Леонард Млодинов - Кратчайшая история времени Страница 5

Чтобы нагляднее продемонстрировать это, представьте себе человека в несущемся поезде, играющего с мячиком для пинг-понга, ударяя по нему ракеткой в одном и том же месте дважды в секунду. Для этого человека пространственное расстояние между первым и вторым отскоками будет равно нулю. А для наблюдателя, стоящего рядом с железнодорожной колеей, расстояние между двумя отскоками составит около 40 метров, потому что именно это расстояние поезд пройдет за соответствующее время. Согласно Ньютону, оба наблюдателя с одинаковым основанием вправе считать себя находящимся в состоянии покоя, и поэтому обе точки зрения одинаково приемлемы. В отличие от того, что считал Аристотель, ни одна из точек зрения и ни один из двух из наблюдателей не имеет преимущества перед другим. Наблюдаемые положения событий и расстояние между ними будут разными для человека, едущего в поезде, и наблюдателя, стоящего рядом с железнодорожными путями, и при этом нет никаких оснований предпочесть наблюдение одного наблюдению другого.

Ньютона очень беспокоило такое отсутствие абсолютного положения или, как он это называл, абсолютного пространства, потому что это противоречило его представлению об абсолютном Боге. Ньютон отказывался признавать отсутствие абсолютного пространства, несмотря на то, что оно вытекало из сформулированных им законов. Многие его серьезно критиковали за иррациональную веру, и, пожалуй, самым суровым его критиком был епископ Беркли – философ, считавший все материальные объекты и само пространство и время всего лишь иллюзией. Услышав от знаменитого доктора Джонса о взглядах Беркли, Ньютон закричал: «Я отвергаю это!» – и пнул большой камень.

Относительность расстояний. Расстояние и пройденный объектом путь могут отличаться для разных наблюдателей

Аристотель и Ньютон верили в существование абсолютного времени. То есть они считали, что можно однозначным образом измерить промежуток времени между двумя событиями и что этот промежуток будет одним и тем же независимо от того, кто его измеряет, при условии, что это делается при помощи хороших часов. В отличие от абсолютного пространства существование абсолютного времени не противоречило законам Ньютона. Большинство людей считают это само собой разумеющимся, но в XX веке физики осознали необходимость изменения своих представлений о времени и пространстве. И как мы увидим, они обнаружили, что промежуток времени между двумя событиями, так же как расстояние между точками отскока мячика для пинг-понга, зависит от наблюдателя. Кроме того, оказалось, что время не является чем-то совершенно отдельным от пространства. Это осознание пришло через новое понимание свойств света, которые на первый взгляд кажутся противоречащими нашему повседневному опыту. И хотя наши обычные представления прекрасно работают в случае таких сравнительно медленных объектов, как яблоки и планеты, они оказывается совершенно неприменимыми к объектам, которые движутся со скоростью, близкой или равной скорости света.

Глава 5. Относительность

Датский астроном Оле Кристенсен Ремер в 1676 году первым установил, что свет движется с очень большой скоростью. При наблюдении с Земли спутники Юпитера время от времени исчезают из поля зрения, поскольку оказываются за планетой-гигантом. Эти затмения спутников Юпитера должны бы происходить через одинаковые интервалы времени, но Ремер обнаружил, что интервалы времени между затмениями слегка различаются. Неужели спутники каким-то образом ускоряются и замедляются в своем орбитальном движении? Ремер предложил другое объяснение: если бы свет распространялся с бесконечно большой скоростью, то мы на Земле должны были наблюдать затмения через одинаковые интервалы времени с регулярностью космических часов. Потому что если свет проходит любое расстояние за одно мгновение, то от того, что Юпитер в разное время оказывается дальше или ближе от нас, ничего не меняется.

Скорость света и время наблюдения затмений. Наблюдаемые моменты затмений спутников Юпитера зависят как от собственно времени затмения, так и от времени, которое свет затрачивает на преодоление расстояния от Юпитера до Земли. Из-за этого затмения наблюдаются чаще, когда Юпитер движется в сторону Земли, и реже, когда Юпитер движется от Земли. Для большей наглядности на рисунке этот эффект преувеличен

А теперь представим себе, что свет распространяется с конечной скоростью. В этом случае мы наблюдаем каждое затмение через некоторое время после того, как оно, собственно, происходит, и задержка эта зависит от скорости света и расстояния между Юпитером и Землей. Если бы расстояние от Юпитера до Земли оставалось неизменным, то эта задержка была бы одинаковой для всех затмений. Но в какие-то периоды времени Юпитер приближается к Земле, и тогда расстояние, которое проходит сигнал от затмения, уменьшается с каждым очередным затмением и сигналы приходят раньше, чем если бы Юпитер оставался на одном и том же расстоянии от Земли. По такой же причине в периоды времени, когда Юпитер удаляется от Земли, каждое очередное затмение наблюдается с большим запаздыванием, чем предыдущее. Степень этого опережения или запаздывания зависит от скорости света, и поэтому, зная величину запаздывания или опережения можно эту скорость вычислить. Именно так поступил Ремер. Он заметил, что затмения одного из спутников Юпитера наблюдались раньше, чем положено в те периоды, когда Земля приближалась к орбите Юпитера, и наоборот, позже, чем положено в то время, когда Земля удалялась от Юпитера. Измерив это различие моментов наблюдения затмений, Ремер вычислил скорость света. Правда, рассчитанные им изменения расстояния от Земли до Юпитера были не очень точными, и поэтому оценка скорости света оказалась равной около 220 тысяч километров в секунду, что отличается от современного значения в 300 000 километров в секунду. И тем не менее результат Ремера, которому удалось не только доказать конечность скорости света, но измерить ее, был замечательным достижением, особенно учитывая, что получен он был за 11 лет до выхода в свет «Математических начал» Ньютона.

Полноценная теория распространения света была создана только в 1865 году, когда британский физик Джеймс Кларк Максвелл смог объединить частные теории электрических и магнитных сил. Хотя электричество и магнетизм были известны в древности, количественные законы, определяющие силу электрического взаимодействия двух заряженных тел, были получены лишь в XVIII столетии британским химиком Генри Кавендишем и французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном. Спустя несколько десятилетий, в начале XIX века, физики установили аналогичные законы для магнитных сил. Максвелл математически доказал, что электрические и магнитные силы не являются следствием непосредственного взаимодействия частиц друг с другом, а электрические заряды и токи порождают в окружающем пространстве поля, которые уже в свою очередь воздействуют на расположенные в этой области другие заряженные частицы и токи. Он установил, что носителем электрических и магнитных сил является единое поле и таким образом электричество и магнетизм являются двумя неотъемлемыми проявлениями одной и той же силы. Максвелл назвал эту силу в электромагнитной, а поле, которое является носителем этой силы, – электромагнитным полем.

Длина волны. Длина волны – это расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами

Из уравнений Максвелла следовала возможность существования волнообразных возмущений электромагнитного поля, а также то, что эти возмущения должны распространяться с постоянной скоростью, подобно волнам на поверхности пруда. Вычислив эту скорость, он обнаружил, что она в точности равна скорости света! Сегодня мы знаем, что человеческий глаз воспринимает волны Максвелла с длинами в интервале от 40 до 80 миллионных долей сантиметра как свет. (Волна представляет собой последовательность гребней и впадин, а длина волны – это расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами.) Волны, длина которых короче длины волны видимого света, известны как ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-излучение. Волны с длиной, превышающей длину волны видимого света, называются радиоволнами (если длина больше одного метра), СВЧ-волнами (около одного сантиметра) или инфракрасным излучением (если длина волны меньше одного миллиметра, но больше длины волны видимого света).

Разные скорости мячика для пинг-понга. Согласно теории относительности измеряемые разными наблюдателями скорости в равной степени «правильны», несмотря на то, что отличаются друг от друга

Из теории Максвелла следовало, что радиоволны и волны видимого света должны распространяться с определенной фиксированной скоростью. Этот результат было трудно примирить с теорией Ньютона, согласно которой в мире нет никакой стандартной системы отсчета и поэтому не может быть никакой стандартной скорости. Чтобы понять, почему это так, давайте еще раз мысленно сыграем в настольный теннис в движущемся поезде. Если ударить по мячику, посылая его в направлении движения поезда со скоростью, которая согласно измерениям вашего соперника равна 10 километрам в час, то естественно ожидать, что для наблюдателя на платформе мячик движется со скоростью 100 километров в час, которая складывается из скорости мячика относительно поезда – 10 километров в час – и скорости движения поезда относительно платформы – 90 километров в час. Какова же тогда скорость движения мячика – 10 или 100 километров в час? Как вообще следует ее измерять – относительно поезда или относительно Земли? В отсутствие абсолютного стандарта покоя мячику невозможно приписать какую бы то ни было абсолютную скорость. Про один и тот же мячик можно сказать, что он имеет произвольную скорость, величина которой зависит от системы отсчета, в которой она измеряется. Согласно теории Ньютона то же самое должно быть справедливо и в отношении света. И как же тогда понимать вывод теории Максвелла, согласно которой световые волны всегда распространяются с одной и той же скоростью?