Истина и красота. Всемирная история симметрии.

Эйнштейн рассмотрел проблему с математической точки зрения. В своих статьях он не упоминает опыт Майкельсона-Морли, но позднее он говорил, что знал о нем и что этот опыт повлиял на ход его мыслей. Вместо ссылки на эксперимент он вывел некоторые симметрии уравнений Максвелла, которые обладали неожиданным свойством — они перемешивали пространство и время [60] . (У Эйнштейна роль симметрии не обсуждается явно, но находится совсем неглубоко под поверхностью.) Одно из следствий из этих необычных симметрий состоит в том, что равномерное движение относительно эфира (если предполагать, что такая среда существует) ненаблюдаемо.

60

Симметрии уравнений Максвелла были известны до Эйнштейна. Также до Эйнштейна делались разнообразные попытки примирить эти симметрии с симметриями ньютоновской механики. Ключевой шаг, сделанный Эйнштейном, состоял в провозглашении того физическогопринципа, что это примирение не требуется, поскольку ньютоновская механика перестает быть верной при больших скоростях движения. (Примеч. перев.)

Теория Эйнштейна получила название «теория относительности», потому что в ней делались неожиданные предсказания об относительном движении и электромагнетизме.

«Теория относительности» — очень неудачное название. Оно вводит в заблуждение, потому что наиболее важное свойство теории Эйнштейна состоит в том, что некоторые вещи не являются относительными. Скажем, скорость света абсолютна. Если вы направляете луч света на наблюдательницу, стоящую в поле, и на наблюдателя в движущемся поезде, то оба измерят одну и ту жескорость света.

Это целиком и полностью противоречит интуиции и на первый взгляд представляется абсурдным. Скорость света составляет примерно 186 000 миль в секунду [61] . Ясно, что эту скорость должна измерить наблюдательница в поле. А что насчет человека в поезде? Пусть поезд едет со скоростью 50 миль в час. Сначала представим себе, что по параллельному пути едет другой поезд, также со скоростью 50 миль в час. Вы выглядываете в окно и смотрите на него. Какой вывод вы сделаете о его скорости движения? Если он едет в одном направлении с вами, то ответ — 0 миль в час. Второй поезд будет ехать вровень с вашим, он будет находиться рядом, и его движение относительно вашего поезда не будет заметно. Если же он едет во встречном направлении, то он пронесется мимо со скоростью 100 миль в час, потому что скорость вашего поезда в 50 миль в час, по существу, складывается со скоростью встречного поезда.

61

Чуть меньше, чем 300 000 километров в секунду. (Примеч. перев.)

Если вы выполните измерения с поездами, именно это вы и получите.

Теперь вместо второго поезда возьмем луч света. Скорость света, выраженная в подходящих единицах, составляет 670 616 629 миль в час. Если бы ваш поезд удалялся от источника света, то, согласно вашим ожиданиям, должна быть измерена скорость 670 616 629 - 50 = 670 616 579 миль в час, потому что свету придется «догонять» поезд. Наоборот, если ваш поезд движется по направлению к источнику света, то, согласно вашим ожиданиям, скорость света относительно поезда должна быть равна 670 616 629 + 50 = 670 616 679 миль в час, потому что движение поезда вносит свой вклад в наблюдаемую скорость света.

Согласно Эйнштейну, оба числа неправильны. В обоих случаях вы получите из наблюдений, что свет распространяется со скоростью 670 616 629 миль в час — точно с той же скоростью, которую зафиксирует наблюдательница в поле.

Звучит дико. Если ньютоновы правила для относительного движения применимы к поездам, то почему они не работают для света? Ответ Эйнштейна состоит в том, что для очень быстро движущихся объектов законы физики отличаются от ньютоновских.

Или, еще точнее, законы физики отличаются от ньютоновских. Точка. Но различие делается заметным, только когда объекты движутся со скоростями, очень близкими к скорости света. На малых скоростях, таких как 50 миль в час, законы Ньютона дают такое хорошее приближениек более общим законам, предложенным Эйнштейном, что никаких отличий не заметно. Но при увеличении скоростей различия становятся достаточно большими, чтобы стать наблюдаемыми.

Основной физический момент здесь состоит в том, что симметрии уравнений Максвелла сохраняют не только эти уравнения; они сохраняют и скорость света. Действительно, скорость света встроена в эти уравнения. Так что скорость света должна быть абсолютной.

Лишь по иронии судьбы эта идея выражается словами «теория относительности». Эйнштейн в действительности хотел назвать ее Invariantentheorie —теория инвариантов. Но название «теория относительности» укоренилось, и, во всяком случае, уже существовала область математики, называемая теорией инвариантов, так что первоначально задуманное Эйнштейном название могло бы создать путаницу. Хотя и вдвое меньшую, чем та, которую порождает использование слов «теория относительности» для описания инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета.

Следствия из «теории относительности» довольно причудливы. Скорость света является предельной скоростью. Нельзя путешествовать быстрее света, нельзя послать сообщение быстрее света. Никаких гипердвижков из «Звездных войн».При приближении к скорости света длины сокращаются, время замедляется до черепашьего шага, а масса увеличивается без предела. Но — что и замечательно — вы этого не замечаете, потому ваши измерительные инструменты тожесокращаются в длине, испытывают замедление (в том смысле, что время течет медленнее) или делаются тяжелее. Поэтому-то, согласно измерениям наблюдательницы в поле и наблюдателя в поезде, скорость света одна и та же, несмотря на относительное движение: изменения в длине и времени точно компенсируют ожидаемые эффекты относительного движения. Вот почему Майкельсон и Морли не смогли зафиксировать движение Земли относительно эфира.

Когда вы движетесь, все выглядит для вас точно так же, как когда вы не двигались. Законы физики не могут сказать вам, движетесь вы или находитесь в состоянии покоя. Они могут сказать вам, ускоряетесь вы или нет, но не могут сообщить, сколь быстро вы движетесь, если только ваша скорость постоянна.

Это все еще может показаться странным, однако эксперименты подтверждают теорию в самых тонких деталях. Другое следствие — это знаменитая формула Эйнштейна E = mc ², связывающая массу с энергией; эта формула непрямым способом привела к атомной бомбе, хотя роль первой в создании последней часто преувеличивают.

Свет настолько нам привычен, что мы редко задумываемся о том, насколько загадочным он является. Он, как кажется, ничего не весит, он проникает всюду и позволяет нам видеть. Что же такое свет? Это электромагнитные волны. Волны в чем? В пространственно-временном континууме, что представляет собой хитрый способ сказать: «Мы не знаем». В начале двадцатого столетия считалось, что среда для этих волн — светоносный эфир. После Эйнштейна стала понятна одна вещь по поводу эфира: его нет. Эти волны — не волны вчем-то.

Квантовая механика, как мы увидим, пошла еще дальше. Не только световые волны не являются волнами вчем бы то ни было, но и вообще всевещи — волны. Вместо среды, переносящей волны, — ткани пространства-времени, по которой бегут складки при прохождении волны, — сама ткань состоит из волн.

Эйнштейн был не единственным, кто заметил, что симметрии пространства-времени, возникающие из уравнений Максвелла, не совпадают с очевидными ньютоновскими симметриями. В рамках ньютоновских представлений пространство и время отделены друг от друга и различны. Симметрии законов физики даются комбинациями движений пространства без деформаций и независимых сдвигов по времени. Но, как я упомянул, эти преобразования не оставляют уравнения Максвелла инвариантными.

Размышляя об этом, математики Анри Пуанкаре и Герман Минковский пришли к новому взгляду на симметрии пространства и времени на чисто математическом уровне. Если бы они дали описание этих симметрий в физических терминах, то опередили бы эйнштейновскую теорию относительности, но они воздержались от высказываний о физической природе. Они поняли, что симметрии законов электромагнетизма не действуют на пространство и время независимо, а перемешивают их. Математическая схема, описывающая эти переплетающие замены, известна как группа Лоренца, названная по имени физика Хендрика Лоренца.