Сколько было споров и дискуссий, прежде чем удалось сделать общепонятным относительность направлений «верх» и «низ». Нет во Вселенной какого-то всеобщего «верха» и «низа». На Земле мы называем «низом» направление к ее центру, тогда как на Луне естественно считать «низом» направление не к центру Земли, а к центру Луны. Поэтому, полетев «вверх» к Луне, мы, очутившись на ее поверхности, увидим Землю не «внизу», а «наверху».
Мы позволили себе напомнить читателю все эти элементарные истины только потому, что время так же относительно, как «верх» и «низ». В межзвездных ракетах, летящих с околосветовой скоростью, время будет течь значительно медленнее, чем на Земле. Отсюда неизбежны парадоксальные следствия, о которых рассказано ниже. Но прежде следует доказать высказанное утверждение, чтобы для читателя все последующее не выглядело голословным.
Относительность времени есть одно из следствий теории относительности. А эта теория покоится, как на незыблемой основе, на двух бесспорных фактах.
С первым из них знаком каждый — это равноценность покоя и равномерного прямолинейного движения.
Вы сидите у окна вагона стоящего на станции поезда. В окно виден соседний поезд. Вот он тронулся с места, и вы ловите себя на обмане чувств — вам показалось, что поехал ваш поезд.
Покой и равномерное прямолинейное движение в некоторых ситуациях просто неотличимы. Если на море штиль и теплоход плывет совершенно равномерно, пассажиры в его внутренних салонах могут впасть в иллюзию: корабль покажется им покоящимся. Такой же обман чувств могут пережить и пассажиры на палубе корабля, если последний плывет в открытом море.
Обман чувств испытывает и все человечество: Земля вращается вокруг своей оси так равномерно, что только разумом, а не чувствами мы воспринимаем эту истину, которая тысячелетиями отвергалась.
Примеров явлений подобного рода можно привести сколько угодно. В них выражается тот факт, та особенность объективной реальности, что если какое-нибудь тело движется прямолинейно и равномерно, то все явления на теле или внутри него протекают совершенно так же, как если бы тело покоилось.
В этом заключается принцип относительности покоя и прямолинейного равномерного движения, сформулированный еще Галилеем.
Заметим, что сами понятия покоя и движения также относительны. Эта книга покоится на столе, но она же стремительно движется вместе с Землей вокруг Солнца. Следовательно, одно и то же тело может одновременно и двигаться и находиться в покое — все зависит от того, по отношению к какому другому телу мы рассматриваем его положение.
Поэтому и говорят, что тело находится в относительном покое или относительном движении.
Как это ни странно с точки зрения «здравого смысла», но и траектория движущегося тела также относительна, то есть тело одновременно может двигаться по разным кривым. Все опять зависит от того, по отношению к какому другому телу мы рассматриваем его движение.
Вот, например, вы бросаете из окна вагона мчащегося поезда вертикально вниз какой-нибудь предмет. Вам кажется, что он полетит вниз по прямой (если не учитывать сопротивления воздуха), тогда как стрелочник с неменьшим основанием может утверждать, что брошенный вами предмет летит по параболе. Кто же прав, вы или стрелочник? Нетрудно сообразить, что оба правы, каждый по-своему. По отношению к поезду предмет летит по прямой, по отношению к полотну железной дороги — по параболе.
«Ну, а на самом деле, — спросит читатель, — по какой же кривой летит предмет?»
А что значит — «на самом деле»? В этих словах заключена предвзятая идея о том, что предмет может двигаться только по какой-нибудь одной кривой. Но это все равно, как если бы кто-нибудь взялся доказать, что данное тело только движется или только покоится. Его попытка обречена на неудачу: всегда можно спросить, по отношению к чему, к какому телу рассматривается движение или покой, а тогда сразу станет ясно, что речь идет (и может идти) только об относительном движении.
Запомнив принцип относительности Галилея, обратимся теперь к другому, менее очевидному, но столь же бесспорному факту.
Представьте себе плывущий по морю корабль, на капитанском мостике которого, в точности посередине между носом корабля и его кормой, укреплен колокол. Капитан ударяет в колокол. Где раньше услышат его звук: на корме корабля или на его носу?
Произведем несложные расчеты. Предположим, что корабль движется со скоростью 30 км/час, а его длина равна 60 метрам.
Известно также, что звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/сек.
При движении звука в сторону кормы его скорость складывается со скоростью корабля — матрос, стоящий на корме, движется навстречу звуку. Поэтому звук от колокола на капитанском мостике дойдет до него за 0,08 сек. Наоборот, нос корабля движется вперед со скоростью 30 км/час — звук, догоняя его, дойдет до носа корабля за 0,09 сек.
В конце прошлого века физики были убеждены, что свет во многом похож на звук.
Если звуковые волны распространяются в воздухе, то, по их мнению, световые колебания совершаются в особой, всепроникающей среде — «мировом эфире». Тем удивительнее оказались результаты эксперимента, произведенного американским физиком Майкельсоном в 1881 году.
Идея его опыта весьма проста. Известно, что Земля, обращаясь вокруг Солнца, несется в мировом пространстве со скоростью около 30 км/сек. Допустим, что мы хотим измерить скорость света двух звезд относительно Земли. Одна из них находится в той точке неба, куда движется в данный момент наша планета, а другая — в прямо противоположной точке. Тогда скорость света первой звезды сложится со скоростью Земли, и в результате относительно Земли свет от первой звезды должен двигаться со скоростью 300 030 км/сек, тогда как от второй звезды лучи света дойдут до Земли со скоростью 299 970 км/сек.
Разница в скоростях, конечно, небольшая. Но в распоряжении Майкельсона был такой точный прибор (интерферометр), который мог уверенно зафиксировать даже гораздо меньшее различие.
Тем не менее, после весьма тщательно проведенного эксперимента Майкельсон пришел к парадоксальному выводу: скорость света в любых ситуациях всегда остается постоянной, равной 300 000 км/сек.
Сколько ни искали впоследствии ошибок в измерениях Майкельсона, сколько раз ни повторяли его знаменитый опыт, результат не изменился — скорость света действительно оказалась мировой константой, то есть не меняющейся ни при каких условиях, постоянной величиной.
Этот факт, эта коренная особенность мира и была взята Альбертом Эйнштейном в качестве второй основы теории относительности.
Признание двух принципов — принципа относительности покоя и равномерного прямолинейного движения и принципа постоянства скорости света — не есть выражение симпатии, вкуса того или иного ученого. Эти принципы проверены всей практикой человечества, они являются краеугольными камнями современной науки, и отрицание их равносильно невежеству.
Но если дело обстоит именно так, то тогда легко из указанных двух принципов получить как следствие некоторые парадоксальные выводы о свойствах времени.
Сущность сложных явлений лучше всего уясняется на простых примерах. Пусть эти примеры несколько отвлеченны, даже искусственны. Но зато суть дела видна в таких случаях куда яснее, чем при рассмотрении реального, подчас очень сложного явления.
Представим себе абстрактный поезд, мчащийся куда-то с фантастической скоростью — 240 000 км/час. Заставим его, в отличие от реальных поездов, двигаться прямолинейно и равномерно. Допустим, что в середине одного из вагонов поезда имеется источник света, по команде посылающий лучи света на заднюю и переднюю дверь вагона.
Вполне возможно представить себе, и в этом нет ничего фантастического, фотоэлектрическое устройство, которое, как только луч света попадет на него, мгновенно срабатывает и открывает дверь. Будем считать, что фотоэлектрическим запором обладают обе двери. Наконец, для того чтобы результат расчетов был возможно нагляднее, примем, что длина вагона поезда равна… 5 400 000 км.