Удивительная относительность

Эйнштейн показал, что, хотя одна молекула за одно столкновение действительно не может сдвинуть частицу с места, миллионы случайных столкновений в секунду могут объяснить блуждание частиц, которое и наблюдал Броун.

Между тем, Эйнштейн при построении своей теории даже не был уверен, что законы движения, которые он получил в действительности, управляют колебаниями частиц, увиденных Броуном. На первый взгляд, отрицание Эйнштейном того, что его теория описывала броуновское движение, выглядит странным. Однако именно так во всей широте был продемонстрирован метод построения теории, выводимой из основных принципов и постулатов, а не сконструированной на основе анализа экспериментальных данных.

Эйнштейн показал, что удар одной молекулы воды не заставит взвешенную частичку пыльцы продвинуться на заметное расстояние. Однако в любой заданный момент времени частицу толкают со всех сторон тысячи молекул. В какой-то момент времени частица получит гораздо больше толчков с одной стороны, а в следующий момент залповые удары обрушатся на ее «тыл». В результате частицы будут двигаться, бросаясь из стороны в сторону, как говорят, случайно блуждая.

Эйнштейн понял, что невозможно, да и не нужно измерять каждый зигзаг броуновского движения, равно как и скорость частиц в каждый момент времени. Но расстояния, которые проходят случайно блуждающие частицы, оценить очень просто, поскольку они растут со временем.

В качестве примера он вычислил, что при температуре 17 °C для взвешенных в воде частиц диаметром в одну тысячную миллиметра среднее смещение за одну минуту будет равно примерно 6 микронам.

Теоретические выводы Эйнштейна спустя некоторое время подтвердил немецкий экспериментатор Генри Зидентопф, используя микроскоп с очень сильным увеличением. Так была окончательно доказана физическая реальность атомов и молекул, которую в то время признавали далеко не все светила науки.

Третья статья излагала специальную теорию относительности, соединявшую в одно целое материю, пространство и время. Это была довольно необычная научная робота, без ссылок, не говоря уже о цитатах, на другие признанные авторитеты. Между тем в данной области уже имелись значимые теоретические разработки. Их получили француз Анри Пуанкаре, голландец Хендрик Лоренц и ирландец Джордж Фицджеральд. Существовали также экспериментальные результаты американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли. Однако в созревающей новой релятивистской парадигме не хватало главного: обобщения и сведения в единое целое того, что и станет названо теорией относительности.

В эйнштейновских статьях было сравнительно мало математических расчетов и много логического анализа. Приводимые в них доводы выглядели несокрушимыми, а парадоксальные выводы возникали с какой-то поразительной легкостью. Наверное, не скоро в истории появится гений, способный создать подобные шедевры научной мысли в течение лишь одного года…

Глава 2. Все в мире относительно…

С развитием науки представление людей о пространстве существенно менялось. Всего шесть-семь веков назад различие между «верхом» и «низом» казалось одним из самых коренных свойств пространства. Именно поэтому учение о шарообразности Земли долгое время воспринималось как величайшая нелепость. Ведь присущий каждому «здравый смысл» исключал возможность существования антиподов, которые вынуждены были выходить «вверх ногами».

    Ю. И. Соколовский. Секреты сверхсветовых скоростей

Можно сказать, что теория относительности начинается с рассмотрения различных систем отсчета. Для нас нынешних словосочетания «система отсчета» или «система координат» – простые и эмоционально нейтральные, а какие, однако, бури страстей вызывали они в истории науки!

Выражения «система отсчета» и «система координат» часто употребляются как синонимы, поскольку в физике назначение системы отсчета состоит в конкретном способе наделения точек пространства-времени координатами. Проще всего представить эту систему в виде трех линеек, скрепленных нулями перпендикулярно друг другу, и часами, установленными в точке взаимного пересечения.

Проводим на листе бумаге прямую, размечаем ее на равные единицы длины, скажем сантиметры, ставим жирную начальную точку, включаем секундомер – и наша система приходит в действие. Любая точка, движущаяся произвольным образом по прямой, всегда будет «просчитываться» нами в определенной точке пространства, в определенный момент времени. Конечно, мы сконструировали самую примитивную систему отсчета, но использовали при этом самые настоящие принципы построения поисковых систем, позволяющих найти любой объект в любой точке пространства и в любой момент времени.

Вообще говоря, движение всегда следует рассматривать относительно такой системы отсчета, в которой оно оказывается наиболее простым. При описании движения надо стремиться поместить начало отсчета в наиболее удобную, часто даже недостижимую для наблюдения точку. Если мы будем внимательно наблюдать за звездным небом, то даже невооруженным взглядом заметим, что некоторые звезды движутся среди неподвижных звездных россыпей. Это – планеты, по-древнегречески – странники, вращающиеся вместе с Землей вокруг Солнца.

Однако так думали далеко не всегда – тысячелетиями древние астрономы считали, что все обстоит полностью наоборот: Солнце и планеты вращаются вокруг Земли. Были, конечно, философы, которые догадывались об истинном положении дел, например эллин Аристарх Самосский и его ученики, но их мысли надолго затерялись в глубине веков.

Великий польский астроном Николай Коперник показал, что движение планет описывается значительно проще, если считать наше дневное светило центром «солнечной карусели». Тогда можно было бы представить, что вокруг Солнца вращаются все планеты, «прикрепленные» к нему радиус-векторами.

Долгие наблюдения с помощью специальных астрономических инструментов, наиболее известными из которых были трикветрум, параллактический инструмент, гороскопий для определения угла наклона эклиптики, квадрант особой конструкции и гномон, позволили Копернику выдвинуть революционную теорию.

В первом труде, написанном приблизительно в 1516 году и посвященном гелиоцентрической картине мира, Коперник дал предварительное изложение своего учения, пока еще представляя его в виде умозрительной гипотезы. К началу тридцатых годов XVI века работа над созданием новой теории и ее оформлением в труде «Об обращениях небесных сфер» была в основном закончена.

К тому времени почти полтора тысячелетия просуществовала система устройства мира, предложенная древнегреческим ученым Клавдием Птолемеем. Она заключалась в том, что Земля неподвижно покоится в центре Вселенной, а Солнце и другие планеты вращаются вокруг нее. Положения теории Птолемея считались незыблемыми, поскольку хорошо согласовались с учением католической церкви.

Наблюдая движение небесных тел, Коперник пришел к выводу, что теория Птолемея неверна. После тридцати лет упорнейшего труда, долгих наблюдений и сложных математических расчетов он доказал, что Земля – только одна из планет, и что все планеты обращаются вокруг Солнца.

Николай Коперник (1473–1543)

Великий астроном, положивший начало созданию новой схемы строения Вселенной. В книге, вышедшей в свет в 1543 г., в самый день его смерти, Коперник высказал предположение о том, что центром Вселенной является не Земля, а Солнце. Согласно этой точке зрения планетная система была, в сущности, Солнечной системой.

Коперник считал, что человек воспринимает движение небесных тел так же, как и перемещение различных предметов на Земле, когда он сам находится в движении. Наблюдателю кажется, что Земля неподвижна, а Солнце движется вокруг нее. В действительности же это Земля движется вокруг Солнца и в течение года совершает полный оборот по своей орбите.

Мы начали разговор с обсуждения понятия «относительность» и сразу же оказались среди довольно необычных систем отсчета, но самое интересное еще впереди и связано оно с исследованиями великого итальянского физика и астронома Галилео Галилея. Галилей внес настолько серьезный вклад в физику, что считается отцом экспериментального раздела этой науки. Он жил через сто лет после Коперника и активно пропагандировал его гелиоцентрическую (солнцецентральную) систему отсчета.

С 1606 года Галилей начал серьезно заниматься астрономией. В июле 1609 ему удалось построить один из первых линзовых телескопов в виде оптической системы, состоящей из набора выпуклых и вогнутых линз. С помощью этого принципиально нового астрономического устройства, получившего впоследствии название «подзорная труба Галилея», ученый начал систематические астрономические наблюдения, в ходе которых сделал много важных открытий для различных небесных тел. Поэтому Галилея по праву считают основоположником оптической наблюдательной астрономии.

На протяжении всей последующей жизни он непрерывно усовершенствовал свою подзорную трубу и в конце концов «построил себе прибор в такой степени чудесный, что с его помощью предметы казались почти в тысячу раз больше и более чем в тридцать раз ближе, чем при наблюдении простым глазом». Самые известные трубы Галилея имели более чем тридцатикратное увеличение, позволяя предметно исследовать лунные пейзажи – горные цепи, кратеры и «моря».

С этих выдающихся научных открытий начался постоянный конфликт великого ученого и церковных мракобесов, ведь в то время даже мысли о том, что Луна похожа на Землю и имеет на первый взгляд сходный ландшафт, считались глубокой крамолой, опровергающей абсурдные религиозные догмы, основанные на учении Аристотеля о Земле – центре мироздания. Еще больше масла в огонь религиозного фанатизма подлило наблюдение Галилеем четырех спутников Юпитера и вращения Солнца вокруг своей оси, окончательно похоронив фантасмагорическую космогонию Аристотеля. На основании множества наблюдений Галилей сделал единственно правильный вывод о том, что осевое вращение свойственно практически всем небесным телам, и гелиоцентрическая система мира Коперника безусловна верна.

Галилей начал смело пропагандировать учение Коперника, а между тем в 1616 году церковные мракобесы окончательно определились в своем отношении к этому величайшему достижению человеческого разума, признав его ложность и вопиющую ересь. Жемчужина человеческого знания, книга Коперника «Об обращении небесных сфер» была включена в перечень запрещенных книг и подлежала немедленному сожжению вместе со своими владельцами.

В 1632 году вышло в свет выдающееся сочинение Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой», занявшее достойное место рядом с трудами его великого предшественника. Книга была написана в классической форме сократического диалога между сторонниками Коперника и Аристотеля с Птолемеем. Несмотря на внешнюю форму состязательного диспута, система Коперника предстала в книге как единственно верная и научная, что тут же вызвало санкции христианских догматиков.

Галилео Галилей (1564–1642)

Только проверяя предложения экспериментом, только «задавая Природе вопросы», можно понять окружающий мир, – считал Галилей. В этом он резко расходился с Аристотелем, который считал возможным познание мира чисто логическим путем. Галилей утверждал также, что поверхностные наблюдения без должного анализа могут приводить к ложным заключениям.

Продажу книги категорически запретили, а Галилея вызвали в Рим на суд папской инквизиции. Следствие тянулось с апреля по июнь 1633 года, а 22 июня в той же церкви, почти на том же самом месте, где Джордано Бруно выслушал свой смертный приговор, великий ученый, сломленный физическими и моральными пытками, стоя на коленях, произнес предложенный ему текст отречения.

Последние годы жизни выдающийся естествоиспытатель провел в тяжелейших условиях, находясь под постоянным надзором инквизиции во Флоренции. Там в течение двух лет Галилей создал свою последнюю значительную работу «Беседы и математические доказательства», где изложил основы динамики.

Великий астроном и физик скончался 8 января 1642 года и был похоронен без почестей и надгробия. Только в ноябре 1979 года Папа Римский официально признал, что инквизиция совершила ошибку, силой вынудив отречься великого ученого от теории Коперника.

Между тем именно Галилей одним из первых понял, насколько относительно любое движение вокруг нас. Он объяснил движение звезд на ночном небосводе вращением Земли вокруг своей оси, проходящей через Северный и Южный полюс, а также доказал, что путешественник в каюте корабля никогда не сможет определить, движется он или стоит на якоре (правда, для этого необходимо, чтобы корабль двигался равномерно, проходя за равные промежутки времени равные расстояния). Это очень важный принцип относительности, настолько важный, что он получил название «Принцип относительности Галилея». Вот как описывал его сам великий физик в замечательной книге «Диалоги о двух системах мира», вышедшей в 1632 году и чуть ли не стоившей жизни величайшему мыслителю из-за преследования религиозных мракобесов.

«Заключите себя с каким-нибудь приятелем в возможно просторном помещении под палубой большого корабля и пустите бабочек… Пусть будет там также большой сосуд с водой и в нем рыбки. Повесьте также на потолок ведро, из которого капля за каплей вытекала бы вода в другой сосуд с узким отверстием, находящийся внизу под ним. Пока не движется корабль, наблюдайте, как летающие животные с равной быстротой будут летать во все стороны комнаты. Увидите, что рыбы будут плавать безразлично во все стороны; падающие капли будут попадать все в подставленный сосуд. И вы, бросая приятелю какую-нибудь вещь, не будете принуждены употреблять большую силу, чтобы кинуть ее в одну сторону, чем в другую, если только расстояния одинаковы. Прыгая, вы будете проходить одинаковые пространства, куда бы ни прыгали. Наблюдайте хорошенько за всем и заставьте привести в движение корабль с какой угодно быстротой. Если движение будет равномерным, то вы не заметите ни малейшей перемены во всех указанных действиях и ни по одному из них не в состоянии будете судить, движется ли корабль или стоит на месте».

И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время. То есть полагали, что можно однозначно измерить интервал времени между двумя событиями, и полученное значение будет одним и тем же, кто бы его ни измерял, если использовать точные часы. В отличие от абсолютного пространства, абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона. И большинство людей считает, что это соответствует здравому смыслу.

Тем не менее в двадцатом столетии физики были вынуждены пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в дальнейшем, ученые обнаружили, что интервал времени между двумя событиями, подобно расстоянию между отскоками теннисного шарика, зависит от наблюдателя. Физики также открыли, что время не является независимым от пространства.

Ключом к прозрению стало новое понимание свойств света. Свойства эти, казалось бы, противоречат нашему опыту, однако здравый смысл, исправно служащий нам, когда речь идет о планетах, которые движутся сравнительно медленно, перестает работать в мире околосветовых скоростей.

Но для осознания всей глубины новых релятивистских представлений понадобилось разобраться с еще одним наследием века пара и электричества – концепцией «мирового светоносного эфира».

Глава 3. Смерть мирового эфира

Эфиром называется невидимый элемент, неосязаемый и невесомый, распространенный повсюду, как в пустоте, так и внутри тел прозрачных и непрозрачных, существование которого, являвшееся долгое время гипотетическим, приобретает, по-видимому, в настоящее время черты научной достоверности…

    Французская энциклопедия Nouveau Larousse Illustr'e (1903 г.)

Надо сказать, что понятие эфира является одним из древнейших метафизических образов, дошедших до нас из недр древнегреческой философии, где оно сопоставлялось с понятиями «воздух», «небо» или «верхние области небосвода». Еще античные мыслители пытались при помощи небесного эфира объяснить принципы движения Луны и планет, да и всего мироздания в целом. Любопытно, что при этом древние мыслители разработали «схему применения» нескольких эфиров, имеющих разные качества, такие как плотность, вязкость и температура, к тому же занимающие разное положение в небесных сферах.

Сверхтвердая и неуловимая субстанция – очень странные качества, которые ни тогда, ни сейчас никто бы не смог объяснить – конечно, с научной точки зрения. Учителя никогда не любили каверзных вопросов, и любопытный гимназист, пытавшийся узнать, почему он не может потрогать вездесущее «кристаллическое тело эфира», получал вместе с подзатыльником (обычная воспитательная мера в те времена) стандартный ответ – «так устроен мир». Зачем же понадобилась ученым такая противоречивая физическая модель эфира? Для объяснения распространения света!

Свет всегда был (и остается!) очень загадочным физическим объектом. Долгое время ученые спорили о том, из чего состоит луч света – из частиц или волн. В конце концов победил компромисс, и мы знаем, что световые волны разлиты электромагнитными волнами в пространстве, а когда их прибой достигает вещества, они распадаются, превращаясь в частицы света – фотоны. Впрочем, это современный взгляд на природу света, а в конце позапрошлого века в очередной раз победила волновая теория. Согласно ей распространение света напоминает волны на безбрежной поверхности мирового «светоносного эфира».

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые впервые попытались осмыслить природу света. Автором первой эфирной теории света был выдающийся голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс, который в 1678 году сделал сообщение об этом на одном из заседаний парижской Академии наук.

В этом труде Гюйгенс утверждал, что для движущихся тел имеет физическое значение только относительная скорость этих тел. Так он стал первым ученым, сформулировавшим принцип относительности движения, состоящим в том, что системы отсчета, которые движутся по отношению друг к другу с постоянной прямолинейной скоростью, равноценны для описания физических явлений. Эта эквивалентность называется в настоящее время принципом относительности Галилея, но правильнее было бы называть ее принципом относительности Гюйгенса.

В 1665 году Гюйгенс был приглашен в Академию наук, где с энтузиазмом включился в решение разных теоретических и прикладных задач. Он, например, испытал ход часов с маятником на плавающих кораблях, оценил скорость света и длину окружности земного шара. За время работы в Академии Гюйгенс написал две важные книги: «Маятниковые часы» (1673) и «Трактат о свете» (1690), где предположил существование промежуточной материи – эфира – из очень плотно упакованных частиц. По мнению Гюйгенса, свет распространяется последовательными толчками, а каждая частица эфира действует как передаточный центр.