Все ли в мире относительно?

Все ли в мире относительно?

Мне вспоминается старый анекдот о человеке, ползающем ночью под фонарем в поисках потерянного кошелька, и на вопрос о том, где он его обронил, машущего рукой в темноту. Смех вызывает объяснение потерпевшего: «Я ищу его здесь потому, что здесь светлее!»

Несмотря на такое многократно осмеянное поведение мы по-прежнему очень редко осмеливаемся искать там, где темно, хотя и очевидно, что «на свету» нужного нам нет. Шагнуть в темноту из освещенного круга понятных идей осмеливается не каждый, но без этого не будет никаких открытий…

Среди тех, кто пересек этот рубеж, – Альберт Эйнштейн. Кому-то он представляется в виде чудаковатого «Альберта Германовича», который только благодаря подсказке известного любителя пива догадывается, что «E=mc²». Более просвещенные знают его как великого физика, связавшего два привычных понятия в единое пространство-время и увидевшего его кривизну. Но большинство всерьез убеждено, что фраза «все в мире относительно» принадлежит именно ему. И успокоенно объявляют: «Ну, раз сам Эйнштейн так считает – то значит, точно. Нет в мире ничего абсолютного. А значит, нет ни идеалов, ни моральных ценностей, а все зависит от того, с какой точки зрения смотреть».

А между тем, теория его ничуть не менее заслуживает названия «Теория абсолютностей»…

…До своей всемирной известности А. Эйнштейн слыл, мягко говоря, чудаком и неудачником. Его выгнали из гимназии за год до ее окончания. Блестяще выдержав вступительные экзамены в Цюрихский политехникум, знаменитый в те времена европейский центр научных знаний, он был принят туда лишь через год из-за отсутствия аттестата зрелости. После его окончания два года не мог найти постоянной работы, да и потом несколько лет служил в бюро патентов в должности «эксперта 3-го разряда». Его нежелание «искать там, где светло», раздражало его коллег, сослуживцев, членов его семьи. Но темнота неизвестности манила его, несмотря на нужду и даже голод, преследовавшие его в период после окончания Политехникума.

Первая статья, содержащая результаты исследований, которые позднее были названы теорией относительности, вышла из печати в 1905 г. в ведущем физическом журнале того времени «Анналы физики». Ее автору было 26 лет. Теория относительности родилась из рассмотрения парадокса, с которым столкнулась физика на рубеже XIX–XX вв., и связана была с анализом распространения света в среде.

На первый взгляд, проблема движения не кажется нам очень уж интересной, и даже странно, что многие серьезные ученые потратили на ее изучение свои силы и время. Действительно, все мы видим вокруг себя некоторое пространство, в котором движутся или покоятся тела. Но вот беда – для различных наблюдателей, движущихся один относительно другого, неподвижными будут разные предметы. Например, если мы едем в поезде, то для нас неподвижны предметы, лежащие в купе, в то время как они движутся для человека, стоящего на платформе, мимо которой проносится поезд. Для большинства людей в житейском смысле неподвижно то, что не движется относительно Земли. Но как быть с гипотетическим наблюдателем, находящимся на Солнце? И вообще, можно ли найти во вселенной нечто «абсолютно неподвижное», с чем можно было бы соотносить движение любого предмета?

Одно время казалось, что ответ на этот вопрос положителен. На основании ряда экспериментов (в частности, основанных на наблюдении смещения видимого положения звезд при движении Земли) была сформулирована гипотеза о том, что свет представляет собой волны, распространяющиеся в «абсолютно неподвижной» среде, названной эфиром. Чтобы понять, с какой скоростью мы несемся в неподвижном пространстве, занятым эфиром, американским физиком Альбертом Майкельсоном, а позже и его соотечественником Эдвардом Морли были поставлены весьма точные опыты, которые, к величайшему удивлению ученых, эфира не обнаружили!

Ученые выдвинули ряд остроумнейших объяснений результатам опытов Майкельсона и Морли. Стало ясно, что наши представления о многих привычных вещах, мягко говоря, неточны. Чтобы понять, в каком положении оказались физики, можно сказать, что самое простое и в то же время абсурдное для рубежа XIX–XX вв. объяснение опытов Майкельсона и Морли состояло в том, что Земля абсолютно неподвижна! Попытка спасти «эфирную гипотезу» предположением о том, что Земля увлекает за собой часть эфира, «прилипшего» к ее поверхности, оказалась несостоятельной, так как предположение это противоречило другой серии опытов. Ирландский ученый Джордж Фитцджеральд предложил считать, что эфир «давит» на тела, движущиеся сквозь него, заставляя их сжиматься, причем расчеты для тел, движущихся со скоростью света, приводили к тому, что их длина в направлении движения должна равняться нулю. Это же объяснение даже в более общем виде предложил голландец Хендрик Лоренц; в частности, по его мысли, при движении через «эфирный ветер» часы замедляют свой ход.

Эти объяснения напоминают нам сейчас попытки «искать там, где светло»: они не могли оторваться от представлений об эфире и являлись подпорками под эту гипотезу. Эйнштейн же осмелился «шагнуть в темноту» и сделать то, что потом стало чуть ли не нормой для всей физики XX в.: отбросить то, что противоречит наблюдениям, и оставшееся считать физической реальностью, несмотря на всю кажущуюся абсурдность.

Эйнштейн отказался от существования эфира, отказался от понятия абсолютного покоя, от единого времени, текущего везде и для всех с одинаковым темпом, от понятия абсолютного размера, который одинаково характеризует протяженность предмета для всех наблюдателей. Отказался от столь очевидного правила сложения скоростей: для всех, что плавал на лодке по реке, стрелял на ходу из лука или ходил по мчащемуся вагону поезда совершенно ясно, что скорость лодки складывается из скорости течения воды и скорости лодки относительно воды и т. п. Однако это оказалось не так для больших скоростей, близких к скорости света. Итак, рухнули все привычные свойства движения и покоя. А что взамен?

Во-первых, Эйнштейн ввел два основных постулата. Первый из них звучит, скорее, как философский, а не физический закон: «Не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения». Этот постулат, по сути, утверждает, что абсолютного покоя не существует. Второй постулат – более физический: «Независимо от движения своего источника свет движется через пустое пространство с одинаковой скоростью». Его следствием является то, что скорость света одинакова для любого наблюдателя во вселенной.

А во-вторых, взамен прежних появились новые абсолюты, не столь очевидные в повседневности, но единственные, которые могли создать непротиворечивую картину мира. Об одном из них речь шла в предыдущем абзаце – скорость света абсолютна! Второй абсолют связывает воедино пространство и время: если каждое событие описывать четырьмя числами – тремя пространственными координатами (x, y, z) и четвертой – временем t события, то для любого наблюдателя одинаковым является пространственно-временной интервал между двумя событиями, величина которого дается формулой

s = (x² + y² + z² – c²t²) / 2,

где c – скорость света. Множество следствий из приведенных постулатов весьма экзотичны, их трудно принять обыденным сознанием (подтверждением этому служат множество дискуссий, которые ведутся в том числе и в Интернете теми, кто не дал себе труд достаточно глубоко изучить теорию относительности). Тем не менее в верности этой теории убеждают не только экспериментальные подтверждения, но и удивительной красоты принципы симметрии природы, которые встают за ней. Например, теория относительности утверждает, что в физической системе все законы действуют вне зависимости от того, движется она или покоится. Теория утверждает равноправие всех точек пространства и времени, всех направлений в пространстве, утверждает новую физическую реальность – пространство-время со своей симметрией, устанавливает связи между гравитацией и инерцией, между массой и энергией.

Многие понятия, прежде считавшиеся самостоятельными и никак между собой не связанными, в теории относительности представляются как разные грани единой реальности. Благодаря ей мир сейчас видится нами значительно более «единым», чем в классической физике, тем самым на новом уровне возрождаются представления древних культур о всеобщей взаимосвязи всего сущего.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ