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.
Пусть теперь мчится наш фантастический поезд. Где-то в пути включается источник света — тот самый, что находится в середине экспериментального вагона.
Напомним, что поезд движется прямолинейно и равномерно, а потому все явления внутри поезда должны происходить совершенно так же, как если бы поезд стоял на станции. Следовательно, лучи света одновременно (за девять сек.) достигнут дверей вагона, которые одновременно откроются.
Именно это увидят пассажиры фантастического поезда. Совсем другая картина предстанет стрелочнику, которому удалось пронаблюдать эксперимент.
По отношению к стрелочнику лучи света движутся с той же скоростью, что и относительно вагона (300 000 км/сек), — ведь в этом и заключается принцип постоянства скорости света. Но задняя дверь вагона несется навстречу лучу света, а переднюю дверь, наоборот, ему приходится догонять. Следовательно, «правый» луч быстрее достигнет задней двери вагона, чем левый луч — передней. В результате стрелочник увидит (это нетрудно подсчитать), что двери вагона открылись не одновременно — задняя дверь через 5 сек., а передняя дверь через 45 сек.! Таким образом, два события (открытие дверей) пассажирам поезда кажутся одновременными, а стрелочнику — разделенными промежутком времени в 40 секунд.
Бессмысленно ставить вопрос, кто из них прав. Ответ может быть только один: каждый прав по-своему. Убеждение, что два события, наблюдаемые нами как одновременные, и всем другим наблюдателям непременно покажутся одновременными, не больше, как предрассудок. Понятие одновременности — относительно. На движущихся относительно друг друга телах время течет по-разному.
Не подумайте, что парадоксальные выводы, к которым мы пришли, вызваны фантастическими свойствами нашего воображаемого поезда.
Все останется верным и для любого поезда, в том числе и того, в котором вы ездите на дачу. Но только из-за небольших размеров поезда и медлительности его движения эффекты теории относительности здесь менее заметны.
Нам остается убедиться в том, что в поезде время всегда течет медленнее, чем на станции. Для этой цели представим себе, что на полу «экспериментального вагона» укреплена электрическая лампочка, а прямо над ней, на потолке, — небольшое зеркало. Включив лампочку, мы заставим луч света долететь до зеркала, отразиться от него и вернуться обратно. Пассажир поезда сможет при этом констатировать, что луч света прошел путь, равный удвоенной высоте вагона. Однако стрелочник, следивший за этим экспериментом, с ним не согласится.
Для стрелочника эксперимент выглядит совсем иначе. Он видит, что движутся и лампочка, и зеркало, и весь вагон. Поэтому луч света, покинувший лампочку, должен лететь не вертикально вверх, а несколько косо, чтобы попасть на зеркало, которое для луча является своеобразной движущейся мишенью.
Подобно этому и отраженный луч пойдет не вертикально вниз, а по некоторой наклонной, чтобы снова вернуться к движущейся лампочке.
Так как скорости лампочки и зеркала одинаковы, луч, с точки зрения стрелочника, прочертит две стороны равнобедренного треугольника, высота которого равна высоте вагона.
Мы надеемся, что у читателя уже не возникнет вопрос, по какой же траектории на самом деле движется луч света. Но тогда нетрудно сообразить, что рассматриваемый эксперимент протекает для пассажира и для стрелочника с разной длительностью. При одной и той же скорости своего движения луч света, с точки зрения стрелочника, проходит больший путь, чем по мнению пассажира. Сумма двух сторон равнобедренного треугольника больше удвоенной соответствующей высоты. А это означает, что один и тот же процесс — посылка луча от лампочки к зеркалу и обратно, — с точки зрения пассажира, протекает за меньший промежуток времени, чем с точки зрения стрелочника. Следовательно, для движущихся тел время течет медленнее, чем для тел покоящихся. Мы не хотим затруднять читателя подсчетами величины этого «расхождения времени». Очевидно, оно зависит от скорости движения данного тела. Чем быстрее движется поезд, тем на большее расстояние сместится лампочка за время полета светового луча между полом и потолком При этом растягивается основание рассмотренного выше треугольника и увеличиваются боковые стороны.