Эйнштейн (Жизнь, Смерть, Бессмертие)
Шрифт:
В самом конце прошлого столетия Вильям Томсон говорил, что наука, наконец, вошла в гавань, разрешила все коренные вопросы и может теперь только уточнять детали. Но он упомянул о двух нерешенных проблемах. Одна из них состояла в некоторых затруднениях теории излучения - они-то и привели в 1900 г. Макса Планка к идее квантов. Второй нерешенной проблемой Томсон считал результаты опыта Майкельсона. За вычетом указанных проблем, по его мнению, науке ничто не угрожает и она может считать себя гарантированной от пересмотра своих коренных теоретических устоев. И как это часто бывает, не успели метеорологи объявить о наступлении ясной погоды, как грянул гром. Он грянул именно из тех тучек, о которых говорил Томсон. Результаты опыта Майкельсона и множество аналогичных опытов опрокинули, казалось бы, самые очевидные представления о мире. В 1905 г. инженер бернского патентного бюро заявил, что свет действительно распространяется с одной и той же скоростью относительно всех тел, движущихся с постоянной скоростью одно относительно другого - встречающихся, отстающих одно от другого,
Чтобы подчеркнуть всю парадоксальность этого утверждения, нарисуем следующую картину. С палубы быстро движущегося корабля бросаются в воду два человека, плавающие с одной и той же быстротой. Один из них плывет от носа к корме, т.е. навстречу кораблю, другой от кормы к носу, догоняя корабль. Казалось бы, очевидно, что пловцы затратят различное время: тот, кто плывет по воде навстречу кораблю, достигнет кормы скорее, чем вто
117
рой пловец - носа корабля. И вот вопреки очевидности пловцы проходят этот путь в одно и то же время, т.е. с одной и той же скоростью. Разница в скорости показала бы, что корабль движется. Если такой разницы нет, то о движении корабля можно судить только по изменению его расстояния от берега или от другого корабля, движение его относительно; с тем же правом можно сказать, что берег движется относительно корабля. Свет ведет себя, как эти пловцы. Оптические процессы в теле не дают внутренних критериев движения, не дают основания говорить об абсолютном движении. Свет распространяется с одной и тон же скоростью относительно различных, движущихся одно относительно другого, тел. Мы уже говорили недавно о системах отсчета воображаемых измерительных стержнях, с помощью которых можно измерить скорость, в частности скорость света. Основную посылку теории относительности Эйнштейна выражают словами "скорость света одна и та же во всех системах отсчета, движущихся одна относительно другой без ускорения".
Мы можем прикрепить систему отсчета к кораблю и считать неподвижными стоящие на палубе предметы; можем прикрепить ее к берегу и зарегистрировать движение этих предметов с уплывающим кораблем; можем прикрепить систему отсчета к Земле, к Солнцу, к Сириусу, и каждый раз у нас получится другая картина покоящихся и движущихся тел во Вселенной. Но переход от одной системы отсчета к другой ничего не меняет в ходе внутренних процессов в теле. В одной системе тело неподвижно, в другой оно движется, по эти определения "неподвижно" и "движется" относительны, они имеют смысл только по отношению к некоторой системе отсчета; движение тела выражается в изменении расстояний от других тел - и только, а покой выражается в неизменности таких расстояний - и только. Внутренних различий, различий в ходе внутренних процессов нет, в том числе нет различий в скорости света.
Так была дискредитирована идея привилегированной абсолютной системы отсчета, убеждение, что в некоторой абсолютной системе отсчета при регистрации движения и при измерении скорости мы получаем "истинные" данные, а в других системах отсчета движение и покой представляют собой лишь кажущиеся состояния. Так была
118
завершена коперниканская революция, отнявшая у Земли ее абсолютную неподвижность, а у системы отсчета, в которой Земля неподвижна, - ее привилегированный характер. Когда Коперник и Галилей показали людям, что движение тел, каким оно представляется при наблюдении с Земли и при измерении в системе отсчета, привязанной к Земле, не имеет абсолютного характера, дальнейшее развитие идеи относительности уже не могло никого поразить. Но ликвидация последней линии укреплений, защищавших абсолютное движение, потребовала признания самой парадоксальной картины, какую только можно представить, - картины движения света с одной и той же скоростью в системах, которые сами движутся одна относительно другой.
Признание парадоксальности новой картины мира - исходный пункт анализа ее воздействия на характер научного мышления. Но парадоксальные утверждения Эйнштейна не вызвали бы такого широкого резонанса, если бы они не были так тесно логически и исторически связаны с "классическим идеалом" и с предыдущими переворотами в науке, освобождавшими ее от антропоцентрических абсолютов.
Убеждение, что человек, прохаживающийся по палубе корабля, движется с различной скоростью относительно этого корабля, относительно встречного корабля, относительно берега и т.д., было незыблемым. Весьма естественным казалось убеждение, что и свет распространяется с различной скоростью в движущихся одна по отношению к другой системах. Но без того чтобы разрушить это убеждение, нельзя было окончательно ликвидировать антропоцентрические призраки в науке и завершить освобождение науки от этих призраков, начатое в новое время Коперником и Галилеем. По сравнению с гелиоцентризмом новая революция против абсолютного движения принесла людям еще более парадоксальные представления. В XVI-XVII вв. движение приписали телу, которое до того считалось неподвижным, но само движение понимали так же, как и раньше. В этом отношении неевклидова геометрия с ее треугольниками, у которых сумма углов не равна двум прямым углам, с перпендикулярами к прямой, расходящимися по мере удаления от нее или сходящимися в некоторой точке, была более парадоксальной. Но здесь речь шла о геометрических теоремах, кото
119
рые могли казаться и часто казались свободными творениями мысли, выводящей их логически непротиворечивым образом из произвольных, в том числе парадоксальных, допущений. "Безумие" теории Эйнштейна одного порядка
Но несмотря на свою парадоксальность, теория относительности производит впечатление чего-то глубоко конструктивного, причем завершающего то здание, которое начали строить с самого возникновения современной науки.
Созданная в XVII в. классическая картина мира основана не только на "очевидном" правиле: если тело движется с одной скоростью относительно одной системы, оно должно двигаться с иной скоростью относительно другой системы, движущейся относительно первой. Классическая картина мира рассматривает его как совокупность тел, движущихся одно относительно другого. Эфир, заполняющий мировое пространство, выходит за рамки первоначальной классической картины мира. И теперь мы возвращаемся к ней, правда, пожертвовав для этого "очевидным" правилом сложения скоростей. В этом смысле
120
сама структура теории относительности весьма парадоксальна. С одной стороны, "безумная" идея - движение с постоянной, одной и той же скоростью по отношению к различным движущимся одна относительно другой системам. С другой стороны, устоявшаяся за много веков (начиная с Демокрита!) картина Вселенной, где нет ничего, кроме тел, движущихся одно относительно другого.
По отношению к этой картине классическая физика производила впечатление недостроенного здания. Тела движутся не только одно относительно другого, но и в абсолютном смысле в неподвижном эфире, позволяющем определить скорости тел по отношению к чему-то абсолютно неподвижному, т.е. определить абсолютные скорости тел. Движение в эфире должно воздействовать на скорость распространения света сквозь движущуюся среду, и, таким образом, оптика становится опорой абсолютного движения, которое устранено из мира прямолинейно и равномерно смещающихся материальных тел. Теория Эйнштейна, отказавшись от классического правила сложения скоростей, смогла подчинить принципу относительности все процессы, происходящие в равномерно и прямолинейно движущихся системах. Все эти процессы - не только механические, но и оптические - не изменяются под влиянием движения систем. Движение систем не вызывает каких-либо внутренних эффектов, сводится к изменению взаимного расположения тел в природе.
Близость этого вывода теории Эйнштейна к классическому принципу относительности облегчала ее усвоение и придавала убедительную достоверность этой теории, включая "безумный" тезис о постоянной и неизменной скорости света в движущихся различным образом и смещающихся одна относительно другой системах. Впечатление "достройки" классической картины мира переносило на новую теорию ореол достоверности. Этим ореолом были окружены и правило сложения скоростей, и классический принцип относительности. Задача состояла в том, чтобы определить, подчинятся ли, во-первых, принципу относительности и, во-вторых, классическому правилу сложения скоростей не только механические, по и оптические процессы. Оказалось, что оптические процессы подчиняются принципу относительности и не подчиняются правилу сложения скоростей. Таким образом, достройка принципа относительности потребовала перестройки классической
121
кинематики, т.е. картины перемещения тел в пространстве. Вскоре оказалось, что такая достройка требует перестройки и классической динамики, т.е. учения о силах и связанных с ними ускорениях. Связь теории относительности с классической физикой состоит не только в достройке классической физики. Когда тела движутся медленно, по сравнению со скоростью света, мы можем рассматривать скорость света как бесконечную. Тогда мы приходим к соотношениям старой, классической механики. Последняя оказывается приближенным описанием действительности. Теория относительности переходит в такую приближенную теорию, когда определенная величина отношение скорости движущегося тела к скорости света - стремится к нулю или, что то же самое, отношение скорости света к скорости тела стремится к бесконечности. Подобное соотношение между двумя теориями - одна переходит в другую, когда некоторый параметр стремится к нулю или к бесконечности, существовало в математике. Если на поверхности сферы начертить треугольник, то сумма его углов будет больше двух прямых углов, иначе говоря, здесь будут царить соотношения неевклидовой геометрии. Когда радиус сферы неограниченно растет, эти соотношения неограниченно стремятся к евклидовым, и мы можем сказать, что на поверхности сферы бесконечного радиуса неевклидова геометрия уступает место евклидовой.