Эйнштейн расширил «галилееву относительность». Согласно его принципу относительности инвариантными относительно равномерного движения являются не только законы движения, но и вообще все законы физики. Иными словами, нельзя провести такой эксперимент (включая и эксперименты с распространением света), который показал бы вам, движетесь вы или нет.
Как мы уже знаем, гипотетической средой, через которую якобы двигалась световая волна и в которой можно было измерить движение, считался эфир. Принцип относительности Эйнштейна позволяет полностью избавиться от этой идеи,[132] показывая, что это всего лишь выдумка, тупик, в который учёные зашли по ошибке, реинкарнация «абсолютного пространства» Ньютона, возникшая в XIX веке. Свету не требуется среда для движения, потому что он представляет собой самоподдерживающуюся волну в электромагнитном поле. Так как абсолютное пространство больше не могло играть роль фона для измерения абсолютной скорости, можно говорить только о скорости относительной. Если мимо вас пролетит самолёт, его пространство в этот момент будет сжиматься, а время — замедляться. Вы можете задаться вопросом, как пилот самолёта будет в эту секунду видеть вас. Правильный ответ — точно так же, как вы видите его. Для него вы будете сжиматься в направлении своего движения и двигаться медленно, как будто вы завязли в патоке. Картина будет совершенно симметрична, потому что важно лишь относительное движение. Вы движетесь относительно пилота, а пилот — относительно вас, и при этом ваши скорости равны (хоть направления и различаются). Эйнштейн шутил на этот счёт: «Когда этот Цюрих останавливается в поезде?».
Итак, Эйнштейну понадобилось всего два принципа для создания своей революционной теории пространства и времени: принцип относительности и принцип постоянства скорости света.[133] Вооружённый этими на вид достаточно простыми идеями, он смог заполнить все недостающие пробелы.
Основы относительности
Эйнштейн начал с того, что дал определение времени. Он говорил с детской прямотой и простотой: «Время — это то, что измеряют часы».[134] Осталось лишь понять, что такое часы.
Эйнштейн представил себе самые простые из возможных часов, состоящие из источника света и плоского зеркала на определённом расстоянии от него. Одним делением на часах обозначалось время, необходимое свету, чтобы достичь зеркала, отразиться от него и снова вернуться к источнику.
Теперь вообразите, что такие часы находятся в поезде, который мчит мимо вас. Конечно, чтобы вы могли их увидеть, вам нужно рентгеновское зрение (или прозрачные стенки вагонов), но давайте абстрагируемся от деталей, ведь это всего лишь мысленный эксперимент, который поможет нам усвоить базовые понятия. Важно лишь то, что, пока свет движется к зеркалу и от него, и он, и само зеркало движутся относительно вас вместе со всем поездом. Для вас луч не направлен на зеркало строго вертикально вверх, а образует угол. Соответственно, и к источнику он возвращается под углом. С вашей точки зрения свет не перемещается вверх и вниз, а движется по сторонам равнобедренного треугольника. Ему приходится проходить большее расстояние, а значит, временной интервал, который мы замеряем с помощью этой конструкции, увеличивается. Вот почему движущиеся часы действительно идут медленнее.
С помощью аналогичных геометрических аргументов можно доказать, что с вашей точки зрения линейка, находящаяся в том же поезде, укорачивается в направлении движения.
Если вы думаете, что эти аргументы выглядят искусственными и касаются лишь абстрактных часов и линеек, вспомните, что все атомы, из которых состоит ваше тело, тоже действуют подобным образом. Логика Эйнштейна применима и здесь, и с ней абсолютно невозможно бороться. Все часы (а их работу как раз и проверяют с помощью отражения светового луча) в конечном итоге сводятся к простой конструкции, которую мы только что описали.[135]
Время замедляется, а пространство сжимается везде в зависимости от вашего относительного движения. Ваше время и время другого человека различны,[136] равно как и ваше пространство и пространство других людей. Измерения пространства и времени связаны со скоростью сигнала, то есть световой скоростью. А это значит, что его постоянство имеет огромное значение для нашей реальности.
132
Существование эфира было эмпирически опровергнуто американскими физиками Альбертом Михельсоном и Эдвардом Морли. В 1888 году они измерили скорость светового луча, двигавшегося в том же направлении, что и Земля вокруг Солнца. Через шесть месяцев, когда Земля начала двигаться в противоположном направлении, они повторили измерение. Как лодка, плывущая по ветру и против него, имеет разную скорость, так и свет, по их мнению, должен был замедлиться, столкнувшись с эфиром. К их изумлению, результаты оказались одинаковыми, а скорость света — неизменной. В 1907 году Михельсон получил за эту работу Нобелевскую премию по физике.
133
Если скорость света не зависит от скорости его источника, то согласно принципу относительности она также не зависит и от скорости наблюдателя.
134
Американский физик Джон Уилер говорил: «Время — это то, благодаря чему все события не происходят одновременно».
135
Если поезд движется со скоростью
136
Что мы имеем в виду, когда говорим, что какое-то событие произошло в определённое время, например, кто-то зажёг спичку в 11 утра? Эйнштейн понял, что это означает одновременность двух событий: стрелки часов указали на 11, а спичка загорелась. Но представьте себе, что кто-то пытается зажечь спичку в вагоне поезда, движущегося с запада на восток. Человек в крайнем западном конце вагона увидит огонь раньше, чем в восточном, потому что за то время, пока свет долетит до него, поезд продвинется вперёд, сократив расстояние, которое свету необходимо покрыть. Так как возможность признавать одновременность явлений — это, по Эйнштейну, основание для учёта времени, неспособность сделать это означает, что универсального времени для всех не существует.