший меня молодой человек произвел очень неожиданное впечатление. Я не мог поверить, что разговариваю с создателем теории относительности». Далее он пишет, что единственная комната, где живут Эйнштейны, завешана детскими пеленками, а сам он пишет, согнувшись у кухонного стола, и одновременно покачивает кроватку с ребенком.

За несколько десятилетий до объяснения эффекта Доплера Э. Мах, пытаясь объяснить этот принцип в акустике некоему научному собранию, привел своих оппонентов на железнодорожный вокзал и уговорил машиниста проехаться взад и вперед с включенным гудком. Оппоненты были посрамлены: частота звука заметно менялась. Сейчас эффект Доплера используется полицией для определения скорости автомобилей по изменению частоты отраженного радиолуча.

Любопытно заметить, что в этой статье Эйнштейн вообще не упоминает об эксперименте Майкельсона-Морли: то ли он его еще не знает, то ли считает, что важнее всего разобраться с кинематикой и с формой уравнений Максвелла.

Отметим, что СТО вместе с идеями Эйнштейна о квантах сразу же объяснила известный эффект X. Доплера (1803–1853), согласно которому частота света (или звука) повышается, когда источник движется навстречу наблюдателю, и уменьшается, когда источник удаляется.

Минковский (1864–1909) преподавал Эйнштейну математику в Швейцарском политехникуме. Он был невысокого мнения о своем студенте и изумлялся его научным достижениям. Сам Эйнштейн в автобиографии кается в том, что уделял в юные годы недостаточное внимание математике.

И действительно, поскольку скорость кванта света при любом движении источника постоянна, то добавление или уменьшение его энергии (за счет кинетической энергии источника) ведет, согласно формуле Планка, к изменению частоты.

Первым теорию Эйнштейна приветствовал Макс Планк, он же первым продолжил ее развитие. Вероятно, наибольший вклад в ее описание внес известный математик Герман Минковский: он переписал результаты Эйнштейна в более современной математической форме (через тензоры), показал их геометрический смысл, ему, в частности, принадлежат вошедшие во всеобщее пользование термины «световой конус», «мировая линия» и т. д. Поэтому описание СТО как геометрии пространства-времени часто называют геометрией Минковского.

До проявления интереса к СТО Минковский был не очень высокого ценил о физику. Он полушутливо говорил, что единственная польза, которую он из нее извлек, состояла в том, что ранее ему было неприятно садиться в трамвае на только освободившееся теплое сидение, но когда он понял, что тепло — это всего лишь движение молекул, чувство брезгливости исчезло (это высказывание Эйнштейн приписывал М. Гроссману).

Парадоксальные выводы теории относительности долго будоражили научные и околонаучные круги (до сих пор находятся дилетанты, пытающиеся ее опровергнуть).

Наиболее долго в печати обсуждался такой парадокс. Предположим, что один из пары близнецов отправляется на сверхбыстрой ракете в дальнее путешествие, часы у него в ракете идут медленнее, чем у брата, оставшегося на Земле, возвратившись, он оказывается моложе своего брата-близнеца. Здесь пока никакого противоречия нет — все в согласии с теорией относительности.

Теория относительности вызвала громадный поток публикаций, особенно возросший после окончания Мировой войны 1914–1918 гг.: письма ее автору доходили с написанным адресом «Европа, Эйнштейну». Знаменитый философ А. Бергсон (1859–1941, Нобелевская премия по литературе 1927) пишет книгу «Длительность и одновременность» и пробует вместить содержание теории относительности в рамки своей концепции интуитивизма, а известный этнограф В. Г. Тан-Богораз пытается доказать, что основные ее положения близки к представлениям чукотских шаманов о путешествиях душ в моменты медитации. Между этими крайними проявлениями была масса иных, не менее экзотических трактовок, популярностью пользовались и такие стишки: «Юная леди по имени Кэт\ Двигалась много быстрее, чем свет.\ Но попадала всегда не туда… \ Быстро помчишься — \ Придешь во вчера» — они должны были ясно показать справедливость второго постулата Эйнштейна, невозможность скорости, большей, чем скорость света! (Цит. по: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М.: Наука, 1989.)

Но, говорят оппоненты, давайте обострим ситуацию. Пусть эти близнецы расстаются не на Земле, а в стыкованных рядом ракетах. Тогда ведь путешествовавший брат мог считать, что движется не он, а второй брат, и поэтому при встрече тот должен быть моложе!

Как будто возникает некое противоречие, названное парадоксом близнецов.

Парадокс этот, конечно, ложный: теория преобразований Лорентца и вообще теория относительности, о которой мы говорили, называется частной или чаще специальной (СТО) — она описывает лишь явления в инерциальных, т. е. не испытывающих ускорения системах (ускорения будут учтены в общей теории относительности — см. ниже). Поэтому становится очевидным, что поскольку для встречи братьев один из них должен был испытывать периоды ускоренного движения (разгон ракеты, ее разворот и торможение — для встречи с братом), то двигался именно он, и поэтому показания именно его часов, в том числе физиологических, определяющих возраст, должны быть меньшими.