Книга Почему Е=mc?? И почему это должно нас волновать - Джефф Форшоу

3. Специальная теория относительности

В главе 1 нам удалось установить, что интуитивное представление Аристотеля о пространстве и времени перегружено устаревшими понятиями. Другими словами, мы показали, что нет необходимости рассматривать пространство как фиксированную, неизменную и абсолютную структуру, в которой находятся разные объекты и происходят разные события. Мы также увидели, как Галилей понял неуместность понятия абсолютного пространства, при этом твердо поддерживая идею универсального времени. В предыдущей главе мы немного отклонились от основной темы, переместившись в XIX столетие, чтобы познакомиться с физиками Фарадеем и Максвеллом и узнать, что свет – не что иное, как симбиоз электрического и магнитного полей, движущихся вперед в идеальном соответствии с красивыми уравнениями Максвелла. Где нам предстоит расстаться с накопленным багажом? И если мы отвергаем идею абсолютного пространства, то чем должны ее заменить? И что означает упоминание о возможном отказе от понятия абсолютного времени? Цель этой главы – дать ответы на эти вопросы.

Вне всяких сомнений, Альберт Эйнштейн – знаковая фигура современной науки. Его растрепанные седые волосы и небрежные манеры соответствуют современному представлению о профессорах: попросите ребенка нарисовать ученого, и получите изображение, напоминающее Эйнштейна в старости. Однако идеи, изложенные в этой книге, – это идеи молодого человека. На рубеже XX столетия, когда Эйнштейн размышлял о природе пространства и времени, ему было немногим больше 20 лет, он имел молодую жену и ребенка. У него не было ни академического звания, ни работы в каком-либо университете или исследовательской лаборатории, хотя он регулярно, часто допоздна, обсуждал физические вопросы с небольшой группой друзей. Печальным следствием очевидной изолированности Эйнштейна от официальной науки стало стремление рассматривать его как индивидуалиста, который выиграл с ней схватку. Мы считаем это следствие печальным, потому что оно вдохновляет немало безумцев, которые полагают, что в одиночку открыли новую теорию Вселенной, и не могут понять, почему никто к ним не прислушивается. На самом деле Эйнштейн был достаточно тесно связан с научными учреждениями, хотя его академическая карьера действительно начиналась непросто.

Что в нем поражает, так это упорство в изучении важных научных проблем того времени, притом что он оставался незамеченным в университетских и академических кругах. После окончания Швейцарского Федерального технологического института (ETH) в Цюрихе в возрасте 21 года Эйнштейн получил диплом преподавателя математики и физики и занимал ряд временных преподавательских должностей, что позволило ему выкроить время для работы над докторской диссертацией. В 1901 году, в период работы в частной школе в Шлаффхаузене в Северной Швейцарии, Эйнштейн подал диссертацию в Цюрихский университет, но она была отклонена. После этой неудачи он переехал в Берн и начал карьеру в качестве технического эксперта третьего класса в швейцарском патентном бюро. Относительная финансовая стабильность и свобода, которые давала эта должность, сделали эти годы его жизни наиболее продуктивными в научном плане, а возможно, и наиболее продуктивными в жизни ученого за всю историю.

Большая часть этой книги посвящена работе Эйнштейна, которая привела его к золотому 1905 году, когда он впервые написал уравнение E = mc², наконец получил докторскую степень и завершил работу по фотоэффекту, за которую впоследствии был награжден Нобелевской премией. Поразительно, что в 1906 году, когда его труды навсегда изменили наше представление о Вселенной, Эйнштейн все еще работал в патентном бюро и даже был повышен до технического эксперта второго класса. Свою «надлежащую» академическую должность в Берне он получил только в 1908-м. Хотя может возникнуть соблазн задаться вопросом, каких высот Эйнштейн мог бы достичь, если бы в течение этих лет не был вынужден заниматься физикой только в свободное время, сам он всегда вспоминал жизнь в Берне с нежностью. В своей книге The Science and the Life of Albert Einstein[11] друг и биограф Эйнштейна Абрахам Пайс описывает период его работы в патентном бюро как дни, «когда он был ближе всего к раю на земле», потому что у него было время размышлять о физике.

На пути к формуле E = mc² Эйнштейна вдохновляла красота уравнений Максвелла, которые произвели на него такое впечатление, что он всерьез воспринял прогноз о постоянстве скорости света. С научной точки зрения это не такой уж спорный шаг: уравнения Максвелла основывались на прочном фундаменте экспериментов Фарадея, поэтому как можно было спорить со следствиями, которые из них вытекают? Все, что стоит на нашем пути, – это лишь предубеждение против того, что что-то может двигаться с одной и той же скоростью, независимо от того, насколько быстро мы за ним гонимся. Представьте, что вы едете по дороге со скоростью 80 километров в час, а проезжающий мимо вас автомобиль мчится со скоростью 100 километров в час. Кажется очевидным, что вы видите, как второй автомобиль удаляется от вас со скоростью 20 километров в час. Но думать об этом как об очевидном – всего лишь предубеждение, которому мы должны противостоять, если намерены последовать за Эйнштейном и признать, что свет всегда удаляется от нас с одной и той же скоростью, независимо от того, насколько быстро мы двигаемся. Давайте пока что считать, подобно Эйнштейну, что наш здравый смысл может ввести нас в заблуждение, и посмотрим, к чему это нас приведет.

В основе специальной теории относительности Эйнштейна лежат два предположения, которые на языке физики называются аксиомами. Аксиома – это утверждение, которое считается истинным без доказательства. Имея набор аксиом, мы можем получить из них следствия для реального мира, которые можно затем проверить с помощью экспериментов. Первая часть этого метода очень стара и восходит к Древней Греции. Наиболее тщательно она разработана в «Началах» Эвклида[12], где он изложил свою систему геометрических понятий, которая преподается в школах по сей день. Эвклид построил свою геометрию на основе пяти аксиом, которые принял как самоочевидные истины. Как мы увидим позже, на самом деле геометрия Эвклида – лишь одна из многих возможных геометрий, а именно геометрия плоского пространства, такого как поверхность стола. Геометрия поверхности Земли не является эвклидовой и определяется другим набором аксиом. Еще один пример (как мы скоро узнаем, еще более важный для нас) – геометрия пространства и времени. Вторая же часть, проверка следствий на практике, древними греками не использовалась (а ведь если бы они это делали, современный мир мог бы быть совершенно иным). Этот, казалось бы, простой и естественный шаг был введен в науку исламскими учеными в XI столетии и распространился в Европе намного позже, в XVI–XVII веках. С появлением эксперимента в качестве якоря наука наконец получила быстрое развитие, что повлекло за собой технический прогресс и процветание.