Когда Эйнштейну было 16 лет, он заметил в своих рассуждениях изъян. Позднее он вспоминал:
…После десяти лет размышлений над парадоксом, на который я обратил внимание еще в шестнадцать, я пришел к мысли: если гнаться за лучом света со скоростью с (скоростью света в вакууме), то можно видеть этот луч света как пространственное колебательное электромагнитное поле в состоянии покоя. Однако подобное явление не подтверждается ни опытом, ни уравнениями Максвелла{30}.
Во время учебы в Политехникуме Эйнштейн утвердился в своих подозрениях. Он узнал, что свет можно описать посредством электрических и магнитных полей Фарадея и что эти поля подчиняются законам поля, сформулированным Джеймсом Клерком Максвеллом. Как и догадывался Эйнштейн, выяснилось, что существование стационарных застывших волн не допускается максвелловыми уравнениями поля. По сути дела, Эйнштейн доказал, что луч света перемещается с одной и той же скоростью с, как бы старательно мы ни пытались догнать его.
Поначалу это предположение выглядело абсурдно. Оно означало, что нам никогда не обогнать этот поезд (луч света). Хуже того, как бы мы ни гнали свой автомобиль, поезд всегда будет опережать нас, двигаясь при этом с одной и той же скоростью. Иными словами, луч света подобен «кораблю-призраку» из тех, о которых рассказывают бесконечные легенды старые моряки. Поймать это призрачное судно невозможно. Как бы стремительно мы ни плыли, корабль-призрак неизменно ускользает, поддразнивая и маня нас.
В 1905 г., продолжая работать в патентном бюро и располагая временем, Эйнштейн тщательно проанализировал максвелловы уравнения поля и на основании этого анализа сформулировал один из принципов специальной теории относительности: скорость света одинакова во всех системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Этот на первый взгляд ничем не примечательный постулат – одно из величайших достижений человеческой мысли. Его ставят наравне с законом всемирного тяготения Ньютона как одно из величайших научных творений человеческого разума за те два миллиона лет, на протяжении которых наш вид эволюционирует на Земле. Из этого постулата логически выводится разгадка тайны колоссальных выбросов энергии звездами и галактиками.
Для того чтобы понять, как такое простое утверждение может привести к столь масштабным выводам, вернемся к нашему примеру, в котором автомобиль пытается обогнать поезд. Предположим, некий пешеход на боковой дорожке засекает время и определяет, что автомобиль движется со скоростью 99 миль в час (около 160 км/ч), а поезд – со скоростью 100 миль в час (около 161 км/ч). Естественно, находясь в автомобиле, мы видим, что поезд обгоняет нас каждый час на 1 милю (1,6 км). Это происходит потому, что скорости могут складываться и вычитаться как обычные числа.
Теперь заменим поезд лучом света, но примем скорость света равной тем же 100 милям в час. Пешеход все так же определит, что наш автомобиль движется со скоростью 99 миль в час, упорно преследуя световой луч, распространяющийся со скоростью 100 миль в час. По представлениям пешехода, мы почти нагоняем световой луч. Но согласно теории относительности мы, сидя в машине, видим, что луч света опережает нас не со скоростью 1 миля в час, как следовало ожидать, а мчится впереди со скоростью, опережающей нашу на 100 миль в час. Поразительно, но мы видим луч света, обгоняющий нас, так, словно сами находимся в состоянии покоя. Не веря своим глазам, мы вдавливаем педаль газа в пол до тех пор, пока пешеход не замечает, что наш автомобиль несется со скоростью 99,99999 миль в час. Мы, конечно, убеждены, что уж теперь-то наверняка обогнали луч света. Но выглянув в окно, мы видим, что луч света все так же опережает нас со скоростью 100 миль в час.
В замешательстве мы приходим к нескольким странным и тревожным выводам. Во-первых, как бы мы ни нажимали на педаль газа, по утверждению пешехода, мы можем лишь приблизиться к скорости 100 миль в час, но не превзойти ее. По-видимому, эта скорость предельная для автомобиля. Во-вторых, как бы мы ни приблизились к этим 100 милям в час, мы все равно видим, что луч света опережает нас со скоростью 100 миль в час, как будто мы вообще не движемся.
Но это же абсурд! Как могут люди в мчащемся автомобиле и неподвижно стоящий человек получить одинаковые результаты, измеряя скорость луча света? Так не бывает. По-видимому, это некая удивительная шутка природы.
Есть лишь один способ выпутаться из этого парадокса. При этом мы неизбежно придем к поразительному выводу, который поначалу потряс Эйнштейна до глубины души. Единственная разгадка этой головоломки заключается в том, что для нас, находящихся в автомобиле, время замедляется. Если пешеход возьмет телескоп и направит его на нашу машину, то заметит, что все внутри нее движутся чрезвычайно медленно. Но мы, находясь в машине, не замечаем, что время замедлилось, потому что наш мозг приспособился к этому замедлению, следовательно, происходящее представляется нам совершенно обычным. Более того, пешеход заметит, что наш автомобиль сплющился в направлении движения и сложился гармошкой. Но мы не чувствуем этого эффекта, ведь наши тела тоже сжались.
Пространство и время играют с нами шутку. В ходе экспериментов ученые доказали, что скорость света всегда равна с, как бы стремительно мы ни передвигались. Это происходит по следующей причине: чем быстрее мы перемещаемся, тем медленнее тикают наши часы и тем короче становятся наши линейки. В сущности, наши часы замедляют бег, а наши линейки сжимаются ровно настолько, чтобы при любом измерении скорости света она оказывалась одинаковой.
Но почему мы не видим этого эффекта и не чувствуем его? Когда с приближением к скорости света наш мозг работает медленнее, а тело становится тоньше, мы, к счастью, не осознаем, что превращаемся в лепешки-тугодумы.
Разумеется, эти релятивистские эффекты слишком незначительны, чтобы замечать их в повседневной жизни, – причина в том, что скорость света слишком велика. Но мне, жителю Нью-Йорка, об удивительных искажениях пространства и времени напоминает каждая поездка в метро. Когда я стою на платформе, где заняться решительно нечем, кроме как ждать следующего поезда, я порой даю волю воображению и гадаю, что было бы, если бы скорость света составляла, допустим, всего 30 миль в час (около 48 км/ч), т. е. равнялась бы скорости движения поезда подземки. Тогда поезд, въезжающий на станцию, выглядел бы сжатой гармошкой. Мне представляется, что этот поезд превратился бы в сплющенный металлический брус высотой 1 фут (30 см), несущийся по рельсам. Внутри вагонов такого поезда все пассажиры были бы тонкими, как бумага. Кроме того, они в буквальном смысле слова застыли бы во времени, как неподвижные изваяния. Но поезд, остановившись со скрежетом, вдруг начал бы растягиваться, пока не заполнил бы всю станцию.
Какими бы нелепыми ни казались со стороны эти искажения, пассажиры в вагонах поезда не заметили бы никаких перемен. Их тела и само пространство сжались бы в направлении движения поезда; все вокруг имело бы привычный вид. Более того, работа мозга замедлилась бы, поэтому все в поезде действовали бы как обычно. А когда поезд остановился бы у платформы, пассажиры так и не узнали бы, что кому-то, стоящему на этой платформе, предстало удивительное увеличение и растяжение поезда, пока он не занял всю платформу. Пассажиры вышли бы из этого поезда, совершенно не подозревая о глубоких изменениях, которых потребовала специальная теория относительности[8].
Четвертое измерение и встречи выпускников
Разумеется, теория Эйнштейна уже не раз была представлена в популярных изложениях, авторы которых делали акценты на разных аспектах теории. Но лишь некоторые из них уловили сущность специальной теории относительности: время – это четвертое измерение, а законы природы в высших измерениях упрощаются и унифицируются. Введение времени в качестве четвертого измерения опрокинуло концепцию времени, восходящую к эпохе Аристотеля. Специальная теория относительности навсегда образовала между пространством и временем диалектическую взаимосвязь. (Цёлльнер и Хинтон полагали, что следующее открытое измерение будет четвертым пространственным. В этом они ошиблись, а Герберт Уэллс оказался прав. Следующим открытым измерением стало время – четвертое временное измерение. Прогресс в представлениях о четвертом пространственном измерении был достигнут лишь через несколько десятилетий.)
Для того чтобы понять, каким образом в высших измерениях упрощаются законы природы, вспомним, что каждый предмет имеет длину, ширину и высоту. Поскольку у нас есть возможность повернуть этот предмет на 90º, мы можем превратить его длину в ширину, а ширину – в высоту. Путем простого поворота мы можем менять местами три пространственных измерения. Далее, если время – четвертое измерение, значит, возможны и «повороты», превращающие пространство во время, и наоборот. Эти четырехмерные «повороты» – именно те искажения пространства и времени, которых требует специальная теория относительности. Иначе говоря, пространство и время неразрывно связаны и подчиняются теории относительности. Значение времени как четвертого измерения в том, что время и пространство можно поворачивать друг относительно друга математически точным образом. Отныне их следует рассматривать как два аспекта одного и того же целого – пространства-времени, или пространственно-временного континуума. Таким образом, добавление нового измерения помогло объединить законы природы.
