Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности - Энтони Агирре Страница 15

Максвелла, если вы проведете эксперимент по измерению скорости света, она окажется равной 300000 км/сек во всех инерциальных системах координат, так что ее величину нельзя использовать для того, чтобы отличить одну систему координат от другой. Но по той же самой причине это и обескураживало, поскольку данное правило выполнялось также и для сигналов, посланных из одной системы координат в другую: сигнал, посланный со скоростью с в первой системе координат, будет иметь ту же скорость с в другой системе независимо от того, насколько быстро вторая система движется относительно первой. Такое поведение противоречило постулату Галилея о преобразовании скорости при переходе от одной системы координат к другой. Действительно, согласно правилу Галилея, наблюдатели в разных системах координат должны наблюдать разные скорости того же луча света — так же как для брошенного шара на гондоле!

Эйнштейн разрешил эту проблему. Казалось, очевидным решением было бы сказать, что уравнения Максвелла не совсем корректны и свет должен вести себя так же, как и любой другой объект или волна. Но Эйнштейн, известный тем, что не принимал очевидные вещи как данность, отверг галилеевское правило преобразования скоростей. В своей специальной теории относительности он выдвинул принцип, гласящий, что все физические законы, включая уравнения Максвелла, в которые входит скорость света, одинаковы во всех инерциальных системах координат. Это означает, что равномерное движение не может быть обнаружено никаким способом, включая наблюдение за поведением света. Логические выводы из этого принципа странны, поразительны, но — что самое главное! — правильны!

Чтобы понять некоторые из этих выводов, вернемся ко сну с гондолами. У всех Галилеев были светящиеся шары, обладающие странным свойством всегда, как и свет, лететь с одной и той же скоростью, — скажем, 2 м/сек. Они не могут замедлиться или ускориться, хотя направление их движения может измениться.

Теперь вообразим себе, что мы на гондоле, плывущей по реке вниз по течению со скоростью 1 м/сек. В этой гондоле находятся два Галилея, стоящие у противоположных бортов лодки и перебрасывающие туда-сюда, как в игре в мяч, светящиеся шары (верхний рисунок далее). Поскольку шар летит со скоростью 2 м/сек и два Галилея стоят на расстоянии 2 метров друг от друга, вы видите, что мяч перелетает от одного Галилея к другому Галилею и обратно за 2 секунды, так что его движение формирует естественные часы, которые «тикают» раз в секунду.

А теперь проделаем один трюк. Вообразим себе, что мы высадились на мосту и наблюдаем за той же самой гондолой, когда она проплывает под мостом. Что вы ожидаете увидеть? Нарисуйте пройденный шаром путь — так, как он видится сверху. Из-за движения гондолы этот путь уже будет не прямолинейным, а зигзагообразной линией (нижний рисунок далее). Какова длина каждого отрезка? Ширина гондолы 2 метра, требуется 1 секунда, чтобы поймать брошенный Галилеем шар, и за это время гондола продвинется вперед на 1 метр. Таким образом, в той же геометрии, о которой мы писали в коане «ИДЕАЛЬНАЯ КАРТА», квадрат длины каждого сегмента должен быть равным сумме квадратов двух сторон. Или 22 + 12 = 5, откуда получаем длину каждого отрезка, равную √5 = 2,2, то есть длина всего пути в оба конца равна 4,4 метра. Но у нас появилась проблема: сидя на мосту, мы (в чем только что убедились) должны увидеть, что шар пролетит 4,4 м за 2 секунды, то есть его скорость должна была бы составить 2,2 м/сек, а это невозможно. Согласно нашему постулату, шар может лететь только со скоростью 2 м/сек. В каком месте наше рассуждение стало неправильным?

Галилеи, перебрасывающиеся светящимся шаром (белый кружочек) в системе координат, связанной с гондолой (верхние рисунки A, B, C), и в системе, связанной с мостом (нижние рисунки A’, B’, C’). От события A (мяч внизу) к B (мяч вверху) и к C (опять внизу) формируется последовательность трех событий, составляющих одно «тиканье» неких часов.

Проблема не в том, что неправильно применена теорема Пифагора или выбраны неправильные длины (если бы мы захотели, мы могли бы измерить расстояния между точками, в которых был пойман шар). Есть только одно утверждение, в правильности которого можно усомниться, и первым это сделал Эйнштейн. Он увидел, что слабое место в аргументации — это негласное предположение, будто одна секунда времени на лодке и секунда на мосту — одинаковы. Но вдруг это не так?

На лодке шару требуется 2 секунды «лодочного времени», чтобы пролететь от одного Галилея к другому и обратно. А если смотреть с моста, шар преодолевает 4,4 м, двигаясь (как и должен) со скоростью 2 м/сек, и ему требуется 4,4/2 = 2,2 секунды «мостового времени», чтобы пересечь гондолу дважды. Но поскольку мы имеем дело с одним и тем же событием, единственный вывод, который можно сделать, — лодочное время отличается от мостового времени. Это означает, что то, что требует 1 секунды на лодке, на мосту требует 1,1 секунды.

Однако за принятие принципа специальной теории относительности Эйнштейна мы должны заплатить некую цену: отказаться от универсальности времени. Если мы будем рассматривать интервалы времени между двумя событиями (например, первое — когда Галилей бросает шар, и второе — когда шар прилетает обратно), то для разных наблюдателей эти интервалы будут разными. Придя к такому выводу, Эйнштейн вывел точную формулу, описывающую то, насколько быстро идет время в одной инерциальной системе относительно другой системы. Представим себе более жизненную ситуацию и применим формулу Эйнштейна, подставив в нее реальные цифры: если ваша подружка уходит на 10 минут (по ее часам) на прогулку, а вы остаетесь дома, то из-за того, что она двигается, а вы сидите на месте, для вас в момент ее возвращения пройдет 10 минут и 3 фемтосекунды.

Поскольку свет распространяется со скоростью 300000 километров (а не 2 метра) в секунду, в реальной жизни этот эффект невероятно, невообразимо мал, — в отличие от того, что происходило в венецианском сне. Вы могли бы жить тысячи лет и никогда не замечать его в повседневной жизни, но этот эффект прячется здесь, поблизости, и иллюстрирует тот факт, что существует фундаментальная разница между вашим представлением о том, как устроен мир, и тем, как он устроен на самом деле. И не сомневайтесь: этот эффект реален и хорошо исследован. Например, каждый спутник в системе глобального позиционирования (GPS) снабжен точнейшими атомными часами. Время на этих спутниках течет с другой скоростью, чем на Земле. И этот, и другие релятивистские