Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

Глава 3 Специальная теория относительности и «год чудес»

Заинтригованный критикой Маха теории Ньютона, Эйнштейн вернулся к образу, который преследовал его с 16 лет, – к полету рядом со световым лучом. Он вспомнил забавный, но важный факт, который открыл для себя во время учебы в Политехникуме: в теории Максвелла скорость света оставалась неизменной и не зависела от того, как ее измеряли. Много лет он ломал голову над тем, как такое вообще может быть, поскольку в ньютоновом «мире здравого смысла» любой движущийся объект можно догнать.

Опять представьте себе полицейского в погоне за автомобилем-нарушителем. Полицейский знает, что если поедет достаточно быстро, то сможет его догнать. Всякий, кого хоть раз штрафовали за превышение скорости, это знает. Но, если мы заменим несущийся автомобиль световым лучом и поместим рядом наблюдателя, который будет видеть всю картину со стороны, тот увидит, что полицейский едет чуть позади светового луча и движется почти так же быстро, как свет. Мы уверены: полицейский знает, что едет практически вровень со световым лучом. Однако позже, встретившись с ним, мы слышим странный рассказ. Он утверждает, что не двигался почти рядом с лучом, как мы только что видели; световой луч, по его словам, унесся прочь и оставил его глотать пыль. Полицейский рассказывает, что, как бы он ни газовал и какую бы мощность ни выжимал из своего движка, луч удалялся от него и уносился прочь со все той же, совершенно одинаковой скоростью. Мало того, он клянется, что не мог даже чуть-чуть приблизиться к световому лучу. Как бы быстро он ни двигался, световой луч все равно уходил от него со скоростью света, как будто сам он стоял на месте, а не несся в полицейском автомобиле на громадной скорости.

Вы начинаете убеждать его в том, что видели, как он летел почти вровень со световым лучом и лишь чуть-чуть его не догнал; он говорит, что вы сошли с ума: ему не удалось даже приблизиться. Для Эйнштейна именно этот момент представлял главную, мучительную загадку: как так может быть, чтобы два человека видели одно и то же событие настолько по-разному? Если скорость света и правда представляет собой природную константу, то как может наблюдатель утверждать, что полицейский шел почти вровень с лучом света, а сам полицейский – клясться, что не сумел даже приблизиться к нему?

Эйнштейн давно понял, что картина по Ньютону (где скорости можно складывать и вычитать) и картина по Максвеллу (где скорость света постоянна) полностью противоречат одна другой. Теория Ньютона – самодостаточная система, основанная на нескольких допущениях. Если хотя бы одно из этих допущений нарушается, вся теория расползается, как может распуститься свитер от одной упущенной нити. Фантазии Эйнштейна о полете вместе с лучом света суждено было стать для ньютоновой теории именно такой упущенной нитью.

Однажды в мае 1905 г. Эйнштейн отправился к своему доброму другу Микеле Бессо, который тоже работал в патентном бюро, и изложил ему в общих чертах вопрос, мучивший его чуть ли не десять лет. Используя Бессо как любимого собеседника для проверки своих идей, Эйнштейн изложил суть дела: механика Ньютона и уравнения Максвелла – два столпа физики – несовместимы между собой. Неверно либо одно, либо другое. Какая бы теория ни оказалась верной, для окончательного разрешения вопроса потребуется полная реорганизация всей физики. Эйнштейн вновь и вновь разбирал парадокс погони за световым лучом. Позже он вспоминал: «В этом парадоксе уже присутствовал зародыш специальной теории относительности». Друзья проговорили несколько часов, подробно обсуждая каждый аспект проблемы, включая и ньютонову концепцию абсолютного пространства и времени, которая на первый взгляд противоречила неизменности скорости света по Максвеллу. В конце концов Эйнштейн, совершенно измотанный, объявил, что признает свое поражение и сдается и что больше не будет размышлять над этим вопросом. Все бесполезно; у него ничего не получилось.

Эйнштейн, конечно, был подавлен, но, когда он в тот вечер возвращался домой, мысли его по-прежнему вращались вокруг все того же вопроса. В частности, он запомнил, как ехал в автобусе по Берну и смотрел на знаменитую башню с часами, возвышающуюся над городом. Он представил себе, что произойдет, если вдруг автобус разгонится до скорости света и начнет уноситься прочь от башни. Тут он понял, что часы на башне показались бы ему остановившимися, поскольку свет от них не смог бы догнать автобус, но что его собственные часы в автобусе шли бы совершенно нормально.

Его внезапно осенило, появился ключ к решению всего парадокса. «В голове разразилась настоящая буря», – вспоминал Эйнштейн. Ответ оказался простым и элегантным: время в разных точках Вселенной может идти с разной скоростью в зависимости от того, как быстро вы движетесь. Представьте себе множество часов, разбросанных по всей Вселенной, причем каждые часы показывают свое время и идут с собственной скоростью. Секунда на Земле отличается по длительности от секунды на Луне или на Юпитере. Более того, чем быстрее вы движетесь, тем сильнее замедляется время. (Эйнштейн однажды пошутил, что, размышляя над теорией относительности, он поместил отдельные часы в разные точки Вселенной и все они шли с разной скоростью, а в реальной жизни у него не было денег даже на одни часы.) Это означало, что события, происходящие в одной системе отсчета, не обязательно происходили одновременно и в другой, как считал Ньютон. Наконец-то он сумел проникнуть «в мысли Бога». Позже он вспоминал с неизменным возбуждением: «Решение пришло ко мне внезапно с мыслью о том, что наши концепции и законы пространства и времени могут претендовать на верность в той мере, в какой они состоят в ясных отношениях с нашим опытом… Пересмотрев концепцию одновременности и преобразовав ее в более гибкую форму, я добрался таким образом до теории относительности».

Вспомните, как в парадоксе с полицией и нарушителем полицейский для внешнего наблюдателя двигался вплотную за удирающим световым лучом, тогда как преследователь утверждал, что, как бы он ни разгонялся, луч уносился от него в точности со скоростью света. Единственный способ примирить эти две картины – заставить мозг полицейского замедлить работу. Время для полицейского замедляется. Если бы мы с обочины могли видеть, что показывают часы на руке полицейского, то увидели бы, что они почти остановились и что лицо его тоже застыло во времени. Таким образом, с нашей точки зрения было бы видно, что он несется «голова к голове» с лучом света, но его часы (и его мозг) почти остановились. Позже, поговорив с полицейским, мы выяснили, что, с его точки зрения, луч света стремительно уносился прочь только потому, что его мозг и часы работали во время погони намного медленнее.

Для завершения своей теории Эйнштейн включил в нее и сокращение Лоренца – Фицджеральда, но сжимались при этом само пространство, а не атомы, как думали Лоренц и Фицджеральд. (Суммарный эффект сжатия пространства и растяжения времени в настоящее время называется «преобразованием Лоренца».) Таким образом ему удалось окончательно разделаться с эфирной теорией. Подводя итоги своего пути к теории относительности, Эйнштейн напишет: «Максвеллу я обязан больше, чем кому-либо другому». Хотя Эйнштейн, вероятно, слышал что-то об эксперименте Майкельсона – Морли, озарение по поводу теории относительности пришло не со стороны эфирного ветра, а непосредственно от уравнений Максвелла [4] .

4

Многие биографы указывают на эксперимент Майкельсона – Морли как на источник идей Эйнштейна. Однако сам Эйнштейн несколько раз ясно давал понять, что этот эксперимент оказал на его мысли лишь небольшое влияние. Он пришел к теории относительности через уравнения Максвелла. Весь посыл статьи состоял в том, чтобы показать, что в уравнениях Максвелла присутствует скрытая симметрия, которую выявляет его теория относительности, и что это следует возвести в универсальные принципы физики. – Прим. авт.

На следующий день после откровения Эйнштейн вновь отправился к Бессо домой и, даже не поздоровавшись, выпалил: «Спасибо, я полностью решил ту задачку». Позже он с гордостью вспоминал: «Моим решением был анализ концепции времени. Время не может быть определено абсолютно, и существует неразрывная связь между временем и скоростью сигнала». Следующие шесть недель он яростно прорабатывал все математические детали своего блестящего озарения и писал статью, которая, несомненно, представляет собой одну из важнейших научных работ в истории человечества. По словам сына, после этого Эйнштейн отдал работу Милеве для проверки и поиска всевозможных математических неточностей – и свалился на две недели больным. Окончательный вариант статьи «К электродинамике движущихся тел» [5] представлял собой тридцать одну страницу не слишком разборчивого текста, но этим страницам суждено было изменить мировую историю.

5

Эту и другие упоминаемые автором ранние статьи Эйнштейна можно найти в книге: Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. – М.: Наука, 1965. – Прим. ред.

В статье Эйнштейн не ссылается ни на какого из физиков; он только благодарит Микеле Бессо. (Эйнштейн был знаком с ранней работой Лоренца по этому предмету, но ничего не знал непосредственно о сокращении Лоренца, к которому пришел независимо от него.) В конце концов статья была опубликована в 17-м томе «Анналов физики» в сентябре 1905 г. Более того, в том знаменитом томе (то есть в комплекте выпусков журнала за год) были опубликованы одна за другой три выдающихся статьи Эйнштейна. Его коллега Макс Борн писал, что том 17 представляет собой «один из самых замечательных томов среди всей научной литературы. Он содержит три статьи Эйнштейна, каждая из которых посвящена отдельному вопросу и признана сегодня шедевром». (Несколько экземпляров этого знаменитого тома в 1994 г. были проданы с аукциона за $15 000.)