"Теория относительности для миллионов" - читать интересную книгу автора (Гарднер Мартин)

1. Абсолютно или относительно?

Два моряка, Джо и Мо, после кораблекрушения оказались на необитаемом острове. Прошло несколько лет. Однажды Джо нашел бутылку, которую выбросили на берег волны. Это была одна из новых огромных бутылок из-под «Кока-кола». Джо побледнел.

«Эй, Мо!» — крикнул он. «Мы с тобой уменьшились!»

Из этой шутки можно извлечь серьезный урок: судить о размерах любого объекта нельзя иначе, как сравнивая их с размерами чего-либо иного. Лилипуты считали Гулливера великаном. Жителям Бробдингнега Гулливер казался крошечным. Велик биллиардный шар или мал? Разумеется, он чрезвычайно велик по сравнению с атомом, но крайне мал по сравнению с Землей.

Жюль Анри Пуанкаре, известный французский математик девятнадцатого века, предвосхитивший многие положения теории относительности, подошел к этому вопросу следующим образом (ученые называют его способ подхода «мысленным экспериментом»: это эксперимент, который может быть воображен, но не может быть выполнен в действительности).

Представьте себе, говорит он, что ночью, когда вы крепко спите, все во Вселенной стало в тысячу раз больше, чем прежде. Говоря все, Пуанкаре имеет в виду действительно все: электроны, атомы, длины волн света, самих вас, вашу кровать, ваш дом. Землю, Солнце, звезды. Сможете ли вы сказать, когда проснетесь, что произошли какие-то изменения?

Можно ли провести такой эксперимент, который доказал бы, что вы изменились в размерах?

Нет, говорит Пуанкаре, такого эксперимента провести нельзя. Действительно, Вселенная оказалась бы такой же, как и прежде. Было бы бессмысленно даже говорить, что она стала больше. «Больше» — это значит больше относительно чего-то другого.

В этом случае чего-то другого нет. Столь же бессмысленно было бы говорить, что вся Вселенная уменьшилась в своих размерах.

Размер, таким образом, относителен. Не существует абсолютного способа определения размеров какого-либо объекта и нельзя сказать, что он имеет такие-то и такие-то абсолютные размеры. Определить размер можно, используя другие мерки, такие, как линейка или метровый стержень. Но какова длина метрового стержня? До 1 января 1962 г. метр определялся как длина определенного платинового бруска, который хранился при постоянной температуре в подвалах Севра, во Франции. С 1 января 1962 г. новым стандартом метра служит длина 1 650 763, 73 длин волн оранжевых лучей определенного типа, испускаемых в вакууме атомом криптона-86. Конечно, если все во Вселенной, включая и длину волны этого излучения, увеличится или уменьшится в одной и той же пропорции, то никаким экспериментальным способом не удастся заметить это изменение.

То же самое справедливо и в отношении интервалов времени. «Много» или «мало» времени требуется для одного оборота Земли вокруг Солнца? Маленькому ребенку время от одного Нового года до другого кажется вечностью. Геологу, привыкшему мыслить периодами в миллионы лет, один год кажется всего лишь одним мгновением. Интервал времени, подобно расстоянию в пространстве, невозможно измерить иначе, как сравнивая его с каким-либо другим отрезком времени. Год определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца; день — временем, необходимым для одного оборота Земли вокруг своей оси; час — временем, за которое совершает один оборот большая стрелка часов. Всегда один интервал времени измеряется сравнением его с другим.

У Г. Уэллса есть известный научно-фантастический рассказ под названием «Новый ускоритель».

Из него можно извлечь лишь такой же урок, что и из шутки о двух моряках, но только урок этот касается не пространства, а времени. Один ученый открывает способ ускорения всех процессов в своем организме. Его сердце бьется чаще, его мозг работает быстрее и так далее. Вы догадываетесь, что произойдет. Все в мире кажется ему замедлившимся почти до полной остановки. Ученый выходит погулять и двигается медленно, чтобы из-за трения о воздух не воспламенились его брюки. Улица полна людей-статуй. Мужчина застыл в тот момент, когда он подмигивал двум проходящим девушкам. В парке играет оркестр, издавая низкое, хрипящее дребезжание.

Пчела жужжит в воздухе, двигаясь со скоростью улитки.

Давайте проведем еще один мысленный эксперимент. Предположим, что в определенный момент все в космосе начинает двигаться медленнее или быстрее или полностью останавливается на несколько миллионов лет, приходя затем снова в движение. Удастся ли заметить это изменение? Такого эксперимента, с помощью которого удалось бы заметить это, не существует. Время, подобно расстоянию в пространстве, относительно.

Многие другие понятия, известные из повседневной жизни, относительны. Рассмотрим понятия «вверх» и «вниз». В прошлые века людям было нелегко понять, почему человек на противоположной стороне Земли висит вниз головой и вся кровь не приливает ему к голове. Дети и теперь сталкиваются с такой трудностью, узнав впервые, что Земля круглая.

Если бы Земля была сделана из прозрачного стекла и вы смогли бы взглянуть в телескоп прямо сквозь нее, вы действительно увидели бы людей, стоящих вниз головой, ногами на стекле. То есть, они казались бы стоящими вниз головой по отношению к вам.

Разумеется, вы казались бы стоящими вниз головой по отношению к ним. На Земле направление «вверх» — это направление от центра Земли. Направление «вниз» — к центру Земли. В межзвездном пространстве нет абсолютного верха и низа, поскольку там нет планеты, которая могла бы служить «системой отсчета».

Представим себе космический корабль в форме огромного бублика, движущийся в солнечной системе. Он вращается, так что центробежная сила создает искусственное гравитационное поле. Находясь внутри корабля, космонавты могут ходить по наружной стенке этого бублика как по полу. Для них «вниз» — это от центра корабля, «вверх» — к центру, т. е. прямо противоположно тому, что имеет место на вращающейся планете.

Таким образом, вы видите, что во Вселенной нет абсолютного «верха» и «низа». Вверх и вниз — это направления по отношению к направлению действия гравитационного поля. Было бы бессмысленно говорить, что, пока вы спали, вся Вселенная перевернулась вверх ногами, поскольку нет ничего, что могло бы служить системой отсчета при решении вопроса о том, какое положение заняла Вселенная.

Другой тип изменения, которое также относительно, — это изменение объекта при его зеркальном отражении. Если заглавную букву R напечатать наоборот, как Я, то вы сразу же увидите, что это зеркальное отражение буквы R. Но если вся Вселенная (включая вас) внезапно станет зеркально отраженной, то у вас не будет способа обнаружить подобное изменение. Конечно, если бы только один человек превратился в свое зеркальное отражение (об этом Г. Уэллс также написал рассказ под названием «Рассказ Плэттнера»), а Вселенная осталась бы прежней, то ему показалось бы, что все стало наоборот. Чтобы прочесть книгу, он должен был бы подносить ее к зеркалу, подобно Алисе в Зазеркалье,[1] ухитрявшейся читать напечатанную зеркально отраженными буквами поэму «Jabberwocky», держа ее перед зеркалом. Но если бы все стало наоборот, то никаким экспериментом не удалось бы обнаружить это изменение. Было бы так же бессмысленно говорить, что имело место подобное обращение, как сказать, что Вселенная перевернулась или удвоилась в размерах.

Абсолютно ли движение? Существует ли какой-либо класс экспериментов, который с определенностью показал бы, движется объект или покоится?

Является движение еще одной относительной категорией, судить о которой можно, только сопоставляя местоположение одного предмета с местоположением другого? Или же движению присуще нечто своеобразное, что делает его отличным от относительных категорий, рассмотренных выше?

Остановитесь и внимательно подумайте над этим некоторое время, прежде чем переходить к следующей главе. Отвечая именно на такие вопросы, Эйнштейн развил свою знаменитую теорию относительности. Его теория так революционна, так противоречит «здравому смыслу», что даже сегодня имеются тысячи ученых (в том числе и физиков), для которых понимание ее основных положений сопряжено с такими же трудностями, с какими сталкивается ребенок, пытаясь понять, почему люди в южном полушарии не падают с Земли.

Если вы молоды, то имеете большие преимущества перед этими учеными. В вашем мозгу еще не выработались те глубокие колеи, по которым мысль так часто бывает вынуждена двигаться. Но, каким бы ни был ваш возраст, если вы готовы поупражнять свои умственные силы, то нет причин, которые помешали бы вам научиться чувствовать себя как дома в этом новом странном мире относительности.