Текст книги "Физика времени"

Автор книги: Артур Чернин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 20 страниц)

ГЛАВА 5
ВРЕМЯ И СВЕТ

Говорят, что Эйнштейн немало удивил однажды своих собеседников, сказав, что никогда не понимал, что такое абсолютное время, – то есть того, что, как всем казалось, было общеизвестно.

Конечно, он знал об абсолютном времени, о его роли в классической механике все, что было известно. Но его взгляду на физический мир с самого начала была чужда вечная универсальность, принципиальная неизменность абсолютного времени. Почему время всегда и везде течет в одинаковом темпе? Чем этот темп задается и что его контролирует? Неужели существует какой-то способ регулировать ход времени сразу и одновременно во всей Вселенной?

Эти вопросы побуждали к критическому анализу физики Галилея и Ньютона.

Эйнштейн прекрасно видел, что на практике классическая механика действует безупречно. Два столетия она шла от одного достижения к другому и ничто, казалось, не предвещало каких-то препятствий, заминок или неудач. Но Эйнштейн испытывал внутреннюю неудовлетворенность идейной стороной, самой основой классической науки. В этой основе виделись ему непоследовательность и противоречия.

Из глубоких раздумий о реальном мире физических явлений, из критического анализа классической механики с ее концепцией абсолютного времени и абсолютного пространства родилась теория относительности Эйнштейна, которой суждено было произвести настоящий переворот в физике. К этому успеху привели Эйнштейна не только собственные научные усилия, но и замечательные результаты, достигнутые в той же области исследований его предшественниками и современниками, Дж. К. Максвеллом в Англии, X. Лоренцом в Голландии, А. Пуанкаре во Франции.

Ключом к созданию теории относительности послужило, прежде всего, понимание особых свойств света, которые оказались удивительным образом связанными со свойствами времени.

Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (1879—1955) писал о физической науке на рубеже XX века: «Несмотря на то что в отдельных областях она процветала, в принципиальных вещах господствовал догматический застой». А его интересовали именно «принципиальные вещи». И здесь он был смолоду решителен; порвав с давно уже

устоявшимися и привычными для физиков представлениями о времени и пространстве, он стал на новую точку зрения и не отступил, когда созданная им теория привела к выводам, которые многим, если не всем, казались поначалу странными, парадоксальными, а то и вовсе нелепыми.

Любимым чтением в детстве и юности были у Эйнштейна научно-популярные книжки по физике и математике. В двенадцать лет в руки ему попала небольшая книга по геометрии Евклида. Она, как говорят биографы, произвела на будущего ученого впечатление чуда. Впоследствии он не раз вспоминал о первых впечатлениях от классической геометрии: «Тот не рожден для теоретических исследований, кто в молодости не восхищался этим творением».

В 1905 году, когда ему было 26 лет, Эйнштейн опубликовал научную работу «К электродинамике движущихся тел» и краткую заметку, посвященную формуле Е = mc². С этого началась теория относительности. А формула Эйнштейна стала самой знаменитой физической формулой XX века. К 1916 году разработка теории относительности была им завершена.

Эйнштейн говорил, что теория относительности – это дом с двумя этажами. Первый этаж – так называемая специальная теория относительности (1905 год), а второй – общая теория относительности (1908—1916 годы). На обоих своих «этажах» теория Эйнштейна имеет дело с самыми фундаментальными представлениями о физическом мире, предмет которых – теория времени, пространства и тяготения.

За теорией относительности с первых же лет после ее создания ходила слава непостижимой, вокруг нее возникали легенды. Утверждалось, что во всем мире теорию Эйнштейна понимают три человека, включая ее автора. Позже говорилось, что не три, а двенадцать, но уже без автора. Сам Эйнштейн шутил: «С тех пор как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».

Сейчас теория относительности стала неотъемлемым, обязательным элементом физического мировоззрения и физического образования. На нее опираются, ее так или иначе используют в своих исследованиях физики, работающие в самых разнообразных областях. Без нее немыслимы такие разделы науки, как теория элементарных частиц и космология, первая из которых исследует самые малые тела природы, а вторая – самый большой ее объект, Вселенную как целое. Вместе с развитием физики, с расширением различных применений теории относительности вокруг нее постепенно рассеивался туман таинственности, и теперь она предстает перед всеми в своей глубине, ясности и стройности.

Математическая сторона теории относительности непроста. Но принципиальная основа теории не скрывается за математической формой, сколь бы сложной она ни была. Исходные идеи новейшей физики и главные ее результаты глубоки, но по самому существу просты и потому, к счастью, допускают такое изложение или объяснение, при котором многое становится ясным и без формул.

Система отсчета

В специальной теории рассматриваются явления, для которых силы тяготения в любых их проявлениях слабы или вовсе несущественны. Общая теория – это теория пространства, времени и тяготения.

Может показаться, что в идейной своей основе специальная теория относительности не очень далеко отходит от классической механики. В ней, например, по-прежнему действует принцип относительности. Но теперь его распространяют не только на движения тел, то есть на механические явления, но и вообще на все физические явления. Вот что говорит Эйнштейн.

«Представим себе двух физиков, 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 определенном направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения всех 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 за– зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета».

Когда Эйнштейн говорит: «представим себе...», он предлагает нам проделать мысленный эксперимент. В данном случае речь идет о мысленном эксперименте с двумя лабораториями, которые мы должны считать инерциальными. Лаборатория, связанная с Землей, может вполне считаться инерциальной. Хотя мы понимаем, что, это, конечно, лишь приближение к идеальной инерциальности. Ведь Земля вращается вокруг своей оси, а вращение – это движение с ускорением. Если можно было бы связать систему отсчета с Солнцем, она была бы ближе к инерциальной, но все равно не строго инерциальной. К счастью, для многих реальных лабораторных экспериментов слабая неинерциальность лабораторий практически несущественна. А в мысленном эксперименте мы и вовсе этой малой неинерциальностью можем пренебречь.

Принцип относительности Эйнштейна охватывает все физические явления, все типы взаимодействий в физике, все физические процессы. Ему подчиняются, в частности, электромагнитные явления. Для наших дальнейших рассуждений это особенно важно: мы будем говорить о свете, о скорости его распространения, об обмене световыми сигналами. Распространение света – это явление электромагнетизма, свет представляет собою электромагнитные волны определенных частот.

Скорость света

Специальная теория относительности расширяет принцип относительности Галилея. Кроме того, она добавляет еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности?

Все дело в том, что скорость света – это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Так думал, например, Аристотель. Правда, серьезные рассуждения, которые приводились в древности в пользу такой воз– возможности, кажутся нам сейчас не слишком надежными.

Например, Герон Александрийский рассуждал так. Если вы ночью повернете голову к небу, закрыв глаза, а затем внезапно откроете их, то вы увидите звезды немедленно. Раз между мгновением открытия глаз и мгновением, когда мы впервые видим звезды, не протекает никакого времени, свет распространяется мгновенно.

Это звучит для нас не очень убедительно. К тому же нужно сказать, что но мнению древних греков зрительные образы возникают вследствие излучения из глаз, а не вследствие испускания света (или его рассеяния) видимыми телами. Они держались, так сказать, «радиолокационной» теории зрения: чтобы что-то увидеть, нужно послать из глаз сигнал, а затем принять его обратно, – это отражение создаст и принесет нам видимый образ тела.

Скорость света долго еще считали бесконечной. Так думал, например, Кеплер, который прямо писал об этом в 1611 году.

Галилей был другого мнения. Он предложил не спорить, а проделать эксперимент. Пусть два человека, снабженные сигнальными фонариками, станут подальше друг от друга, насколько это возможно, и один из них включит свет. Другой должен включить свой фонарь, как только этот свет увидит. Время обмена сигналами можно измерить, а зная расстояние, нетрудно определить и скорость света. Галилей пытался проделать такой опыт, но его «экспериментальной технике» это было все же не под силу.

Эксперимент почти по такой же схеме провел позднее, в 1675 году, датский астроном Олаф Кристенсен Рёмер (1644—1710). Это был астрономический эксперимент, и «фонарем» служил ему один из открытых Галилеем спутников Юпитера – во время своих затмений. Конечность скорости света была подтверждена.

А в земных, лабораторных условиях опыт Галилея осуществил в 1849 году французский экспериментатор Ипполит Физо (1819—1896), которого Эйнштейн назвал в одной из своих работ гениальным физиком. В усовершенствованном варианте опыт был повторен затем в 1874 году. Он дал для скорости света величину 300 – 330 км/с. Современное наиболее точное значение скорости света получено с помощью атомных часов. Оно составляет 299 792456,2 м/с с точностью до погрешности эксперимента, которая оценивается как +/– 0,2 м/с.

Это – огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Она и вправду чуть ли не бесконечно велика.

Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с; скорость космической ракеты – 12 км/с, скорость Земли в ее орбитальном движении вокруг Солнца – 30 км/с: скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики – около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики вместе с большой группой других галактик – относительно других таких же групп – еще примерно в два раза больше.

Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это действительно огромная скорость, но все же и она еще мала по сравнению со скоростью света.

Ни прибавить, ни убавить

Большой спутник движется по орбите вокруг Земли и с него, как с космодрома, запускается ракета – автоматическая межпланетная станция к Венере. Это не мысленный эксперимент, так уже не раз бывало в истории советских космических исследований. Представим себе, что запуск производится строго в направлении движения «орбитального космодрома». Ясно тогда, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно «орбитального космодрома» плюс скорость самого этого «космодрома» относительно Земли. Скорости двух движений складываются, и потому ракета получает довольно большую скорость. Она может преодолеть притяжение Земли и улететь к другой планете.

А теперь другой эксперимент. Со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света с. Какова скорость распространения света относительно Земли ? Ответ: эта скорость – не больше с, она есть с и только с.

Если свет испускается не по движению спутника, а в прямо противоположную сторону, то и тогда относительно Земли свет будет распространяться со скоростью, не меньшей с, а снова равной этой величине.

Это – иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше с. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. Например, скорость человека, идущего вдоль вагона поезда по его ходу, может быть 1 метр в секунду. Это скорость относительно поезда. Но скорость человека относительно Земли, или относительно лаборатории в поле (вспомним мысленный эксперимент Эйнштейна), будет равна сумме: 1 метр в секунду плюс скорость поезда, которая может составлять, например, 30 метров в секунду. Итак, скорость человека относительно лаборатории в поле равна 31 метру в секунду. И вообще, когда мы говорим о скоростях, мы всегда должны сказать, относительно чего мы их измерили, ибо эти скорости относительны, они зависят от системы отсчета.

А скорость света не складывается с другими скоростями. К ней ничего ни прибавить, ее никак ни убавить. Скорость света абсолютна, она всегда одна и та же и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютный рекорд

Эйнштейн пришел к мысли об абсолютности скорости света логическим путем. И подвели его к этому заключению теоретические исследования электромагнитных процессов в движущихся телах. Все опытные, экспериментальные данные об этих процессах приводят к такой теории электромагнетизма, из которой в качестве неизбежного следствия вытекает постоянство скорости света в пустоте.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ней. Постоянство этой скорости – закон природы, а потому – именно в соответствии с принципом относительности – он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Эйнштейн положил принцип относительности и закон распространения света в основу специальной теории относительности в качестве исходных аксиом.

В пользу постоянства скорости распространения света определенно говорят прямые эксперименты. Эйнштейн особенно ценил эксперимент голландского астронома и космолога де Ситтера (1872—1935). Это был астрономический эксперимент, основанный на наблюдениях двойных звезд. Наблюдения показали, что скорость света не зависит от скорости звезды, испускающей свет. Факт постоянства скорости света неизменно подтверждался и многочисленными последующими экспериментами.

Возможны ли в природе скорости движения, превышающие скорость распространения света в пустоте? Специальная теория относительности и весь опыт физики отвечают на этот вопрос отрицательно. Скорость света – это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна – это абсолютный рекорд скорости.

Стоит напомнить, что со скоростью света распространяются в пустоте все электромагнитные волны, а не только волны из «видимого» диапазона частот, соответствующих зрительной способности человеческого глаза воспринимать электромагнитное излучение. Скорость распространения любых электромагнитных волн равна «рекордной» скорости с. Радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение – все они имеют в пустоте эту скорость. Последние известия по радио и вообще любые сообщения мы можем передавать с этой предельной скоростью – но никогда не быстрее. Поэтому часто говорят, что скорость света – это предельная скорость передачи информации.

Но это – также и предельная скорость передачи любого воздействия от одного физического тела к другому. Как бы это воздействие ни передавалось – с помощью других тел или частиц, с помощью электромагнитных или любых других полей, оно не может опередить свет. И обратная реакция одного тела на воздействие другого, его противодействие не вернется быстрее, чем свет. Принято поэтому говорить, что скорость света – это предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Скорость света потому и играет такую важную роль, что она является универсальной, абсолютной и предельной скоростью для всякого движения, распространения, обмена сигналами, для передачи любого взаимодействия.

Одновременность

Проведем один мысленный эксперимент. Допустим, что имеются две лаборатории – одна в чистом поле, как сказано у Эйнштейна, а другая в вагоне поезда, несущегося мимо нее. Эксперимент будет состоять в том, чтобы измерять время, необходимое свету для прохождения определенного пути.

Пусть на передней и задней стенках вагона имеются источники света, лампочки. Физик «поездной» лаборатории находится посередине вагона, на равном расстоянии от обоих источников света. Эксперимент устроен так, что вспышки света достигают «поездного» и «полевого» физиков одновременно – тот момент, когда они поравняются друг с другом. Сигналы приходят к каждому из них одновременно. Какие выводы можно из этого сделать?

Физик в «поездной» лаборатории говорит: «Сигналы были испущены из точек, находящихся от меня на равных расстояниях, и пришли одновременно; следовательно, они и испущены были одновременно».

А вот что говорит физик в «полевой» лаборатории: «Когда середина вагона со мной поравнялась, обе лампочки были на равных расстояниях от меня. Но свет был испущен раньше, когда вагон только приближался ко мне. И совершенно ясно, что при испускании света передняя стена вагона была ближе ко мне, чем задняя. Так как оба сигнала распространялись с одинаковой скоростью и пришли ко мне одновременно, пройдя при этом разный путь, лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней».

Сравнивая сообщения обоих физиков, мы должны констатировать следующее: два события – испускание светового сигнала с передней и задней стен вагона – одновременны в одной лаборатории и неодновременны в другой. Совершенно неважно, какова действительная разница во времени. Пусть она очень мала. Принципиально важно, что одновременность или неодновременность оказались понятиями, зависящими от точки зрения, – они оказались относительными.

Это утверждение представляет собой следствие двух аксиом специальной теории относительности: аксиомы относительности и аксиомы постоянства скорости света. Оно кажется нам неожиданным; но мы должны признать, что оно не противоречит логике и простому здравому смыслу, которыми мы пользовались в нашем мысленном эксперименте.

Но сам эксперимент все же необычен, слишком далек от повседневного опыта. Ведь чтобы разница во времени была заметна, так сказать, невооруженным глазом, нужна скорость поезда, практически совпадающая со скоростью света. С такими скоростями в повседневной жизни мы никогда не имеем дела. Потому результат эксперимента и удивляет нас.

Он удивляет нас, еще и потому, что наши представления о времени и движении так или иначе воспитаны классической механикой; время заведомо считается абсолютным, а с ним абсолютной считается и одновременность.

Могла ли одновременность оказаться абсолютной в нашем мысленном эксперименте? Очевидно, для этого необходимо и достаточно, чтобы скорость света была бесконечной. Тогда любые расстояния свет покрывал бы без затраты времени, в мгновение ока, как говорится.

Но Галилей и Ньютон, создавшие классическую механику, знали, что скорость света конечна. Ньютон прямо писал в своей «Оптике»: «свет тратит... около семи или восьми минут на прохождение от Солнца к Земле» (вторая из этих цифр – 8 минут – правильна).

Они не знали, однако, что скорость света в пустоте – совсем особая скорость; они не знали, что она абсолютна. Для них скорость света оставалась хотя и очень большой, но всего лишь одной из многих возможных скоростей в мире. Иначе они сами, наверное, создали бы теорию относительности.

Относительность времени

Мысленный эксперимент, который мы провели вслед за Эйнштейном, побуждает к дальнейшим размышлениям. В «поездной» лаборатории физик измерил два промежутка времени t₁ и t₂. Один из них, t₁, есть время, затраченное светом на путь от передней стены вагона; второй, t₂, – это время, затраченное на путь от задней стены. Эти промежутки по его данным равны: t₁ = t₂.

В «полевой» лаборатории тоже измерены два промежутка времени f₁ и f₂. Но они оказались различными. Время, затраченное на путь от задней стены, больше времени, затраченного на путь от передней стены: f₁ > f₂.

Может ли промежуток времени f₁ равняться промежутку времени t₁? Может ли промежуток времени f₂ равняться промежутку времени t₂?

На оба эти вопроса сразу мы, очевидно, не можем ответить да. Но было бы и неразумно на один из них ответить да, а на другой – нет. Мы ощущаем в наших вопросах определенного рода симметрию – оба они, так сказать, об одном и том же. Поэтому скорее следовало бы ответить нет на оба вопроса.

Если немного порассуждать, то можно выяснить, что время f₁ больше, чем t₁, а время f₂ меньше, чем t₂.

Итак, подведем первые итоги нового взгляда на время.

Два физика изучали одни и те же события, только в разных лабораториях, разных системах отсчета, движущихся друг относительно друга. Они измеряли промежутки времени между этими событиями, а события состояли в испускании света и его приходе от передней и задней стен вагона. И вот оказалось, что сам промежуток зависит от того, в какой лаборатории эти события фиксируются. Это означает, что промежуток времени между двумя событиями есть величина относительная.

Да и само время оказывается относительным. Ведь что такое время, как не череда своих промежутков.

Нельзя просто сказать «сейчас такой-то час». К этому нужно добавить «в такой-то системе отсчета», чтобы высказывание приобрело смысл.

Открытие относительности времени вызвало настоящий переворот в физической науке. Оно означало коренную ломку самых фундаментальных, самых первичных и исходных представлений о мире, созданных всем предшествовавшим развитием науки и, прежде всего, классической механикой Галилея – Ньютона. Время перестало быть абсолютным – что же произошло тогда с классической механикой? Неужели крах после двух столетий торжества?

Нет, новейшая физика не отменила классическую механику. Очевидным образом обнаружилось, что механика Галилея и Ньютона не столь универсальна, как на то надеялись ее творцы, а за ними и все другие физики XVIII —XIX веков (и последние чаще всего даже в большей степени). Но вся классическая теория остается в силе, если рассматривать только такие движения, скорость которых много меньше скорости света. По сравнению с этими малыми скоростями скорость света столь велика, что фактически ее можно считать бесконечной. А при таком условии сводится на нет относительность одновременности (мы уже говорили об этом), а с ней и относительность самого времени вообще.

Новейшая теория указала границы и пределы применимости классических представлений: механике Галилея – Ньютона подвластны только относительно медленные движения. И в этих ясно осознаваемых границах классическая механика продолжает и до сих пор жить полнокровной жизнью, неизменно прибавляя все новые и новые успехи к и без того уже внушительному списку своих достижений.

Когда же нужно изучать быстрые движения или распространение электромагнитных волн, классической теории для этого уже явно недостаточно. Здесь требуется теория относительности, и чем ближе скорости движений к скорости света, тем заметнее и значительнее эффекты относительности, или, как говорят, релятивистские эффекты. В следующей главе мы расскажем о таких явлениях, где эти эффекты, и в первую очередь относительность времени, действуют в полную силу.

Классическая механика обрела свои рамки, нашла свое настоящее место в нашей системе знаний о физическом мире. Тем самым она получила и новое обоснование своим исходным предпосылкам. Она стала частным случаем новой, более общей теории, рамки которой много шире, а основания надежнее и глубже. Теория относительности включила в себя классическую механику в качестве своей не вполне точной, приближенной формы, достаточной для «работы» с относительно медленными движениями.

Вместе с тем – и это гораздо важнее – теория относительности произвела принципиальный пересмотр природы времени. Это было решительное преодоление догматизма и застоя в «принципиальных вещах». Это был огромный шаг вперед на пути к проникновению в самую сущность времени, которое стало теперь не только предметом описания, но и объектом прямого исследования – теоретического и экспериментального.