Можно даже перегнать звук. Летчик самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, не слышит из окон шума собственных двигателей. Шум вместе со своим носителем — колеблющимся воздухом—все время остается где-то позади.
А от света не убежишь ни на шаг.
Получается так. Летит какой-то фантастически быстрый самолет. Скорость его огромна — 200 тысяч километров в секунду. Летчик посылает световые сигналы от хвоста к головной части самолета и обратно. Измерив скорость сигналов в обоих случаях, он получает одинаковый результат — 300 тысяч километров в секунду.
Навстречу мчится другой столь же стремительный самолет. Там итог опыта со световыми сигналами — тот же самый. Наконец подобный эксперимент ставят в физической лаборатории на поверхности Земли. И снова прежний результат.
Как видим, движение источника и приемника света по скорости световых сигналов установить невозможно. Эфир, в котором они, казалось бы, должны распространяться, ничем себя не проявляет.
Ведь если бы эфир существовал, он должен был бы быть неподвижен относительно и Земли и обоих летящих навстречу самолетов, а это, разумеется, нелепость.
Отсюда следует безапелляционный приговор: никакое го эфира — всепроникающего носителя световых колебаний — не существует, а распространение света не похоже на движение звуковых волн. Свет распространяется совсем особенным способом, причем скорость света в пустоте всегда одинакова, как бы ни двигался световой источник.
ИДЕИ АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНАКрах эфира послужил одной из главных причин «кризиса» физики. Перед растерявшимися учеными встала труднейшая задача: разумно, объяснить непостижимо странный способ распространения света. Начались попытки ценой самых неправдоподобных предположений спасти «эфир». Думали, что воскресить его — значит восстановить потерянную логику, сохранить понятную физическую картину мира. Но ничего из этих попыток не выходило. Становилось ясно, что эфир похоронен навсегда.
И вот тогда сказал свое первое слово Альберт Эйнштейн— будущий великий физик, а в ту пору двадцатишестилетний сотрудник Швейцарского патентного бюро в Берне.
В 1905 году в научном журнале «Аннален дер физик» появилась его статья под скромным заголовком «К электродинамике движущихся сред». В ней было положено начало так называемой специальной теории относительности. Эйнштейн, не колеблясь, оставил обветшалую идею эфира. Странности движения света он принял как экспериментальные факты и положил их в основу новой физики, обобщающей и исправляющей прежнюю.
Сокровенный смысл эйнштейновских взглядов заключался в тщательном анализе процессов измерения механических величин — длин и интервалов времени. В движущихся предметах такие измерения в принципе не могут обходиться без сигнализации. Ведь узнать длину предмета, летящего мимо наблюдателя, — значит дать сигналы с разных его концов, либо воспользоваться часами, для сверки которых опять-таки нужны сигналы. В пустоте придется применить лишь световые сигналы. А поэтому раскрыть логику механических измерений нельзя, не учтя странности распространения света. Гений Эйнштейна поставил и блестяще решил эту задачу, выявив, таким образом, удивительные особенности в самих измеряемых объектах.
Исходные положения его теории гласили:
Во-первых, скорость света в пустоте для любых тел, движущихся равномерно и прямолинейно, всегда одинакова и равна все тем же 300 тысячам километров в секунду.
Во-вторых, световая сигнализация внутри тела, движущегося равномерно и прямолинейно, не дает возможности обнаружить это движение.
Таким образом, теряется смысл самого понятия абсолютного, безотносительного к чему-либо движения. Любое движение физически реально лишь в том случае, если оно происходит относительно чего-то. И вместе с тем любое движение, если оно происходит равномерно и прямолинейно, физически вполне тождественно с покоем.
Путь к выводам теории Эйнштейна мы опустим, отсылая интересующихся к книгам и статьям, посвященным этой теме[2]. Зато сами выводы мы постараемся пояснить образами.
ХОР СВЕТИЛЕсть у Лермонтова чудесные строки:
На воздушном океане, без руля и без ветрил,
Тихо плавают в тумане хоры стройные светил...
Хоры светил! Звезды, поющие хором...
Рискуя вызвать недовольство любителей поэзии и вкладывая в слово «хор» его общепринятый смысл, попробуем выяснить, может ли быть такое...
Вопреки правдоподобию, мы допустим, что звезды и в самом деле умеют петь, что они сговорились совместно исполнить какую-то кантату или ораторию. Получится что-нибудь из их затеи? Нет, не получится, потому что -звезды не неподвижны друг относительно друга. Они с огромными скоростями мчатся в разных направлениях, И это делает звездную капеллу невозможной. Оказывается, звезды не сумеют даже начать песню вместе.
Дело здесь вот в чем. Непременное правило любого хора — одновременность ведения мелодий разными голосами. А в телах, движущихся друг относительно друга, по Эйнштейну, лишено смысла само понятие одновременности. Никакой космический дирижер не в состоянии указать звездам момент вступления в песню, не в силах держать единый ритм, ибо ни того, ни другого попросту не существует. Абсолютная, безотносительная к движению тел одновременность отсутствует в природе.
События, одновременные для одного наблюдателя, для другого, движущегося иначе, окажутся неодновременными. Пусть с Земли мы «слышим», что Сириус начал петь раньше Веги. Может случиться, что, мчась в Космосе на сверхбыстрой ракете, мы услышим, наоборот, Вегу раньше Сириуса. Одним словом, хора не получится. Возникнет лишь несусветная какофония, причем звучащая по разному для наблюдателей, которые неодинаково движутся.
Абсолютной одновременности нет и быть не может — таков первый вывод теории относительности. Какое событие произошло раньше или позже, можно определить лишь по отношению к определенному наблюдателю[3]. Одновременность становится относительной. И этот вывод повлек за собой другой — не менее парадоксальный.
РЕЗИНОВЫЕ МИНУТЫВслед за относительностью одновременности Эйнштейн ввел в науку, как следствие, отказ от абсолютного, всюду и всегда одинакового времени. Его место заняло относительное время. По Эйнштейну, в телах, движущихся по-разному, время течет неодинаково. Чем быстрее проносится мимо нас предмет, тем медленнее (с нашей точки зрения) идут часы, помещенные на этом предмете. Минуты на них растягиваются, будто резиновые.
Надо, разумеется, помнить, что этот эффект в самом движущемся предмете неуловим. Узнать о нем можно лишь «со стороны». Неодинаково движущиеся наблюдатели как бы живут каждый по своим собственным часам, а сверить их, поставить по каким-то «общим» часам невозможно. Таких «общих» часов попросту не существует. Правда, сколько-либо заметное изменение масштаба времени появляется лишь при очень быстрых относительных движениях. Но доказан этот эффект в наши дни неопровержимо — на многочисленных опытах.
Можно не сомневаться, что, на радость авторам фантастических романов, космонавты будущего, покоряя на звездолетах пространство и время, станут проводить в своих путешествиях месяцы, в то время как на Земле протекут годы и десятилетия.
Нелегко было примириться и с другим выводом теории относительности — с тем, что тело, несущееся со скоростью, близкой к скорости света, уменьшает в направлении движения свой размер.
Если можно было бы сфотографировать арбуз, пролетающий за каждую секунду 270 тысяч километров, он вышел бы в виде сплющенной лепешки. И это не обман зрения. Для неподвижного наблюдателя этот арбуз-метеор на самом деле приобретает форму блина. В этом вы убедились бы, ухитрившись, ощупать его в полете, оставаясь сами неподвижными.
Из исходных положений теории относительности, из того, что свет невозможно «догнать», вытекает и еще один вывод: скорость света — самая большая из мыслимых в природе скоростей. Движение быстрее света невозможно. А отсюда следует важное для нас заключение о связи скорости движущегося тела с его массой.
Пусть в нашем распоряжении ракетный корабль со сказочно мощным двигателем, с неистощимым запасом горючего, которое непрерывно поступает откуда-то извне. Корабль мчит нас в пустом межгалактическом пространстве. Ни одна пылинка не мешает его полету. Все время включены двигатели. Вот ракета уже разогнана до колоссальной скорости. Но по мере приближения к скорости света, которая, как мы говорили, предельна по величине, разгон делается труднее и труднее. Все большие усилия требуются для увеличения скорости корабля. Корабль как бы становится тяжелее 1 — другими словами, растет его инерция.
