На главную |
Сложившаяся ситуация позволяет (требует?) ужесточить принцип относительности Галилея и заявить, что никаким физическим экспериментом невозможно установить, которая из инерциальных систем отсчета движется, хотя пока что мы убедились в этом только для оптических экспериментов. Но, как и в случае с моделью атома Резерфорда, это приводит к логическому противоречию: из опыта Майкельсона-Морли следует, что выделенной системы отсчета нет, и, оставаясь в рамках классической физики и пользуясь обычной формулой Галилея для сложения скоростей, мы должны были бы честно сложить скорости света и Земли. Но тогда опыт Майкельсона-Морли должен был бы дать другой результат. Значит, как и в случае микромира, необходим новый постулат. Его сформулировал А.Эйнштейн: скорость света, т.е. скорость перемещения возмущения электромагнитного поля, измеренная из любой инерциальной системы отсчета, имеет одно и то же значение независимо от относительного движения систем. Принять (и воспринять) его сложнее, чем постулат Бора, поскольку восприятие движения волн (хоть и не световых) входит в повседневный опыт человека, в отличие от восприятия поведения микрочастиц. Отчасти справиться с недоумением по поводу этого странного утверждения о независимости скорости света от системы ее отсчета можно, подумав о следующей аналогии: скорость звука не меняется в зависимости от того, измерим ли мы ее с разбега или стоя неподвижно. Частота звука - да, меняется, и все слышали, как меняется тон гудка локомотива, когда он проезжает мимо. Но скорость звука, испускаемого гудящим локомотивом, измерим ли мы ее, находясь в едущем вагоне или стоя на платформе, остается той же. Этот пример не эквивалентен ситуации со светом (уже потому, что звук распространяется в среде, которой для света не нашлось), но схож с ней. Теперь для того, чтобы последовательно описывать наблюдаемые явления, приходится посягнуть на такие фундаментальные характеристики, как пространственные размеры и течение времени: следствием двух новых постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета) является то, что размеры объектов и времена процессов зависят от того, по отношению к какой системе отсчета - движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта или явления - мы их измеряем. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности. Обсудим понятие одновременности и соотношение "раньше-позже" в рамках постулата о независимости скорости света от движения системы ее отсчета. Рассмотрим поезд, двигающийся с постоянной скоростью мимо платформы. Посредине поезда стоит проводник, в голове и хвосте поезда на одинаковом расстоянии от середины находятся два фонаря. На платформе стоит проверяющий. Пусть в тот момент, когда едущий проводник находится точно против неподвижного проверяющего, оба они видят, что фонари одновременно вспыхнули. Скорость света хоть и велика, но конечна. Вопрос: что скажут проводник и проверяющий, заранее предупрежденные о независимости скорости света, о последовательности вспышек фонарей? Проводник, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что свету предстояло пройти одинаковые расстояния от неподвижных в его системе отсчета фонарей до него, скажет, что фонари поезда вспыхнули одновременно. Проверяющий, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что фонари движутся относительно него, а скорость света конечна, скажет, что, раз свет дошел до него одновременно, а испущен-то он был несколько раньше, когда задний фонарь был от проверяющего дальше, свету от заднего фонаря предстояло пройти большее расстояние. И, чтобы сигналы добрались до проверяющего одновременно, задний фонарь поезда вспыхнул раньше. Пусть теперь над поездом вдоль рельсов, опережая поезд, летит самолет, и летчик оказывается над проверяющим в тот момент, когда мимо того проезжает проводник. Летчик тоже видит одновременные вспышки, но, рассуждая таким же образом, как проверяющий, он скажет, что передний фонарь поезда вспыхнул раньше. Трое наблюдателей, находясь в одной точке в один и тот же момент времени увидели одно и то же, но дали различное заключение о происшедшем. В наблюдение, а, значит, и в измерение неизбежно входит трактовка, интерпретация, выполняемая с учетом каких-то дополнительных обстоятельств (в данном случае конечности скорости света и постулата о независимости его скорости). Опять-таки стоит вспомнить Введение, а также аргументацию Фейерабенда о языке наблюдений, упомянутую в главе 1. Есть, однако, еще один важный момент. Все эти новые труднопредставимые обстоятельства необходимо согласовать с принципом причинности. Следствие никак не может быть раньше причины. Поэтому, если вспышки самих фонарей связаны причинно-следственной связью (как выстрел и попадание пули в мишень), то приведенные рассуждения о "раньше-позже" необходимо соответствующим образом уточнить, чтобы не прийти к абсурду. Оказывается, что принцип причинности не будет нарушен, если скорость целенаправленной передачи информации от причины к следствию (скорость "полета пули") не превосходит скорости света. Тогда в любых системах отсчета причина будет предшествовать следствию. Таким образом, оказывается, что в окружающем нас постижимом мире существует предельная скорость - скорость света, и никакой материальный носитель информации не может перемещаться быстрее. Проводя дотошные рассуждения подобного рода, можно убедиться в том, что понятие одновременности будет играть важную роль и при измерении длин отрезков в различных системах отсчета. Как измерить длину отрезка в движущейся системе? Ведь линейку надо приложить к обоим его концам одновременно! В нашем примере получится, что длина вагона, которую измерит едущий в нем проводник, будет отличаться от длины этого же вагона, которую измерит с платформы проверяющий, и от длины этого вагона, которую измерит летчик самолета, причем два последних результата будут зависеть от скоростей систем отсчета относительно вагона. То есть никакой абсолютной длины предмет не имеет. Именно потому, что необходимо договориться о том, как мы будем экспериментально проверять высказанные по этому поводу мнения. Между прочим, получится, что при измерении длины предмета (вагона), движущегося мимо нас, мы получим меньшую величину, чем при измерении того же предмета, когда мы неподвижны относительно него (находимся в вагоне). Это напоминает Лоренцево сокращение, но не является им, поскольку у Лоренца речь шла о физическом изменении длин движущихся предметов, здесь же мы говорим лишь о нашей способности договориться при экспериментальной проверке. Нечто подобное происходит и при измерении промежутков времени в той или иной системе. Таким образом, такие фундаментальные в классической физике понятия, как пространство и время, выступают как предметы договоренности, как только мы собираемся экспериментально определять их количественные меры. Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой гравитационное "притяжение" тел является лишь наблюдаемым эффектом, в основе которого лежит геометрия нашего пространства, точнее единого пространства-времени. Находящиеся в нем массы искривляют его подобно тому, как прогибается двумерная упругая мембрана, если положить на нее тяжелый шарик: вталкивая в получившийся "раструб воронки" еще один шарик, мы увидим, как он скатится к первому или будет кружить вокруг него ("под действием сил гравитационного притяжения", - полагал Ньютон). Нечто подобное, согласно общей теории относительности, происходит и в случае трехмерного пространства. Предсказания этой странной теории подтвердились при измерении скорости поворота большой полуоси эллиптической орбиты Меркурия при его движении вокруг Солнца. Кроме того, из этой теории следует, что лучи света должны были бы отклоняться при прохождении мимо массивного тела вроде звезды. При соответствующих измерениях во время Солнечного затмения это было зарегистрировано. В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр, обсуждавшихся в главе 2, также следует из этой теории. (Всё это туфта, Эйнштейн - старый дурак). |