Почему время везде и всюду течет одинаково? Чем этот темп задается и что (или кто) его контролирует? Эти «проклятые» вопросы не давали ему покоя. И он в конце концов разрешил их, создав теорию относительности.
За этой теорией, законченной автором в 1916 году, с самого начала утвердилась' слава непостижимой. Сначала говорили, что ее во всем мире понимают всего три человека, включая самого автора. Потом число посвященных увеличилось до двенадцати, но сам автор из этой дюжины, как ни странно, выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».
Действительно, математическая сторона теории весьма непроста. Но можно ведь и о самых сложных вещах рассуждать просто, объясняясь, как говорится, на пальцах. Сам Эйнштейн, кстати, владел таким способом изложения своих мыслей достаточно хорошо.
«Представим себе двух физиков, – говорил он. – У обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого – в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения существующих в природе законов – один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, – найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета». Таким образом Эйнштейн своими словами пересказал притчу о путешественнике в запертой каюте, соглашаясь тем самым с правильностью в определенных случаях теории Галилея – Ньютона. И действительно, эта теория около двухсот лет служила верой и правдой человечеству, и никто на нее не жаловался. Так что же заставило Альберта Эйнштейна пересмотреть устоявшиеся позиции? Все та же практическая необходимость.
За два столетия многое переменилось в окружающем мире. Скорости, в нем существующие, заметно возросли. Появились новые отрасли знания – физики, в частности, вплотную занялись явлениями электромагнетизма. И потому на; смену принципу относительности Галилея должен был прийти принцип относительности Эйнштейна. Он добавил в теорию одну важную аксиому: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Долгое время считали, что скорость света вообще равна бесконечности. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимите ночью голову к небу. Вы увидите звезды. Закройте глаза – звезды исчезнут. Откройте их снова – звезды тотчас появятся. Поскольку между мигом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка, то свет распространяется мгновенно».
А вот уже известный нам Галилей был по этому поводу другого мнения. Он предложил проделать эксперимент по измерению скорости света. Пусть два человека, снабженных сигнальными фонарями, станут подальше друг от друга, рассуждал он. Один из них открывает свой фонарь. Второй делает то же самое, как только видит свет фонаря первого. А наблюдатель, стоящий рядом с первым фонарщиком, пусть замерит промежуток времени, который пройдет между тем мгновением, когда первый фонарщик откроет свет своего фонаря, и тем мигом, когда наблюдатель увидит свет второго фонаря.
Галилей даже попытался провести такой эксперимент на практике, но вскоре убедился – скорость света чересчур велика, чтобы ее можно было было замерить вручную.
Опыты по схеме Галилея удалось провести в XVII и XIX веках. Сначала в 1675 году датский астроном Олаф Кристенсен Ремер провел наблюдения во время затмения открытых Галилеем спутников Юпитера. При этом впервые было подтверждено, что скорость света имеет конечную величину. А потом опыт Галилея был проведен в лабораторных условиях французским экспериментатором Ипполитом Физо в 1849 году с помощью сконструированного им простейшего механического устройства.
Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами шестеренки, распространялся на некоторое расстояние (в своих экспериментах Физо доходил и до дистанции в 9 км). На этом расстоянии стоит зеркало, отразившись от которого световой луч идёт обратно. Если зубчатое колесо неподвижно, этот луч попадет в глаз наблюдателя через тот же промежуток между зубцами. А вот если колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения световой луч попадет либо на зубец, либо – при дальнейшем повышении скорости – в следующий промежуток.
Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно вычислить скорость распространения света. Физо получил в своих опытах значение скорости света, равное 313 тыс. км/с. (Для сравнения заметим, что в современных опытах, проведенных с помощью атомных часов, это значение равно 299 799 456 м/с с погрешностью + 0,2 м/с.)
Так вот, разрабатывая свою теорию относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что скорость света в пустоте, вакууме абсолютна. Она равна примерно 300 тыс. км/с, и быстрее света не может двигаться ничто.
К этому выводу Эйнштейн пришел на основании логических рассуждений, основанных на известных ему экспериментах, связанных с изучением электромагнитных процессов. Особенно высоко ценил ве ликий теоретик эксперимент голландского астронома де Ситтера, основанный на наблюдениях двойных звезд. Проведенные им исследования показали, что скорость света не зависит от скорости перемещения звезды, испускающей этот свет. Затем этот же факт неоднократно подтверждался и в других опытах.
Итак, скорость света постоянна. Так что же тогда меняется в этом изменчивом мире? Очень многое, в том числе и скорость… течения времени!
Чтобы понять, как это может быть, давайте вслед за Эйнштейном проведем мысленный эксперимент. Снова обратимся к двум лабораториям, одна из которых расположена в чистом поле, а другая в вагоне движущегося поезда.
Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Физик-наблюдатель движущейся лаборатории находится посредине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света.
Эксперимент построен так, что вспышки света от этих лампочек достигают «поездного» и «полевого» физиков строго одновременно, а именно в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы должен сделать из этого наблюдения каждый из экспериментаторов?
Физик в вагоне может рассуждать так: «Поскольку сигналы были посланы источниками, находящимися от меня на равных расстояниях и пришли одновременно, значит, и испущены они были строго одновременно», Физик в полевой лаборатории имеет полное право прокомментировать описываемое событие несколько иным образом: «Когда середина вагона поравнялась со мной, обе лампочки были от меня на одинаковом расстоянии. Но свет был испущен ими несколько ранее момента, когда меня достиг – ведь как-никак световые лучи имеют пусть и огромную, но конечную скорость. Отсюда логично предположить, что в момент испускания света передняя стенка вагона была ко мне ближе, чем задняя. А так как свет от обоих источников распространяется с одинаковой скоростью, получается, что лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней…»