Лев Ландау - Что такое теория относительности. 3-е, дополненное издание

Открытие относительности времени было сделано в 1905 году величайшим физиком XX века Альбертом Эйнштейном (1880–1955). Это открытие выдвинуло 25-летнего Эйнштейна в ряды титанов человеческой мысли. В нашей памяти он стал наряду с Коперником и Ньютоном пролагателем новых путей в науке.

В. И. Ленин назвал Альберта Эйнштейна одним из «великих преобразователей естествознания».

Учение об относительности времени и вытекающие из него следствия именуются обычно теорией относительности. Ее не следует путать с принципом относительности движения.

До второй мировой войны самолеты летали со скоростью, меньшей скорости звука, а теперь построены и «сверхзвуковые» самолеты. Радиоволны распространяются со скоростью света. Но нельзя ли поставить перед собой задачу — создать «сверхсветовую» телеграфию, чтобы передавать сигналы со скоростью еще большей, чем скорость света? Это оказывается невозможным.

В самом деле, если бы можно было осуществить передачу сигналов с бесконечной скоростью, то мы получили бы возможность устанавливать однозначным образом одновременность двух событий. Мы говорили бы, что эти события произошли одновременно, если бы бесконечно быстрый сигнал о первом событии приходил одновременно с сигналом о втором событии. Таким образом, одновременность получила бы абсолютный характер, не зависящий от движения той лаборатории, к которой относится это утверждение.

Но поскольку абсолютность времени опровергается опытом, мы заключаем, что передача сигналов не может быть мгновенной. Скорость передачи действия из одной точки пространства в другую не может быть бесконечной, другими словами — не может превышать некоторой конечной величины, называемой предельной скоростью.

Эта предельная скорость совпадает со скоростью света.

В самом деле, согласно принципу относительности движения, во всех движущихся друг относительно друга (прямолинейно и равномерно) лабораториях законы природы должны быть одинаковы. Утверждение, что никакая скорость не может превышать данного предела, есть также закон природы, и поэтому значение предельной скорости должно быть совершенно одинаково в различных лабораториях. Этими же свойствами, как мы знаем, отличается и скорость света.

Таким образом, скорость света — это не просто скорость распространения некоего явления природы. Она играет важнейшую роль предельной скорости.

Открытие существования в мире предельной скорости является одним из величайших триумфов человеческой мысли и экспериментальных возможностей человечества.

Физик прошлого столетия не мог додуматься до того, что в мире существует предельная скорость, что факт ее существования можно доказать. Более того, если бы даже он в своих опытах наткнулся на наличие в природе предельной скорости, он не мог быть уверен, что это закон природы, а не следствие ограниченности экспериментальных возможностей, которые могут быть устранены в процессе дальнейшего развития техники.

Принцип относительности показывает, что существование предельной скорости лежит в самой природе вещей. Рассчитывать, что прогресс техники даст возможность достичь скоростей, превышающих скорость света, столь же смешно, как полагать, что отсутствие на земной поверхности точек, разделенных расстоянием свыше 20 тысяч километров, есть не географический закон, а ограниченность наших знаний, и надеяться, что по мере развития географии удастся отыскать на Земле точки, еще более удаленные друг от друга.

Скорость света потому и играет такую исключительную роль в природе, что она является предельной скоростью для распространения чего бы то ни было. Свет либо опережает всякое другое явление, либо, в крайнем случае, доходит с ним одновременно.

Если бы Солнце раскололось на две части и образовало бы двойную звезду, то, конечно, изменилось бы и движение Земли.

Физик прошлого столетия, не знавший о существовании в природе предельной скорости, безусловно предположил бы, что изменение движения Земли произошло бы мгновенно вслед за раскалыванием Солнца. Между тем свету понадобилось бы восемь минут, чтобы дойти от расколовшегося Солнца до Земли.

В действительности, однако, изменение в движении Земли тоже начнется лишь спустя восемь минут после того, как расколется Солнце, и до этого момента Земля будет двигаться так, как если бы Солнце не раскололось. Да и вообще ни одно событие, происшедшее с Солнцем или на Солнце, не окажет никакого влияния ни на Землю, ни на ее движение до истечения этих восьми минут.

Конечная скорость распространения сигнала, разумеется, не лишает нас возможности устанавливать одновременность двух событий. Для этого надо только учесть время запаздывания сигнала, как это обычно и делается.

Однако такой способ установления одновременности уже вполне совместим с относительностью этого понятия. В самом деле, чтобы вычесть время запаздывания, мы должны будем разделить расстояние между местами, в которых произошли события, на скорость распространения сигнала. С другой стороны, еще обсуждая вопрос о посылке писем из экспресса Москва — Владивосток, мы видели, что само место в пространстве — понятие тоже весьма относительное!

Предположим, что в нашем поезде с зажигающейся лампочкой, который мы будем называть поездом Эйнштейна, испортился механизм автоматических дверей, и люди в поезде заметили, что передняя дверь открылась на 15 секунд раньше, чем задняя. Люди на станционной платформе увидят, что, наоборот, задняя дверь открылась на 40–15 = 25 секунд раньше. Таким образом, то, что для одной лаборатории произошло раньше, для другой может произойти позже.

Однако сразу возникает мысль, что такая относительность понятий «раньше» и «позже» все же должна иметь свои пределы. Так, вряд ли можно допустить (с точки зрения какой бы то ни было лаборатории), что ребенок родился раньше своей матери.

На Солнце образовалось пятно. Через восемь минут это пятно увидел астроном, наблюдающий за Солнцем в телескоп. Все, что сделает астроном после этого, будет абсолютно позже, чем появилось пятно, — позже с точки зрения любой лаборатории, где наблюдают солнечное пятно, и астронома. Напротив, все, что произошло с астрономом раньше, чем за восемь минут до возникновения пятна (так, чтобы световой сигнал об этом событии пришел бы на Солнце до появления пятна), произошло абсолютно раньше.

Если же астроном, например, надел очки в момент, лежащий между этими двумя границами, то временное соотношение между появлением пятна и надеванием очков астронома не будет уже абсолютным.

Мы можем двигаться относительно астронома и пятна так, чтобы в зависимости от скорости и направления своего движения видеть астронома, надевающего очки раньше, позже или одновременно с появлением пятна.