Теория относительности установила, что понятия «сейчас», «раньше» и «позже» имеют простой смысл только для событий, происходящих недалеко друг от друга. Для событии, происходящих на больших расстояниях, понятие «раньше» и «позже» однозначны лишь в случае, когда сигнал, идущий со скоростью света, успел дойти от одного события до места, где произошло второе событие. Если же сигнал не успел дойти, то соотношение «раньше» — «позже» неоднозначно и зависит от состояния движения наблюдателя. То, что «раньше» для одного наблюдателя, может быть «позже» для другого, движущегося относительно первого. Такие события не могут быть причинно связанными, не могут влиять друг на друга. В противном случае событие, которое было причиной для другого события (а значит, произошло раньше его), с точки зрения некоторого наблюдателя оказалось бы произошедшим позже своего следствия.
Подобные свойства времени теснейшим образом связаны с тем, что скорость света в пустоте всегда постоянна, не зависит от движения наблюдателя, и эта скорость предельно большая. Ничто в природе не может двигаться быстрее.
Ну и, наконец, упомянем еще об одном выводе теории относительности.
Быстро движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения, оставаясь неизменными в поперечнике. Это сокращение совершенно незаметно при медленных движениях и велико при скоростях, приближающихся к световым.
Вот так кардинально меняет наши представления о пространстве и времени теория относительности.
Здесь, наверное, невольно возникает вопрос: «А что будет чувствовать космонавт на очень быстро летящей ракете? Как он отнесется к тем изменениям в течение времени и длине тел, которые фиксирует внешний наблюдатель?»
Ответ очевиден: космонавт ничего не заметит! В самом деле, ведь с точки зрения внешнего наблюдателя одинаково замедлились и биение пульса космонавта, и тикание его часов, и все другие процессы. Значит, процессы биения пульса и тикания часов относительно друг друга текут в прежнем темпе. Скажем, за секунду по часам его сердце по-прежнему делает один удар. В потоке его времени (называемого «собственным» временем) все по-прежнему течет, как и при покоящейся ракете. Только этот поток собственного времени изменил свой темп по отношению к внешнему наблюдателю. Оказалось, что «река времени» не везде течет с неизменной скоростью.
Не заметит космонавт и сокращение продольного размера своей летящей ракеты. Действительно, любой метр, которым он захочет измерить длину, также сократится, и этих сокращенных метров уложится вдоль сокращенной ракеты столько же, сколько было до разгона ракеты.
Итак, космонавт ничего не обнаружил! Он никак не будет чувствовать своей скорости. Такой вывод, конечно, полностью согласуется с первым постулатом теории относительности о том, что внутри быстролетящей ракеты с постоянной скоростью все протекает так же, как в покоящейся.
Так как равномерное движение относительно и никакого абсолютного движения нет, то космонавт с полным правом может считать себя покоящимся, а наблюдателя на Земле летящим в противоположную сторону. И космонавт будет считать, что на Земле время течет медленнее, чем на его ракете. «Но как же так? — восклицает читатель, впервые знакомящийся с относительностью времени или основательно подзабывший, что по этому поводу говорилось в школе. — Земной наблюдатель говорит, что время течет медленнее у космонавта, а космонавт считает — наоборот. А что же на самом деле? Допустим, что время может замедляться, ладно, хотя это и трудно представить. Так, где все же оно замедлилось — у космонавта или у земного наблюдателя? Или, как говорится в знаменитой книжке А. Мили «Винни Пух и все-все-все»: «Хвост или есть, или его нет. По-моему, тут нельзя ошибиться». Должен же быть однозначный ответ на этот вопрос!»
Нет, не должен, как это ни странно звучит. Впрочем, понять это не так сложно. Для сравнения вспомним рассуждения Г. Галилея о падении тел в каюте движущегося корабля. Для человека в каюте тело, выпущенное из рук, падает по прямой к его ногам. Для внешнего наблюдателя падающее тело перемещается вместе с кораблем, и его траектория — парабола. Можно спросить: «А на самом деле тело движется по прямой или по параболе?» Очевидно, вопрос о том, какова форма траектории «на самом деле», бессмыслен. Траектория тела зависит от того, по отношению к чему она определяется. Для человека в каюте она «на самом деле» прямая, для внешнего наблюдателя она «на самом деле» парабола. И никакого противоречия здесь нет.
Точно так же и в случае замедления времени. Для человека на земле время у космонавта «на самом деле» течет медленнее. Для космонавта, наоборот, «на самом деле» медленнее проходят все события на Земле. И никакого противоречия здесь точно так же нет. Это и есть теория относительности.
Конечно, «переварить» все это нелегко. Но теория Эйнштейна является неизбежным следствием опытных фактов. В таких случаях полезно вспомнить высказывание Шерлока Холмса: «Когда вы отбросите все невозможное, то, что останется, пусть самое невероятное, и будет правдой» (Конан Дойл «Знак Четырех»).
Те из читателей, кто испытывает трудность в усвоении до полной ясности сказанного, пусть не огорчаются. После открытия А. Эйнштейна многие даже очень крупные ученые далеко не сразу усвоили его теорию, А ученые «средние» и тем более люди далекие от физики и подавно с огромным трудом воспринимали идеи, буквально перевернувшие привычные представления. Многие пытались найти в теории ошибки и противоречия.
Такие попытки продолжались десятилетия. Так, четверть века спустя после создания теории в 1931 году в Лейпциге вышла книга «Сто авторов против Эйнштейна». В этой книге сто экспертов полностью отрицали теорию относительности и ее выводы. Говорят, что, узнав про книгу, А. Эйнштейн, улыбаясь и как всегда флегматично в таких случаях, проронил: «Если бы я был не прав, хватило бы и одного возражающего специалиста».
Конечно, никаких противоречий в выводах А. Эйнштейна нет. Для серьезных ученых все сомнения и возражения против теории относительности давно стали достоянием истории. Сама теория лежит в основании всей современной физики. Ее используют при создании гигантских ускорителей элементарных частиц, на ее основе создаются атомные электростанции, она испытана и такими страшными опытами, как взрывы ядерного оружия.
Надо сказать, что современные школьники и студенты обычно без особого труда усваивают теорию Эйнштейна, делая это гораздо легче, чем специалисты начала века или даже люди моего поколения, родившиеся ближе к середине нашего столетия. Причина здесь ясна — к началу нового, XXI века изменился сам стиль научного мышления.
Я уже говорил, что в эпохи, когда в науке зреют новые важные идеи, обычно разные ученые с разных точек зрения близко подходят к формулировке открываемых — закономерностей, выясняют их отдельные свойства. Но обычно кто-то один гениальный дает окончательную формулировку нового. Так было и с созданием теории относительности. Отдельные формулы ее математического аппарата писались в конце 80-х годов прошлого столетия. Близко к формулировке теории подошли нидерландский физик X. Лоренц и французский ученый А. Пуанкаре. Но только А. Эйнштейн сделал самый трудный и решительный шаг, изменив представления о пространстве и времени. X. Лоренц, вспоминая в 1912 году о своих попытках еще до 1905 года (года опубликования работы Эйнштейна) разрешить противоречия, следующие из данных экспериментов, писал: «Можно заметить, что в этой статье (опубликованной в 1904 г. — И. Н.) мне не удалось в полной мере получить формулы преобразования теории относительности Эйнштейна… С этим обстоятельством связана беспомощность некоторых дальнейших рассуждений в этой работе.
Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего, строго и точно действующего закона».
Приведем еще высказывание известного американского физика-экспериментатора Р. Милликена, весьма ясно показывающее, почему открытие было сделано А. Эйнштейном: «Именно здесь проявилась характерная для Эйнштейна смелость подхода, ибо отличительной чертой современного научного мышления является тот факт, что оно начинает с отбрасывания всех априорных представлений о природе реальности (или о законченной картине строения Вселенной), характерных практически для всей греческой философии, а также для всего средневекового мышления; вместо этого современное научное мышление берет в качестве отправного пункта прочно установленные, тщательно проверенные экспериментальные факты».
