Роман Подольный - Чем мир держится?

Все это и многое другое Галилей говорил для того, чтобы подвести своих современников к принципу, который на современном научном языке гласит: все законы механики справедливы в системах, которые движутся относительно друг друга прямолинейно и с постоянной скоростью.

Термин «относительность» стал одним из самых популярных и, конечно, благодаря широко известной ныне теории относительности. И все-таки перед тем как сесть за эту главу, автор провел опрос своих знакомых, чтобы выяснить, что, по их мнению, представляет собой принцип относительности. К специалистам-физикам он не обращался, решив, что они знают это «по положению»; не спрашивал он и самых заядлых гуманитариев, поскольку справедливо полагал, что они не знают этого — тоже «по положению». Среди опрошенных оказались инженеры самых разных специальностей, химики, врачи, архитекторы, журналисты, пишущие о науке. Некоторые из ответов отдаленно приближались к истине, некоторые не имели к ней никакого отношения, многие смельчаки сознались, что представления не имеют о том, о чем столько слышали.

Потому и появился в книге этот рассказ о принципе относительности, или, по-иному говоря, о трех принципах относительности: галилеевском, частном принципе относительности Эйнштейна и общем принципе относительности его же.

Обратим внимание: популярная разговорная формула, гласящая, что все в мире относительно, не имеет к данному принципу даже косвенного отношения. Он-то ведь провозглашает общность, а не различие законов для разных систем отсчета — при условии, что все они движутся с постоянной скоростью, как галилеевские корабли.

Все, что происходит в мире, должно при исследовании физиками иметь четко обозначенный адрес. Когда мы надписываем на конверте адрес приятеля, то пользуемся системой отсчета, связанной с планетой Земля. Порою вместо термина «система отсчета» применяют термин «система координат». Иногда говорят, что между системой отсчета и системой координат примерно та же разница, что между городом и его планом, между страной и ее картой, указывая при этом, что как карта может изображать несуществующую страну, так система координат может иметь чисто расчетный смысл. Математики работают, например, с многомерными системами координат, между тем наш реальный мир знает только три пространственных измерения. Система же отсчета всегда берет за основу какие-то реальные тела, так сказать, опорные точки. Впрочем, для этой книги такие подробности не имеют существенного значения.

(Помню, как студентом я присутствовал при закладке раскопа в археологической экспедиции. Раньше, чем первая лопата вонзилась в тугой дерн, зеленую надгробную пелену над домами и улицами древнего города, мы под руководством специалиста колдовали с теодолитами, намечая опорные точки для сетки координат плана будущего раскопа. В эти точки были вбиты аккуратные колышки. А затем каждый участок раскопок привязывался к этим колышкам, обозначался с учетом точного расстояния от них. С этого момента все, что выбрасывали лопаты, все, что осторожно зачищалось кистью и ножом, — все это получало четкую прописку в пространстве: квадрат такой-то, на глубине такой-то.

Археологам хорошо: у них есть колышки и есть, куда их вбивать. В астрономии и ряде областей физики определение точек отсчета — дело чрезвычайно сложное, но здесь не место вдаваться в тонкости этой проблемы.)

Суть принципа относительности Галилея и частного принципа относительности Эйнштейна проста: можно говорить только об относительной скорости, абсолютная скорость в нашем физическом мире — абстракция, более того — абсурд, она нс только не имеет, но и не может иметь реального воплощения. Это понятие лишено смысла, даже сама по себе абстракция абсолютной скорости не нужна физике. Все системы отсчета при равномерном движении равноправны.

Мы измеряем скорость поезда и самолета по телам отсчета, находящимся на Земле. Пассажир поезда ходит по вагону поезда с одной и той же относительной скоростью, стоит ли поезд на станции или делает сто километров в час (строго «по Галилею»!).

Для пассажира поезда системой отсчета становится его вагон. Недаром же нам кажется, что не мы едем мимо телеграфных столбов, а они бегут мимо нас назад. Два поезда, как два галилеевских корабля, верны одним и тем же законам. Так же, как два современных самолета — на средних участках пути, где они уже не ускоряют свой полет и еще не замедляют его. Экипаж, пассажиры, кресла и приборы движутся вместе с самолетом с той же скоростью, что и он, и, естественно, в том же направлении.

Такие системы отсчета, в которых для постороннего наблюдателя все тела, если на них не действуют внешние силы, движутся поступательно по прямой и с постоянной скоростью, называются инерциальными системами. Во всех таких системах, согласно принципу относительности Галилея, остаются неизменными все законы механики, согласно же специальному принципу относительности Эйнштейна — все законы природы. В каждом из самолетов (на средних участках пути!) по одним и тем же законам бьются сердца людей, тикают наручные часы; даже ходики с гирями будут одинаково тикать в обоих самолетах [9] Рассуждая так, мы отвлекаемся от того, что на самолеты, летящие на разной высоте, тяготение действует неодинаково. Впрочем, эту разницу могут уловить только сверхточнейшие приборы. .

Но так, согласно специальной теории относительности, дело обстоит тогда, когда самолеты летят с постоянной скоростью (пусть и разной для каждого из них). На первом и последнем участках своего маршрута каждый самолет как система отсчета, строго говоря, временно выпадает из-под действия специального принципа относительности. Он летит с ускорением, положительным в начале пути и отрицательным в конце его, и становится неинерциальной системой отсчета — по отношению, положим, к другим самолетам на средних участках их полета.

Пассажира ускорение прижимает к спинке кресла. Гиря на часах-ходиках, подвешенных к стенке кабины, отклонится в направлении, противоположном направлению полета. Это, естественно, скажется на их ходе.

Ну, а на спутнике Земли, вращающемся вокруг пашей планеты, часы-ходики вообще не будут ходить. Там ведь все тела находятся в невесомости, и гиря вообще не сможет выполнить свою столь привычную нам роль «гравитационного двигателя». Итак, инерциальные системы подобны друг другу по характеру действующих в них законов природы. Системы неинерциальные, движущиеся не с постоянной скоростью, отличаются от инерциальных достаточно резко.

Специальная теория относительности не входит в число предметов, о которых надо писать в этой книге. Нам она важна только как этап рождения общей теории относительности, как ступенька, с которой Эйнштейн шагнул к решению проблемы тяготения. Почти все, что пишут о теории относительности Эйнштейна в популярной литературе, относится целиком или глазным образом к специальной теории. Именно из нее следует «парадокс близнецов», согласно которому тот из них, что отправится в космический полет со скоростью, близкой к скорости света, вернувшись на Землю, окажется моложе, чем ожидавший его на родной планете брат. И поражающая воображение картина роста массы любого тела с приближением его скорости к скорости света (с) — тоже оттуда. И представление о том, что длина такого тела должна сокращаться по мере приближения к с.