Станислав Зигуненко - Как устроена машина времени?

Но зачем тогда Ньютону понадобилось понятие абсолютного времени, которое повлекло за собой и понятие абсолютного пространства, то есть не имеющего границ, всюду и везде одинакового по своим свойствам, вмещающего в себя все природные тела и дающего место всем природным явлениям?.. Для удобства решения задач той же практики.

Как писал в одной из своих статей Альберт Эйнштейн, «цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: „Существует ли простое правило для полного вычисления движений небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определенный момент времени?“» И Ньютон дал простой ответ на этот вопрос. Но для этого ему пришлось абстрагироваться от всего случайного и мелочного, то есть от реальности перейти к идеалу, иначе он попросту бы запутался в мелочности реальных поправок.

И его теория верой и правдой служила практике многие десятки лет, пока не появилась теория относительности.

«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки… Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов… В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера… Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке».

Отдав этими словами должное своему предшественнику, «этому блестящему гению», А. Эйнштейн тем не менее принялся перекраивать Вселенную по своему разумению. Говорят, он удивил своих собеседников, признавшись однажды, что никогда не понимал понятия «абсолютное время». Конечно, это была шутка в стиле Эйнштейна — он знал и об абсолютном времени, и об абсолютном пространстве классической физики достаточно много. Столько, чтобы понять несовершенство механики Ньютона — Галилея.

Почему время везде и всюду течет одинаково? Чем этот темп задается и что (или кто) его контролирует? Эти «проклятые» вопросы не давали ему покоя. И он в конце концов разрешил их, создав теорию относительности.

За этой теорией, законченной автором в 1916 году, с самого начала утвердилась слава непостижимой. Сначала говорили, что ее во всем мире понимают всего три человека, включая самого автора. Потом число посвященных увеличилось до двенадцати, но сам автор из этой дюжины, как ни странно, выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».

Действительно, математическая сторона теории весьма непроста. Но можно ведь и о самых сложных вещах рассуждать просто, объясняясь, как говорится, на пальцах. Сам Эйнштейн, кстати, владел таким способом изложения своих мыслей достаточно хорошо.

«Представим себе двух физиков, — говорил он. — У обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого — в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения существующих в природе законов — один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, — .найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета». Таким образом Эйнштейн своими словами пересказал притчу о путешественнике в запертой каюте, соглашаясь тем самым с правильностью в определенных случаях теории Галилея — Ньютона. И действительно, эта теория около двухсот лет служила верой и правдой человечеству, и никто на нее не жаловался. Так что же заставило Альберта Эйнштейна пересмотреть устоявшиеся позиции? Все та же практическая необходимость.

За два столетия многое переменилось в окружающем мире. Скорости, в нем существующие, заметно возросли. Появились новые, отрасли знания — физики, в частности, вплотную занялись явлениями электромагнетизма. И потому на смену принципу относительности длился должен был прийти принцип относительности Эйнштейна. Он добавил в теорию одну важную аксиому: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Долгое время считали, что скорость света вообще равна бесконечности. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимите ночью голову к небу. Вы увидите звезды. Закройте глаза — звезды исчезнут. Откройте их снова — звезды тотчас появятся. Поскольку между мигом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка, то свет распространяется мгновенно».

А вот уже известный нам Галилей был по этому поводу другого мнения. Он предложил проделать эксперимент по измерению скорости света. Пусть два человека, снабженных сигнальными фонарями, станут подальше друг от друга, рассуждал он. Один из них открывает свой фонарь. Второй делает то же самое, как только видит свет фонаря первого. А наблюдатель, стоящий рядом с первым фонарщиком, пусть замерит промежуток времени, который пройдет между тем мгновением, когда первый фонарщик откроет свет своего фонаря, и тем мигом, когда наблюдатель увидит свет второго фонаря.

Галилей даже попытался провести такой эксперимент на практике, но вскоре убедился — скорость света чересчур велика, чтобы ее можно было было замерить вручную.

Опыты по схеме Галилея удалось провести в XVII и XIX веках. Сначала в 1675 году датский астроном Олаф Кристенсен Ремер провел наблюдения во время затмения открытых Галилеем спутников Юпитера. При этом впервые было подтверждено, что скорость света имеет конечную величину. А потом опыт Галилея был проведен в лабораторных условиях французским экспериментатором Ипполитом Физо в 1849 году с помощью сконструированного им простейшего механического устройства.

Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами шестеренки, распространялся на некоторое расстояние (в своих экспериментах Физо доходил и до дистанции в 9 км). На этом расстоянии стоит зеркало, отразившись. от которого световой луч идет обратно. Если зубчатое колесо неподвижно, этот луч попадет в глаз наблюдателя через тот же промежуток между зубцами. А вот если колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения световой луч попадет либо на зубец, либо — при дальнейшем повышении скорости — в следующий промежуток

Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно вычислить скорость распространения света. Физо получил в своих опытах значение скорости света, равное 313 тыс. км/с. (Для сравнения заметим, что в современных опытах, проведенных с помощью атомных часов, это значение равно 299 799 456 м/с с погрешностью ± 0,2 м/с.)