Чарльз Флауэрс - 10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА

Давайте попробуем, подобно Эйнштейну, задуматься над смыслом определения скорости (скорость равна отношению расстояния к времени) в мире, где расстояние и время больше не являются абсолютными величинами, т. е. не фиксированы точно. Не смущайтесь, если вам ничего не приходит в голову, так как сам Эйнштейн позднее писал: «…сформулировав себе этот ошеломляющий вопрос, я на несколько дней впал в состояние полной растерянности».

Представление об относительности движения вот уже несколько веков является одним из основополагающих принципов физики и, в сущности, является достаточно простым и очевидным. Например, если вы находитесь в поезде, который плавно отходит от перрона с постоянной скоростью, то у вас есть только одна возможность определить эту скорость (или даже просто убедиться, что поезд движется вообще), а именно – выглянуть в окно. Вспомните, о чем постоянно твердят телевизионные клипы с рекламой дорогих автомобилей: «…Наша машина движется так мягко, плавно и спокойно, что Вы совершенно не чувствуете ее скорости!». Авторы рекламы совершенно правы, ведь каждый из нас испытывал странное ощущение в момент отправления поезда, когда вдруг начинает казаться, что поезд стоит, а платформа медленно отплывает назад (похожее чувство возникает и в автомобиле при медленном и плавном наборе скорости).

А теперь вернемся к пассажиру, который едет в железнодорожном вагоне со скоростью света и смотрит в зеркало. В соответствии с описанным выше принципом относительности, он должен видеть свое изображение, поскольку весь этот маленький, замкнутый мир (поезд, пассажир, зеркало) движется равномерно. Если воображаемый поезд движется плавно и бесшумно, а окна в купе зашторены, то пассажир может и не догадываться о движении, пока не отодвинет штору и не выглянет наружу. Такое объяснение удовлетворяло всех (включая и Эйнштейна), поскольку оно согласуется с основополагающим постулатом относительности всякого движения, который стоит сформулировать еще раз: скорость движения системы можно определить только относительно какого-либо внешнего объекта.

Однако стоит вспомнить, что в мысленном эксперименте Эйнштейна участвует также и наблюдатель на платформе, мимо которого мчится поезд. Он тоже замечает зеркало в руке пассажира, но с его точки зрения скорость света внутри поезда вдвое превышает обычную (она складывается из скорости света при движении от зеркала к пассажиру + равная световой скорость самого поезда относительно платформы). Неужели он прав? Эйнштейн ответил на вопрос отрицательно, тем самым сразу преступив границы здравого смысла приводимых выше доводов. Он продолжал рассуждать именно логически, исходя по-прежнему из того, что скорость определяется отношением пройденного расстояния к времени. Для сохранения справедливости этой формулы (и для пассажира, и для наблюдателя, несмотря на очевидную разницу в системах отсчета) Эйнштейн предложил рассмотреть еще одну возможность, которую до него в физике никто не принимал всерьез, а именно – ввести одновременное изменение времени и расстояния! Эти два параметра, являющиеся абсолютными в привычном нам мире малых скоростей, в системах с околосветовыми скоростями начинают существенно изменяться, что и позволило Эйнштейну не только сохранить фундаментальный принцип относительности движения (скорость по-прежнему осталась равной отношению расстояния ко времени), но и одновременно получить из него новые, поразительные закономерности и следствия. Главное соотношение осталось неизменным, но для его «спасения» пришлось пожертвовать фундаментальными представлениями о пространстве и времени при описании движения с очень высокими скоростями.

В своей первой работе 1905 г. по специальной теории относительности Эйнштейн выдвинул два основных принципа: 1) скорость света не зависит от того, является ее источник неподвижным или движущимся, и 2) скорость света не зависит от системы отсчета и является одинаковой как для неподвижного наблюдателя (наблюдателя на платформе), так и для движущегося с любой скоростью (пассажира проезжающего мимо платформы поезда). Иными словами, эта скорость не связана с тем, лежите вы в шезлонге на пляже или находитесь на борту космического корабля, выходящего на околоземную орбиту. Она представляет собой некий общий и непреодолимый предел скорости движения всех объектов. Речь идет, строго говоря, не о скорости волн видимого света (покрывающих всего около 2% всего диапазона электромагнитного излучения), а о скорости всех волн этого излучения (от «бешеных», высокоэнергетических гамма-квантов до «ленивых» и слабых радиоволн).

Постоянство скорости света проявляется, прежде всего, в том, что ни одно из космических событий не доходит до Земли мгновенно, немедленно и сразу. Когда рентгеновский телескоп регистрирует чудовищный по масштабам взрыв и образование черной дыры, «атакующей» огромный сектор звездного пространства, мы понимаем, что электромагнитным волнам пришлось пробежать огромное расстояние, так что воспринимаемый нами сигнал отстает от события на миллиарды лет. Именно поэтому понятие «одновременности событий» должно как-то включать в себя время в качестве отдельной переменной. Сочетание таких подходов позволяет перейти к более сложным мысленным экспериментам.

Давайте вообразим себе нечто более сложное, чем простые (хотя и сверхбыстрые) вагоны, и рассмотрим ситуацию, вполне пригодную для сценария «Звездных войн»: мы вторгаемся в чужую галактику на космическом корабле с защитным покрытием, которое поглощает все типы излучения, подобно так называемому черному телу, и делает наш корабль невидимым для радаров противника. Однако командир вражеского звездолета (представьте себе огромный диск с мощными лазерными излучателями по всей кромке) каким-то образом догадывается о нашем присутствии и приказывает дать залп по всем направлениям, в полной уверенности, что хотя бы один из выстрелов попадет в цель. Такая стратегия, с точки зрения противника, представляется точной и беспроигрышной при условии, что все лазерные излучатели выстрелят одновременно, и наш единственный шанс на спасение может быть связан именно с отсутствием понятия «одновременности» в релятивистской механике. Поскольку скорость света является постоянной, то (при достаточно больших размерах корабля противника) мы можем уловить отсутствие синхронизма, т. е. заметить, что более близко расположенные (с нашей точки зрения) лазеры должны начать стрельбу чуть раньше, а более удаленные – чуть позже. Понятие «одновременности» в таких ситуациях перестает быть абсолютным и начинает зависеть от системы отсчета.