Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности - Энтони Агирре Страница 14

7. Венецианские сны

(Венеция, 1609 год)

Стоит теплый, располагающий к лени весенний день. Покачивание скользящей по каналам Венеции гондолы почти усыпило тебя. Но неутомимый ум Галилея отдыхает редко; внезапно ученого осеняет некая мысль, и он вынимает из кармана маленький мячик. «Наблюдай! — произносит он чуть громче, чем нужно. — Когда я бросаю мяч, он падает прямо на дно лодки, так же, как он упал бы на земле — движение гондолы не влияет на его падение». Этот факт кажется вполне очевидным, и Галилей говорил об этом и раньше. Но ты настораживаешься, когда он продолжает: «Однако посмотри на девушку на мосту. Когда я бросаю мяч, что видит она?» Первое, что тебе приходит в голову, это то, что она видит то же самое, что и ты. Но догадываясь, что Галилей спрашивает не просто так, ты не торопишься с ответом, и до тебя наконец доходит. «А, — отвечаешь ты, — она видит не только как мячик падает вниз, но еще и как он движется вперед вместе с гондолой». Галилей приходит в восторг: «Очень хорошо! На самом деле девушка то же событие видит по-другому — мячик для нее движется с другой скоростью, чем для нас здесь, на лодке. На самом деле то, что видят разные наблюдатели, связано математическим соотношением. Например, если я брошу девушке мяч, когда мы приближаемся к мосту, на котором она стоит, ей покажется, что я кидаю мяч с большей силой, чем мои старческие руки могут это сделать, поскольку она видит, как мяч в броске летит со скоростью, равной сумме скоростей мяча и нашей гондолы. Если же я брошу ей мяч уже после того, как мы проплыли под мостом, ей покажется, что я затратил на бросок на столько же меньше сил, чем на самом деле, поскольку мяч летит с меньшей скоростью». Ты обдумываешь это замечание в течение некоторого времени и приходишь к выводу, что оно, несомненно, правильно и соответствует всему твоему опыту.

Весь этот день ты чувствуешь удовлетворение — ведь ты понял новое для тебя свойство мироздания. Но в ту ночь тебе приснился странный и страшный сон: ты плывешь ночью в гондоле по каналу, где полно и других лодок, и в каждой — свой Галилей. У всех Галилеев в руках светящиеся шары, которыми они перебрасываются. Однако все происходит совсем не так, как твой учитель продемонстрировал тебе днем: это выглядит как пародия на дневную демонстрацию. Независимо от того, с какой силой один Галилей бросает шар другому Галилею, и независимо от относительной скорости их гондол шары прилетают к цели с одной и той же скоростью. Затем ты замечаешь еще более фантастическое искажение событий: два Галилея перебрасываются шарами, но создается такое впечатление, что чем быстрее скользят по воде их гондолы, тем медленнее они движутся, словно застывая в янтаре. События запутываются так стремительно, что скоро ты уже не можешь отличить интервал в пространстве (расстояние) от интервала по времени (продолжительности) — или действие от бездействия.

Ты просыпаешься в холодном поту, встаешь, зажигаешь свечу и с облегчением понимаешь, что вернулся в нормальный, разумный мир. И даже не предполагаешь, что все, что ты видел во сне, было правдой.

Глаза самадхи могут развернуть огонь. Когда облака плывут, луна движется; когда лодка плывет, берег движется.

Тут как раз что-то подобное.

Будда Шакьямуни[25]

Мысль о том, что нет никакого смысла в абсолютном равномерном движении, привела нас вслед за Галилеем и Ньютоном к поиску математических правил, управляющих повседневным миром, в котором мы обитаем. Продвигаясь дальше по этому пути, мы обнаруживаем, что в некоторых аспектах этот повседневный мир сильно отличается от того, каким кажется.

Физика, которая легла в основу физики Ньютона, была разработана Галилеем и опиралась на два столпа. Первым была именно эта эквивалентность различных состояний равномерного движения, часто называемая эквивалентностью инерциальных систем координат. Здесь «эквивалентность» означает, что вы не можете отличить одну систему координат от другой, используя эксперименты, которые вы проводите внутри этой системы координат. «Инерциальная» означает, что система не ускоренная, а «система координат» означает своего рода систему отсчета — например, окружающая вас в данный момент среда или интерьер лодки, — все то, относительно чего вы можете установить положение и скорости движения объектов. Второй столп физики Галилея — очень мудрое правило, определяющее, как скорости, измеренные в разных инерциальных системах, должны сравниваться и соотноситься друг с другом. Как продемонстрировал Галилей, если с борта гондолы, плывущей относительно моста со скоростью vgond, бросить мяч вперед со скоростью vball, то стоящему на мосту человеку будет казаться, что мяч летит со скоростью vball + vgond. Это математическое правило, которое сформулировал Галилей. Оно устанавливает соответствие между скоростью мяча в инерциальной системе координат, связанной с гондолой vball, и скоростью мяча в инерциальной системе, связанной с мостом: vbridge = vball + vgond, при этом относительная скорость двух инерциальных систем равна vgond[26].

Когда вы думаете об этом, все кажется таким ясным, что усомниться трудно, не так ли? Но в конце девятнадцатого века физики поставили это правило под сомнение. Один из них, физик Джеймс Клерк Максвелл, который изучал электрическую и магнитную силы, порождаемые соответствующими полями, что пронизывают все пространство, вывел красивую систему уравнений, управляющую поведением этих двух полей, объединив их в одно электромагнитное поле. Один из самых интересных выводов из уравнений Максвелла — существование в электромагнитном поле электромагнитных волн, подобных (звуковым) волнам в воздухе или волнам на поверхности воды. И когда он рассчитал скорость этих волн, то обнаружил, что они всегда движутся с фиксированной скоростью с — около 300 ооо км/сек — и никогда — с другой. Это было и удивительно, и замечательно, и обескураживающе.

Это было удивительно, потому что их скорость совпала со скоростью света, и Максвелл вполне естественно предположил, что эти его электромагнитные волны и были светом. Это предположение позволило и понять глубинную природу света, и установить связь между электромагнетизмом и другими областями физики. Это было замечательно еще и потому, что полностью соответствовало принципу эквивалентности инерциальных систем координат Галилея: согласно уравнениям