Глава 9. ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА

Дети и взрослые

Вот слова Эйнштейна, исполненные скромности и немножко шутливые: «Иногда я себя спрашиваю: как же получилось, что именно я создал теорию относительности? По-моему, причина этого кроется в следующем. Нормальный взрослый человек едва ли станет размышлять о проблемах пространства — времени. Он полагает, что разобрался в этом еще в детстве. Я же, напротив, развивался интеллектуально так медленно, что, только став взрослым, начал раздумывать о пространстве и времени. Понятно, что я вникал в эти проблемы глубже, чем люди, нормально развивавшиеся в детстве».

Детство читателей этой книжки, надеюсь, еще не кончилось, они еще не разобрались как следует в сущности пространства и времени, а потому им надлежит хоть в общих чертах усвоить идеи Эйнштейна. В зрелом возрасте это будет сложнее — придется преодолевать стену застарелых привычек.

«Нормальные взрослые люди», в том числе даже физики-теоретики, коллеги Эйнштейна, с величайшим трудом постигали его мысли. Первую его статью (она увидела свет в 1905 году) оценили единицы. Биографы великого ученого буквально по пальцам перечисляют понявших. Когда молодой Эйнштейн дал свою работу маститому профессору Грунеру, намереваясь устроиться в Бернский университет, тот вернул оттиск с надписью: «Я вообще не понимаю, что вы тут написали».

Правда, через некоторое время этот профессор все понял, а спустя пятнадцать лет даже выпустил книгу о теории относительности. И множество других физиков, поначалу ничего не понявших, не желавших понять, с течением времени прозревали, становились горячими приверженцами Эйнштейна.

Появились талантливые популяризаторы, объяснившие основы эйнштейновских воззрений миллионам.

Я думаю, близко время, когда знание теории относительности станет достоянием каждого культурного человека— и физика и лирика.

А может быть, и школьника.

Почему это трудно

Что трудно в эйнштейновской физике мира?

Пожалуй, все.

Трудно постичь удивительную особенность света, который, как признал Эйнштейн, распространяется в пустоте с равной скоростью по отношению к любым телам, как угодно движущимся друг относительно друга.

Трудно вообразить отсутствие безоговорочной одновременности удаленных событий.

Трудно согласиться с запретом на сверхсветовые скорости движения тел.

Трудно понять сущность относительности пространства— то, что размеры предмета не неизменны, а зависят от того, как движется система отсчета этих размеров.

Трудно признать относительность времени — то, что темп хода часов неодинаков для наблюдателей, по-разному движущихся относительно этих часов.

Почему это трудно? Очень просто — потому, что все перечисленное кардинально противоречит нашим обыденным привычкам.

Попробуйте перевернуть смысл приведенных утверждений— и они превратятся в банальности, в «общепонятное» и «бесспорное». Ракету мы тогда сумеем разогнать, если захотим, до сколь угодно большой скорости, лишь бы хватило топлива. Доброкачественные, точно выверенные часы у всех пойдут в равном темпе. Ваш рост для любых движущихся наблюдателей будет одинаков. А как же иначе?

А вот как. Пока взаимные движения не очень быстры по сравнению со светом, все сущее отвечает нашим привычкам и нашему жизненному опыту. Но если мы начнем «бегать наперегонки» с самим светом, это нам не удастся. В мире сверхбыстрого о привычках придется забыть. Придется столкнуться с новыми «правилами игры».

То, что они удивительны, для нас не ново. Природа вся удивительна — надо только приглядеться. Пожалуй, самое удивительное в том, что человеческий гений сумел постичь эти странные законы, не побывав в мире сверхвысоких скоростей. Наоборот, особенности сверхбыстрого человек отгадал, обдумывая причины неподвижности. Парадоксальной неподвижности интерференционных полос в опыте Майкельсона.

Слово свету

После того как природа, взглянув на людей через зрительную трубку прибора Майкельсона, задала им очередную загадку, не имело смысла воскрешать почивший эфир. Ведь с самого начала эфир был всего лишь гипотезой, его выдумали ради удобства физического истолкования света. А свет, судя по всему, не очень заботился о собственной понятности для людей.

Но если эфир погиб, свет-то остался. Мир не погас, не погрузился во тьму. Мало того, загубив эфир, свет предъявил свое неведомое прежде «отрицательное» качество.

Его сиятельство свет сказал тогда:

— Уважаемые физики! Поскольку я великолепно обхожусь без эфира и меня не сносит никакой эфирный ветер, я не могу, к сожалению, ничем помочь тем из вас, кто захочет воспользоваться моими услугами, чтобы обнаружить движение Земли по орбите. Извините, но не могу! Так уж я устроен. И так устроен мир.

Это ведь и доказал опыт Майкельсона.

В самом деле, выкиньте из обсуждения знаменитого эксперимента разговоры об эфире. Что тогда останется? Останется вывод: оптическим опытом не удалось обнаружить движение Земли. Только и всего.

Каково движение Земли? Во время эксперимента Майкельсона планета двигалась прямолинейно и равномерно— крошечное искривление ее орбиты (помните, 3 миллиметра на 30 километров!) не могло заметно повлиять на картину интерференции.

Отсюда заключаем: оптическим экспериментом невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение — причем, разумеется, не только Земли, но и любого другого тела, на котором исполняется эксперимент. Этот вывод и сделал Эйнштейн. И этот вывод стал основой для еще более широкого обобщения, послужившего первым исходным пунктом — первым постулатом теории относительности. Вот он, в чуть упрощенной форме, первый постулат Эйнштейна: никаким физическим экспериментом невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение. Другими словами, движение инерциальной системы отсчета неотличимо от покоя. Оба состояния равноправны. Важнейшее положение! Оно касается самой сути движения.

Обратите внимание на усиление формулировки. Вместо слов «оптическим экспериментом» употреблены слова «никаким физическим экспериментом». Не слишком ли смело? Кто дал право сделать замену?

Наш старый знакомый — Галилео Галилей.

„Галилеев ковчег"

Когда Галилей, вооруженный своей прозорливой дипломатической мудростью, осторожно и тонко воевал за «еретические» идеи Коперника и доказывал, что Земля обращается вокруг Солнца, а не наоборот, он услышал, в числе множества возражений, и такое (очень, кстати, неплохое для XVI века):

— Если бы Земля двигалась, то птицы, летающие в воздухе, не могли бы поспеть за мчащимися вместе с Землей башнями и деревьями! Так-то, дерзкий сеньор!

В ответ Галилео прибег к сравнению. Ему поневоле приходилось быть не только ученым, но и популяризатором — иначе коллеги-богословы ничего бы не поняли.

Короче говоря, Галилео посоветовал спорщикам отправиться в трюм какого-нибудь корабля, запасясь мухами, бабочками, аквариумом с рыбками, а также кусочком ладана и кувшинами с водой. Пока корабль неподвижен, спорщикам предлагалось поэкспериментировать— попрыгать, покидать всевозможные предметы, внимательно понаблюдать за поведением летающих мух, плавающих рыбок, водяных капель, отвесно падающих вниз, дыма от ладана, поднимающегося прямо вверх.

Далее Галилео заявил:

Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения.

Прыжки и броски не станут труднее или легче, мухи и бабочки будут по-прежнему летать во все стороны, капли будут все так же отвесно падать, а дым отвесно же подниматься. Галилео заключил:

Ни по одному из этих явлений вы не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно.

Другими словами и чуть шире: никаким механическим опытом невозможно обнаружить собственное прямолинейное и равномерное движение.

Это утверждение — принцип относительности Галилея. Быть может, логичнее было бы сообщить его читателю пораньше — хотя бы там, где речь шла о падении тел и о ньютоновском законе инерции. Я приберег его до сих пор по единственной причине: уж очень похож принцип относительности Галилея на первый постулат Эйнштейна, о котором вы прочитали на предыдущей странице.

Галилей объявил, что равномерное движение невозможно установить с помощью механики. И, если говорить строго, именно на это утверждение опирался разбиравшийся во второй главе закон инерции.

Эйнштейн добавил совсем немного: даже если бы обитатели «Галилеева ковчега» обзавелись оптическим прибором Майкельсона, они все равно не обнаружили бы собственное равномерное и прямолинейное движение.

Механикой — нельзя, оптикой — нельзя. Конечно, тут не поможет и физика тепла. Учение же об электромагнетизме во времена Эйнштейна срослось с оптикой — после блестящих теоретических исследований Максвелла выявилась электромагнитная природа света (свет оказался электромагнитными волнами).

Вот Эйнштейн и получил право заявить свой первый постулат. Повторяю его в чуть измененной форме: природа устроена так, что никаким физическим экспериментом нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения. Таков принцип относительности Эйнштейна.

Наблюдение ведет привидение

В этом месте я задремал над сочинением этой книжки. И очутился в космической ракете. Невесомость, тишина, никакой тряски — все как полагается в современном «Галилеевом ковчеге». Мне хочется узнать, лечу ли я, и если лечу, то куда, и успею ли при жизни долететь до Земли. Но увы, я понимаю, что никакие опыты и измерения ответа не дадут: действует запрет, наложенный эйнштейновским принципом относительности. Тогда я начинаю размышлять о причинах своего плачевного положения.

Кто виноват в нем? Свет. На предыдущей странице он сам в этом признался. Так как же устроен свет, если он ведет себя столь невежливо?

Предположим на минутку, что свет — это не волны. Тогда, кажется, все встанет на место.

Пусть где-то в пустоте летит снаряд. Он взрывается. Осколки мчатся в разные стороны. Но скорость осколков складывается со скоростью снаряда. Если стать привидением (чтобы самому не взорваться) и до взрыва сесть верхом на снаряд, то после взрыва, продолжая по инерции двигаться так, как двигался исчезнувший снаряд, будешь сохранять его скорость и находиться в центре разлета осколков. Поэтому, измеряя скорость осколков, никогда не узнаешь, с какой скоростью летишь ты сам, то есть с какой скоростью летел снаряд.

Движущийся фонарь — как снаряд. Световая вспышка — как расширяющийся шар летящих «осколков» от какого-то взрыва. Взрыв этот можно отразить зеркалом в любую сторону, собрать линзой в тонкий луч. Но никаким опытом не удастся по измерениям скорости осколков (скорости света) узнать скорость фонаря.

Объяснен как будто главный итог опыта Майкельсона! Правда, остается еще как-то вывернуться — истолковать волновые причуды света, хоть то же явление интерференции. Но это, быть может, мелочи...

Изложенную теорию света сочинил в 1908 году один уважаемый физик, по фамилии Ритц. Называлась она баллистической (по аналогии со взорвавшимся снарядом). И оказалась катастрофически неверной.

Дело вот в чем. Если скорость осколков складывается со скоростью снаряда, а, согласно баллистической теории, роль снаряда играет движущийся фонарь, то скорость света должна складываться со скоростью фонаря. Именно при таком условии не удастся установить оптическим опытом собственное равномерное прямолинейное движение.

Но это утверждение можно проверить опытом или наблюдением, что и было сделано через несколько лет после провозглашения теории Ритца. К тому времени астрономы основательно изучили вращающиеся системы двойных звезд и научились сравнивать скорости света, испускаемого каждой из звезд такой «вальсирующей» пары. Как выяснилось, оба звездных «партнера» — и тот, что, «вальсируя», движется на нас, и тот, что, наоборот, удаляется, — испускают свет, распространяющийся с совершенно одинаковой скоростью. Значит, в противоречии с теорией Ритца, скорость света не зависит от скорости светового источника. Другими словами, световой сигнал нельзя ускорить «броском» фонаря — сигнал будет распространяться все с той же скоростью — 300 000 километров в секунду.

Вкратце повторю сказанное.

Казалось бы, признав первый постулат Эйнштейна, мы обязаны объявить, что скорость света должна складываться со скоростью фонаря. Так же, как скорость «Галилеева ковчега» складывается со скоростью пассажира, идущего по палубе. Или скорость пистолета со скоростью пули. А выходит, что такого сложения скоростей для света в действительности нет. Скорость света не зависит от скорости фонаря!

Тут свет опять повел себя так, будто есть все-таки эфир и световые волны в эфире подобны звуковым волнам в воздухе. Ведь скорость звуковых волн тоже не зависит от движения источника (никто не станет кричать «с разбегу», чтобы ускорить распространение звука).

Но эфира нет. И поэтому распространение света не похоже на распространение звука. Как доказал Майкельсон, световыми волнами невозможно определить собственную «абсолютную» скорость в эфире, в то время как звуковыми волнами можно установить собственную скорость движения в неподвижном воздухе. (Вспомните «ого» и «ау», которыми мы с приятелем перекликались на поезде из порожних платформ.) Вот вам: свет не похож ни на звук, ни на взрыв.

Ни на что он не похож. И поведение его ни на что не похоже. Теперь оно выглядит еще более диким и противоестественным, чем прежде. Свет вроде той дамы, которая «рано утром вечерком поздно на рассвете ехала верхом в расписной карете».

Да и не только свет ведет себя столь странно. Не следует думать, что для людей, лишенных зрения или зажмуривших глаза, физика меняется. Сказанное о свете относится и к радиоволнам, рентгеновым, гамма- и инфракрасным лучам, и к потокам частиц нейтрино, и к тяготению — словом, к любым полям, распространяющимся в пустоте со скоростью света. А только такие поля и существуют в природе.

Два опорных камня

Гениальность Эйнштейна — не в том, что он не шарахнулся в испуге от движущейся нелепости. Гениальность Эйнштейна выше и загадочнее: великий физик предсказал эту удивительную «нелепость». Он объявил о ее существовании задолго до того, как она обнаружилась в утонченном наблюдении света. Как он сумел предугадать подобное — никто не знает. Это — интуиция гения. Когда ученому задавали такой вопрос, он улыбался и вспоминал, как еще шестнадцатилетним подростком воображал себя несущимся верхом на световом луче. И «чувствовал», что даже относительно самого светового луча скорость этого же луча будет постоянна и равна 300 000 километрам в секунду. Он чувствовал естественность того, что всем «здравомыслящим» коллегам представлялось абсурдом!

И вот за три года до появления теории Ритца, за восемь лет до ее падения Эйнштейн, словно глядя в будущее, поставил рядом два опорных камня своей теории.

Первый — принцип относительности равномерных прямолинейных движений. Второй — независимость скорости света от скорости светового источника.

Таковы постулаты Эйнштейна. Взятые по отдельности, они ничуть не удивительны. Первый был знаком еще Галилею. Эйнштейн его только обобщил. Второй был принят в физике с тех пор, как восторжествовала волновая природа света (теория Ритца оказалась шагом назад). И не по отдельности, а только вместе они выглядели абсурдом. Ибо кажется, признайте первый постулат — станет невозможным второй. И наоборот, из второго будто бы вытекает «нелепость» первого. Согласиться с ними обоими — значит, казалось бы, то же самое, что поехать в Ленинград, не покидая Москвы. Тем не менее в теории Эйнштейна они стоят рядом и не спорят.

И из их парадоксального соседства следуют не менее парадоксальные заключения об устройстве природы.

Главный вывод служит ключом ко всем остальным, и потому назвать его стоит сразу. Эйнштейн постиг его внезапно. Как сказано в биографии ученого, «однажды утром, хорошо выспавшись, он сел в кровати и вдруг понял, что два события, которые для одного наблюдателя происходят одновременно, могут быть неодновременными для другого».

Как это понять? О чем вообще идет речь?

Не обладая интуицией Эйнштейна, попробуем усвоить это постепенно.