Парадоксы относительности

На первый взгляд, патентное бюро было не самым перспективным
местом, где могла начаться величайшая со времен Ньютона револю-

ция в физике. Но были у этой службы и свои преимущества. Быстро
разделавшись с заявками на патенты, загромождавшими его стол,
Эйнштейн откидывался на стуле и погружался в детские воспомина-
ния. В молодости он прочел «Естественнонаучные книги для народа»
Аарона Бернштейна, «работу, которую я прочел, затаив дыхание»,
вспоминал Альберт. Бернштейн предлагал читателю представить, что
тот следует параллельно с электрическим током, когда тот передается
по проводам. В 16 лет Эйнштейн задал себе вопрос: на что был бы
похож луч света, если бы его можно было догнать? Он вспоминал:
«Такой принцип родился из парадокса, на который я натолкнулся в
16 лет: если я гонюсь за лучом света со скоростью с (скорость света
в вакууме), я должен наблюдать такой луч света как пространственно
колеблющееся электромагнитное поле в состоянии покоя. Однако,
кажется, такой вещи не может существовать - так говорит опыт, и
так говорят уравнения Максвелла». В детстве Эйнштейн считал, что
если двигаться параллельно лучу света со скоростью света, то свет
будет казаться замерзшим, подобно застывшей волне. Однако никто
не видел замерзшего света, так что тут явно что-то было не так.

В начале нового века существовали в физике два столпа, на кото-
рых покоилось все: ньютоновская теория механики и гравитации и
теория света Максвелла. В 1860-е годы шотландский физик Джеймс
Кларк Максвелл доказал, что свет состоит из пульсирующих элек-
трических и магнитных полей, постоянно переходящих друг в друга.
Эйнштейну же предстояло открыть, к его великому потрясению, что
эти два столпа противоречат друг другу, и одному из них предстояло
рухнуть.

В уравнениях Максвелла он обнаружил решение загадки, которая
преследовала его на протяжении 10 лет. Эйнштейн нашел в них то,
что упустил сам Максвелл: уравнения доказывали, что свет пере-
мещается с постоянной скоростью, при этом было совершенно не-
важно, с какой скоростью вы пытались догнать его. Скорость света
с была одинаковой во всех инерциальных системах отсчета (то есть
системах отсчета, двигающихся с постоянной скоростью). Стояли
ли вы на месте, ехали ли на поезде или примостились на мчащейся
комете, вы бы обязательно увидели луч света, нес)шщйся впереди вас
с постоянной скоростью. Неважно, насколько быстро вы двигались
бы сами, - обогнать свет вам не под силу.




Такое положение дел быстро привело к появлению множества па-
радоксов. Представьте на миг астронавта, пытающегося догнать луч
света. Астронавт стартует на космическом корабле, и вот он несется
голова в голову с лучом света. Наблюдатель на Земле, ставший свиде-
телем этой гипотетической погони, заявил бы, что астронавт и луч
света двигаются бок о бок. Однако астронавт сказал бы нечто иное, а
именно: луч света уносился от него вперед, как если бы космический
корабль находился в состоянии покоя.

Вопрос, вставший перед Эйнштейном, заключался в следующем:
как могут два человека настолько по-разному интерпретировать
одно и то же событие? По теории Ньютона, луч света всегда мож-
но догнать; в мире Максвелла это было невозможно. Эйнштейна
внезапно озарило, что уже в фундаментальных основах физики та-
ился фундаментальный же изъян. Эйнштейн вспоминал, что весной
1905 года «в моей голове разразился шторм». Он наконец нашел
решение: время движется с различными скоростями в зависимости от
скорости движения. По сути, чем быстрее двигаться, тем медленнее
движется время. Время не абсолютно, как когда-то считал Ньютон.
По Ньютону, время однородно во всей Вселенной и длительность
одной секунды на Земле будет идентична одной секунде на Юпитере
или Марсе. Часы абсолютно синхронизированы со всей Вселенной.
Однако, по Эйнштейну, различные часы во Вселенной идут с различ-
ными скоростями.

* Примечания автора, обозначенные цифрами в квадратных скобках, см. в конце книги (стр.403).

Эйнштейн понял, что если бы время могло меняться в зависимо-
сти от скорости^*, то другие величины, такие, как длина, масса и
энергия, также должны меняться. Он обнаружил, что чем быстрее
тело двигается, тем более оно сокращается в направлении движения
(что иногда называют «сокращением Лоренца-Фицджеральда»).
Подобным образом, чем быстрее вы двигаетесь, тем тяжелее вы ста-
новитесь. (По сути, когда вы приблизитесь к скорости света, время
замедлится до полной остановки, ваши размеры сократятся до полно-
го нуля, а ваша масса возрастет до бесконечности - все это полный
абсурд. Это причина того, что нельзя превысить световой барьер,
который является скоростным пределом во Вселенной.)

Это странное искажение пространства-времени склонило некое-
го поэта написать следующее:

Жил-был парень по имени Фиск,
Фехтуя, он был крайне быстр,
И так был он быстр во владении,
Что Фицджёральдово сокращение
Превратило рапиру в диск.

Подобно тому как прорыв Ньютона объединил земную и не-
бесную физику, Эйнштейн объединил время и пространство. Но
он также показал, что материя и энергия взаимосвязаны и потому
могут переходить друг в друга. Если объект становится тем тяжелее,
чем быстрее он движется, это означает, что энергия движения транс-
формируется в материю. Обратное также Справедливо - материя
может быть преобразована в энергию. Эйнштейн подсчитал, сколько
энергии будет преобразовано в материю, и вывел формулу Е = тс2, то
есть даже крошечное количество материи m умножается на огром-
ное число (квадрат скорости света) при превращении в энергию Е.
Таким образом, был обнаружен таинственный источник энергии
звезд - им оказалось преобразование материи в энергию согласно
уравнению, которое справедливо для всей Вселенной. Тайну звезд
оказалось возможным раскрыть благодаря простому утверждению,
что скорость света одинакова во всех инерциальных системах от-
счета.

Так, как когда-то Ньютон, Эйнштейн изменил наш взгляд на под-
мостки жизни. В мире Ньютона все актеры точно знали, который час
и как измеряется расстояние. Ход времени и размеры сцены никогда
не менялись. Но относительность принесла нам причудливое по-
нимание пространства и времени. Во Вселенной Эйнштейна наруч-
ные часы каждого актера показывают свое время. Это означает, что
сверить все часы, тикающие на сцене, невозможно. На репетицию,
назначенную в полдень, разные актеры явятся в разное время. И во-
обще, когда актеры бегают по сцене, происходят вещи необыкновен-
ные. Чем быстрее они двигаются, тем медленнее тикают их часы и тем
более тяжелыми и плоскими становятся их тела.

Потребовались годы, чтобы широкое научное сообщество при-
няло взгляды Эйнштейна. Но сам Эйнштейн не стоял на месте; он

хотел применить свою новую теорию относительности к самой гра-
витации. Он осознавал всю сложность своего предприятия - в оди-
ночку заниматься самой прогрессивной и «тяжеленной» теорией
своего времени, точнее, опережающей свое время. Макс Планк, соз-
датель квантовой теории, предостерегал Эйнштейна: «Как старший
друг я должен предупредить тебя, чтобы ты не делал этого, ибо, во-
первых, ты не добьешься успеха, а даже если и добьешься, никто тебе
не поверит».

Эйнштейн понимал, что его новая теория относительности
разрушала теорию гравитации Ньютона. По Ньютону, гравитация
распространялась во Вселенной мгновенно. Но тут возникает во-
прос, который иногда задают даже дети: «Что будет, если Солнце ис-
чезнет?» По Ньютону, вся Вселенная тут же станет свидетельницей
исчезновения Солнца. Но по теории относительности это невоз-
можно, поскольку информация об исчезновении звезды ограничена
скоростью овета. Согласно теории относительности, внезапное
исчезновение Солнца вызвало бы сферическую ударную волну гра-
витации, распространяющуюся во все стороны со скоростью света.
Наблюдатели, находящиеся с внешней стороны ударной взрывной
волны, сказали бы, что Солнце продолжает светить, поскольку грави-
тация еще не успела достичь их. Но наблюдатель внутри волны сказал
бы, что Солнце исчезло. Для разрешения этой проблемы Эйнштейн
ввел совершенно новые понятия пространства и времени.