Ты поставил землю на твердых основах: не поколеблется она во веки и веки.
Псалтырь 103:5
Когда Галилео Галилея в 1633 г. судили по обвинению в ереси, упрекая его словами: «Считаешь за истину и распространяешь в народе лжеучение, по которому Солнце находится в центре мира»[5], он будто бы пробормотал вполголоса в присутствии церковников‑инквизиторов: «И все‑таки она вертится!» В этих словах вновь проявила себя его бунтарская натура, хотя публично ему пришлось поклясться в приверженности архаичной теории о том, что Земля неподвижна и находится в центре мира.
Если Ватикан со временем капитулировал и признал движение Земли, то бедолага Бог, тот, что фигурирует в Псалтыри, об этом так и не узнал. Это несколько сбивает с толку, поскольку Галилей еще за год до суда показал, что состояние абсолютного покоя невозможно обнаружить экспериментально. Любой эксперимент, который вы проводите в покое, к примеру подкидываете в воздух мяч и вновь его ловите, даст точно такой же результат, если вы проведете его в движении с постоянной скоростью: так может случиться, если вы летите в самолете при отсутствии турбулентности. Ни один эксперимент, проводимый в самолете, если окна в салоне будут закрыты, не подскажет вам, движется самолет или стоит неподвижно.
Хотя Галилей еще в 1632 г. начал запускать пробные шары – и буквально, и метафорически, – потребовалось еще 273 года, чтобы разобраться в этом вопросе и оставить его в покое (вопросы, в отличие от предметов, можно оставлять в покое). И сделать это сумел только Альберт Эйнштейн.
|
|
|
Эйнштейн не был революционером в том смысле, в каком им был Галилей, – если понимать под этим термином человека, который рушит диктат авторитетов, живших до него, как Галилей рушил авторитет Аристотеля. Эйнштейн делал нечто противоположное. Он понимал, что законы, установленные экспериментально, нельзя просто так отбросить, и его гениальность как раз в том, что он не стал этого делать.
Это так важно, что я хочу все повторить и тем самым помочь людям, которые пишут мне почти каждую неделю, чтобы рассказать о новой открытой ими теории, наглядно демонстрирующей, будто все, что мы сегодня, как нам кажется, знаем о Вселенной, неверно, – и используют при этом Эйнштейна как иллюстрацию такой возможности. Мало того что ваша теория ошибочна, так вы еще и оказываете Эйнштейну медвежью услугу: правила, установленные на основе эксперимента, невозможно так легко отбросить .
* * *
Альберт Эйнштейн родился в 1879 г., и в том же году умер Джеймс Кларк Максвелл. Так и тянет сказать, что совместное сияние этих двух гениев было бы слишком ярким для одной небольшой планеты. Но, конечно же, это было просто совпадение, хотя и удачное. Если бы не предшествующая деятельность Максвелла, Эйнштейн не смог бы стать Эйнштейном. Он вышел из первого поколения молодых физиков, выросших на новых знаниях о свете и электромагнетизме – знаниях, добытых Фарадеем и Максвеллом. В конце XIX века это был подлинный передний край физики для радикальных реформаторов вроде Эйнштейна. Свет был у всех на уме.
|
|
|
Еще в подростковом возрасте Эйнштейн сумел понять, что блестящие выводы Максвелла относительно существования электромагнитных волн представляют собой фундаментальную проблему: они противоречат не менее красивым и давно общепризнанным результатам Галилея относительно основных свойств движения, полученным тремя столетиями ранее.
Еще до эпической битвы с католической церковью по поводу движения Земли Галилей утверждал, что не существует эксперимента, который можно было бы провести, чтобы отличить состояние покоя от равномерного движения. Вплоть до Галилея состояние абсолютного покоя считалось особым. Аристотель считал, что все объекты стремятся к состоянию покоя, а Церковь признавала покой настолько особым состоянием, что именно в нем должен находиться центр Вселенной, то есть та планета, на которую Бог поместил нас.
|
|
|
Как и многие другие утверждения Аристотеля (хотя, конечно, далеко не все), представление о том, что состояние покоя – особое, основывалось исключительно на интуиции. (Тем, кто любит цитировать Аристотеля, упоминая о «перводвигателе» в качестве аргумента в пользу существования Бога, хочу напомнить, что Аристотель утверждал также, что у женщин и у мужчин разное количество зубов; вероятно, он не потрудился проверить этот факт.)
В повседневной жизни все предметы стремятся к покою. Точнее, все, кроме Луны и планет; вероятно, это одна из причин, по которой эти тела в древности считались особыми, находящимися под управлением ангелов или богов.
Однако любое наше ощущение покоя иллюзорно. В приводившемся примере с подбрасыванием мячика в летящем самолете вы в конце концов сможете почувствовать, что ваш самолет движется, когда попадете в зону турбулентности. Но даже когда самолет стоит на поле аэродрома, он не находится в покое. Аэропорт вместе с Землей движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, движется со скоростью около 200 км/с вокруг центра Галактики, и т. д.
Галилей закрепил это в своем знаменитом утверждении, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, находящихся в состоянии равномерного движения, то есть движущихся по прямой с постоянной скоростью. (Покоящиеся наблюдатели просто особый случай, когда скорость равна нулю.) Утверждая это, он имел в виду, что не существует эксперимента, который можно было бы провести над таким объектом, чтобы определить, что он не покоится. Когда вы поднимаете глаза к небу и видите там летящий самолет, несложно понять, что он движется относительно вас. Но не существует эксперимента, который можно было бы провести на земной поверхности или на самолете, чтобы с его помощью понять: земля, на которой вы стоите, движется относительно самолета или наоборот.
|
|
|
Хотя кажется странным, что для понимания этого фундаментального факта о нашем мире потребовалось так много времени, следует признать, что он противоречит большей части нашего опыта. Большей части, но не всему опыту целиком. На примере шаров, скатывающихся по наклонной плоскости, Галилей наглядно продемонстрировал, что сдерживающая сила трения, заставляющая все предметы в конце концов приходить в состояние покоя, которую философы прошлого считали фундаментальной для нашего мира, на самом деле вовсе не фундаментальна, а лишь маскирует собой подлинную реальность. Галилей заметил, что когда шар скатывается по одной поверхности, а затем поднимается по другой вверх, то он в конце достигает той же высоты, с которой начинал движение. Рассмотрев шары, закатывающиеся вверх по плоскостям разного наклона, он показал, что чем меньше наклон, тем дальше приходится катиться шару, чтобы достичь первоначальной высоты. Отсюда он заключил, что, если наклон уменьшить до нуля, шары будут вечно катиться с постоянной скоростью.
Осознание этого факта имело огромное значение; оно принципиально изменило многое в наших представлениях о мире. Нередко его называют просто законом инерции, на нем основан закон движения Ньютона, который связывает наблюдаемое ускорение объекта с величиной внешней силы. После того как Галилей понял, что для поддержания движения тела с постоянной скоростью не требуется никакой силы, Ньютон смог сделать естественный следующий шаг и сказать, что для изменения скорости тела необходима сила.
После этого между небесами и Землей не стало принципиальных различий. Скрытая реальность, лежащая в основе движения привычных повседневных предметов, сделала очевидным, что в нескончаемом движении астрономических объектов нет ничего сверхъестественного, и подготовила сцену для Ньютонова закона всемирного тяготения, еще более снизив роль в космосе ангелов или других сущностей.
Таким образом, открытие Галилея сыграло принципиальную роль в становлении физики, в превращении ее в ту науку, которую мы знаем сегодня. Но не менее принципиальным было и блестящее объединение Максвеллом электрической и магнитной сил, создавшее математическую базу, на которой строится вся современная теоретическая физика.
* * *
Альберт Эйнштейн, начиная свой научный путь в этой богатой интеллектуальной обстановке, быстро распознал в окружающем ландшафте глубокую непроходимую пропасть: Галилей и Максвелл никак не могли быть правы одновременно.
Двадцать с лишним лет назад, когда моя дочка была совсем маленькой, я впервые задумался над разрешением парадокса, с которым пытался справиться молодой Эйнштейн, и хороший пример буквально свалился мне на голову, когда я вез малышку в машине.
Галилей показал, что, пока я веду машину безопасно и с постоянной скоростью, не допуская резких ускорений, законы физики в нашей машине должны быть неотличимы от тех же законов физики, измеренных в лабораториях физического института, куда я ехал на работу. Скажем, если у дочки на заднем сиденье была игрушка, то она могла подбросить ее в воздух и поймать без всяких неожиданностей. Интуитивные навыки, наработанные ее телом в играх дома, ничуть не хуже служили ей и в машине.
Однако поездка в машине не усыпляла девочку, как это происходит со многими маленькими детьми, а, напротив, возбуждала и тревожила ее. Во время той поездки ее затошнило и в конце концов вырвало, причем рвотные массы полетели по траектории, прекрасно описанной Ньютоном, с начальной скоростью, скажем, в пятнадцать миль в час; эта чудесная параболическая траектория закономерно завершилась на моем затылке.
Представим, что моя машина в тот момент подъезжала к светофору с относительно небольшой скоростью, скажем, в десять миль в час. Тогда наблюдатель на тротуаре, видевший все это, заметил, что рвотные массы ребенка летят со скоростью 25 миль в час: скорость машины относительно наблюдателя (10 миль в час) плюс скорость масс (15 миль в час), а их траектория при движении к моему (на этот раз движущемуся) затылку опять же хорошо описывалась бы Ньютоном уже при этой более высокой (25 миль в час) начальной скорости.
Пока все в порядке. Однако здесь есть проблема. Теперь, когда моя дочь стала старше, она обожает водить машину. Представим себе, что она едет следом за машиной приятеля, одновременно разговаривая с ним по сотовому телефону (при помощи гарнитуры, для безопасности), и хочет сказать ему, что нужно повернуть направо, чтобы попасть туда, куда они вместе едут. Она говорит по телефону, и электроны в нем скачут туда‑сюда, порождая электромагнитную волну (в микроволновом радиодиапазоне). Волна проходит до сотового телефона ее приятеля со скоростью света (на самом деле она, быть может, успевает подняться до спутника, а затем ее излучают оттуда вниз, но забудем пока про эти сложности), и тот, вовремя получив информацию, успевает сделать нужный поворот.
Итак, что в этой ситуации измерит стоящий у дороги наблюдатель? Здравый смысл подсказывает, что радиосигнал должен двигаться от машины моей дочери до машины ее приятеля со скоростью света, которую можно было бы измерить прибором в машине моей дочери (обозначим эту скорость c ), плюс скорость машины.
Но здравый смысл обманчив именно потому, что основывается на повседневном опыте. В обычной жизни мы не измеряем время, за которое свет, или микроволновое излучение, перемещается из одного угла комнаты в другой или из одного телефона в другой неподалеку. Если бы здравый смысл был здесь применим, то наблюдатель на обочине измерил бы (при помощи сложного оборудования), как прыгают туда‑сюда электроны в телефоне моей дочери, и увидел бы, как излучается микроволновый сигнал; этот сигнал двигался бы со скоростью c плюс, скажем, 10 миль в час.
Однако великий триумф Максвелла заключался в том, что ему удалось показать: скорость электромагнитных волн, излученных колеблющимся зарядом, можно вычислить, просто измерив величину электрической и магнитной сил. Следовательно, если для наблюдателя на обочине дороги волны двигались бы со скоростью c плюс 10 миль в час, то значения электрической и магнитной сил для него отличались бы от значений, наблюдаемых моей дочерью, для которой волны двигались бы со скоростью c .
Но Галилей говорит нам, что это невозможно. Если бы измененные значения электрических и магнитных сил различались для двух наблюдателей, то можно было бы сказать, кто из них движется, а кто нет, поскольку законы физики – в данном случае электромагнетизма – содержали бы разные значения для каждого из наблюдателей.
Таким образом, прав мог быть либо Галилей, либо Максвелл, но не оба одновременно. Возможно потому, что Галилей работал во времена более примитивной науки, большинство физиков склонялось на сторону Максвелла. Они решили, что во Вселенной, должно быть, имеется некая абсолютная покоящаяся система отсчета и что расчеты Максвелла приложимы только к этой системе. А по отношению ко всем наблюдателям, движущимся по отношению к этой системе, электромагнитные волны должны иметь иную скорость, нежели вычисленная Максвеллом.
Давняя научная традиция обеспечила этой идее физическую поддержку. В конце концов, если свет представляет собой электромагнитное возмущение, то возмущением чего оно является? Тысячи лет философы рассуждали об «эфире» – некоем невидимом фоновом веществе, заполняющем все пространство, и естественно было заподозрить, что электромагнитные волны путешествуют именно в этой среде, как звуковые волны распространяются в воздухе или в воде. Электромагнитные волны должны были бы двигаться в такой среде с некоторой характерной фиксированной скоростью (рассчитанной Максвеллом), а для наблюдателя, движущегося по отношению к этому фоновому заполнителю, в зависимости от его скорости волны распространялись бы быстрее или медленнее.
Несмотря на интуитивную разумность, такое представление было бегством от действительности, поскольку если вспомнить аналитические выкладки Максвелла, то получится, что наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, измерят различные значения электрической и магнитной сил. Быть может, такой вариант все же представлялся приемлемым, поскольку все скорости, которые реально можно было получить в то время, были так малы в сравнении со скоростью света, что обсуждаемые различия оказались бы очень малы и обнаружить их наверняка не удалось бы.
Однажды актер Алан Алда в публичном выступлении, где присутствовал и я, заявил, что, вопреки расхожему мнению, искусство требует упорной работы, а наука невозможна без творческого начала. Понятно, что для того и другого нужны оба названных качества, но мне в его версии понравилось то, что в ней подчеркивается творческая, художественная сторона науки. Я бы добавил к этому, что оба занятия требуют интеллектуальной смелости. Творческое начало само по себе ни к чему не приводит, если его не использовать. Новые идеи, как правило, застаиваются и умирают, если у автора не находится храбрости применить их.
Я упоминаю об этом здесь потому, что, возможно, истинной мерой гения Эйнштейна была не его математическая подкованность (хотя, вопреки расхожему мнению, он был талантливым математиком), а скорее творческий потенциал и интеллектуальная уверенность, питавшие его упорство.
Вызов, стоявший перед Эйнштейном, заключался в том, чтобы примирить и совместить две противоречащие друг другу идеи. Отбросить одну из них – слишком простой путь. А вот чтобы найти способ устранить противоречие, необходим творческий подход.
Решение Эйнштейна не было сложным, но это не означает, что найти его было просто. Все это напоминает мне исторический анекдот про Христофора Колумба, который перед экспедицией в Новый Свет, чтобы получать бесплатную выпивку, держал пари на то, что сумеет поставить яйцо на острый конец на стойке бара. После того как владелец бара принимал пари, Колумб разбивал яйцо с острого кончика и легко ставил его на стойку. В конце концов, он же не оговаривал, что яйцо при этом должно остаться целым.
Предложенное Эйнштейном разрешение парадокса Галилея – Максвелла было весьма похожим на фокус Колумба. Ведь если оба они – и Максвелл, и Галилей – правы, то где‑то что‑то нужно сломать, чтобы картинка сложилась.
Вопрос в том, что именно. Чтобы и Максвелл, и Галилей были правы, необходимо было нечто откровенно безумное: в приведенном мной примере оба наблюдателя должны получить при измерении одинаковую по отношению к ним (а не различающуюся на скорость машины) скорость микроволнового излучения от сотового телефона моей дочери.
Однако Эйнштейн задал себе интересный вопрос. В конце концов, что значит измерить скорость света? Скорость определяется путем измерения расстояния, которое объект проходит за определенное время. Так что Эйнштейн рассуждал следующим образом: два наблюдателя могут получить одинаковую величину скорости радиоволн относительно себя, если при измерениях они получат одинаковое расстояние, пройденное относительно каждого из них радиоволнами за фиксированный промежуток времени (скажем, к примеру, за одну секунду в его собственной системе отсчета).
Но согласитесь, это тоже звучит слегка безумно. Рассмотрим более простой пример летящих рвотных масс. Припомните, что в моей системе отсчета они пролетают от дочкиного рта на заднем сиденье автомобиля до моего затылка, скажем три фута, примерно за четверть секунды. Но для наблюдателя на тротуаре машина все это время едет со скоростью 10 миль в час, то есть примерно 14,5 футов в секунду. Таким образом, для наблюдателя на тротуаре рвотные массы за четверть секунды пролетают примерно 3,6 фута плюс 3 фута, или всего 6,6 фута.
Следовательно, для этих двух наблюдателей расстояние, которое пролетают рвотные массы за одно и то же время, заметно различается. Как же может быть, чтобы для микроволнового излучения расстояния, измеренные обоими наблюдателями, оказались одинаковыми?
Первым намеком на то, что такое безумие хотя бы в принципе возможно, стало то, что электромагнитные волны путешествуют так быстро, что за время, за которое они доходят от одной машины до другой, обе машины практически не успевают переместиться. Так что любая возможная разница в измеренных двумя наблюдателями расстояниях, пройденных за это время, будет, по существу, неуловимой.
Но Эйнштейн повернул этот аргумент другой стороной. Он понял, что на самом деле ни один из наблюдателей не может измерить расстояние, пройденное радиоволнами в человеческом масштабе расстояний, потому что соответствующие отрезки времени, необходимые, чтобы свет прошел расстояния человеческого масштаба, столь малы, что никто не в состоянии непосредственно их определить. И аналогично в человеческом масштабе времени свет должен проходить такие большие расстояния, что их тоже никто не сможет измерить непосредственно. А раз так, то где гарантия, что такое безумное поведение в реальности невозможно?
Далее вопрос ставится так: а что нужно, чтобы это на самом деле произошло? Эйнштейн рассуждал: для того чтобы такой невозможный на первый взгляд результат стал возможен, два наблюдателя должны измерять расстояния и/или промежутки времени по‑разному, причем таким образом, чтобы – по меньшей мере – свет проходил бы одно и то же измеренное расстояние за одно и то же измеренное время для обоих наблюдателей. Так, к примеру, происходило бы, если бы наблюдатель на обочине в случае с дочкиной рвотой измерил, что массы проходят 6,6 фута, но при этом почему‑то решил, что интервал времени, за который это происходит, на самом деле больше того, что я измерил внутри машины; тогда рассчитанная по его данным скорость полета рвотных масс относительно него оказалась бы такой же, как и у меня относительно себя.
Эйнштейн выдвинул дерзкое предположение, что подобное на самом деле происходит, что Максвелл и Галилей правы одновременно и что все наблюдатели, независимо от их относительного движения, получили бы при измерении одну и ту же скорость c для движения светового луча относительно себя.
Конечно, Эйнштейн был ученым, а не пророком, поэтому он не стал утверждать нечто настолько диковинное на основании одного только своего авторитета. Он разобрался в следствиях из своего заявления и сделал предсказания, которые можно было проверить, чтобы подтвердить его.
Этим он сместил сцену, на которой разворачивается наша история, из царства света в царство глубоко личного человеческого опыта. Он навсегда изменил смысл не только понятий пространства и времени, но и самих событий, управляющих нашими жизнями.
Глава 5
Скачок во времени
Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 176; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!