Этот принцип уже применялся в классической механике Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном. Два наблюдателя, равномерно и прямолинейно движущиеся относительно друг друга, не могут определить, кто из них «главный», они равноправны.

Тогда любое событие можно описать как в одной системе отсчета, так и в другой. Нужно только «перевести» движение из одной системы координат в другую. И для этого существует правило преобразования, разработанное Галилеем. Оно работает для всех инерциальных систем классической механики – это системы отсчета, которые находятся в состоянии покоя или движутся равномерно и прямолинейно.

Поезда, стоящие на подъездных путях или проезжающие мимо друг друга с постоянной скоростью, являются примерами таких инерциальных систем. Если мы будем проводить в них физические эксперименты, то придем к тем же результатам и выведем из них те же законы природы.

Правила преобразования координат имеют большое значение. Ведь законы природы не зависят от того, где находится ученый. Поэтому Ньютон ввел понятия абсолютного времени и пространства в качестве основы физики: относительно них движение можно было описать повсюду во Вселенной и с точки зрения всех наблюдателей, независимо от их собственной скорости.

Таким образом и тот, кто, задыхаясь, бежит стометровку, и тот, кто предпочитает целый день неподвижно лежать на пляже, с точки зрения физики абсолютно равноправны.

Согласно Ньютону, время абсолютно и ни от чего не зависит. Время и пространство – это неподвижная мировая сцена, на которой разыгрывается действие. А значит, абсолютна и одновременность событий. Она не зависит ни от систем отсчета, ни от положения наблюдателя. И именно эти предположения опровергла специальная теория относительности. Второй и очень важной для Эйнштейна проблемой была несовместимость законов классической механики с теорией электромагнитных полей. Центром этой теории являются уравнения электродинамики Максвелла. Джеймс Клерк Максвелл[10] сформулировал их в Лондоне в 1864 году, и это было нечто «самое глубокое и плодотворное, что физика открыла со времен Ньютона», как сказал Эйнштейн в 1931 году на праздновании 100-летия со дня рождения Максвелла.

Но описания физических процессов с точки зрения различных наблюдателей, которые равномерно и прямолинейно движутся друг относительно друга, не совпадают и в классической механике, и в теории электромагнитных полей!

Для уравнений Максвелла применяется другое преобразование, чем для механики, – преобразование Лоренца, названное в честь Хендрика Антона Лоренца[11].

То, что для систем координат необходимо использовать два разных правила преобразования, можно было бы сравнить с раздвоением личности. Одно и то же событие пришлось бы описывать разными способами, хотя мир все же кажется единым целым, тем более что электромагнитные явления могут воздействовать и на механические, и наоборот. Это фундаментальное противоречие между двумя хорошо подтвержденными экспериментально физическими теориями Эйнштейн считал «невыносимым». Оно стало отправной точкой его революционных идей. Он не хотел соглашаться с тем, что природе понадобились два разных правила для систем координат: преобразования Галилея и преобразования Лоренца.

Хотя эта абстрактная проблема может показаться надуманной и скучной, она буквально наэлектризовала Эйнштейна и некоторых его современников. И именно электродинамика стала для них головной болью (как и проблема эфира). Неслучайно знаменитая статья Эйнштейна по теории относительности озаглавлена «К электродинамике движущихся тел». Звучит довольно безобидно, не так ли? Но на самом деле это была настоящая революция в физике! Она привела к совершенно новому пониманию пространства и времени, материи и энергии. И это несмотря на то, что Эйнштейн был убежден:

«Вся наука – это всего лишь усовершенствование повседневного мышления».

«Вся наука – это всего лишь усовершенствование повседневного мышления».

Специальная теория относительности – пространство и время относительны

Специальная теория относительности – пространство и время относительны

Короче говоря, Эйнштейн отказался от правил преобразования, принятых в механике, и признал верными только правила электродинамики. При этом он утверждал, что противоречия и исчезают, если отказаться от абсолютного времени пространства. Это было не просто математическим упражнением, не просто мысленным экспериментом, в специальной теории относительности был физический смысл. Ее практические следствия противоречили предыдущей теории, но оказались подтвержденными экспериментально. А это – лучшее, что может случиться с научной теорией!

Эйнштейн сформулировал два принципа/предположения, которые доказывают свою ценность и по сей день. Они составляют ядро специальной теории относительности.

Принцип относительности: физические законы работают одинаково во всех неподвижных или прямолинейно и равномерно движущихся (то есть без ускорения) системах отсчета.

Постоянство скорости света: скорость света одинакова во всех системах отсчета (при условии ее измерения в вакууме).

Этим Эйнштейн показал, что правила классической механики, основанные на представлении об абсолютном пространстве и времени и математически опирающиеся на преобразование Галилея, не абсолютны. Они не подходят для околосветовых скоростей. Здесь преобразование Галилея необходимо заменить преобразованием Лоренца в уравнениях Максвелла, которое является единственным правилом преобразования, достаточным для всех систем координат. Специальная теория относительности одним махом разрешила все проблемы механики и электродинамики. Отпала необходимость в «абсолютной» системе отсчета. Правда, в повседневной жизни преобразованием Лоренца приходится пользоваться не так уж часто, даже небесная механика не всегда его применяет. Например, при вращении Земли вокруг Солнца, со скоростью около 30 километров в секунду, отклонения составляют всего 100 миллионных долей процента.

Преобразование Галилея дает хороший приблизительный результат, но, строго говоря, оно неточно. Зато преобразование Лоренца работает не только для электродинамики, но и для классической механики. Это и доказал Эйнштейн.

Но для этого ему понадобилось новое понятие «одновременности»: абсолютного времени не существует, оно зависит от конкретной системы отсчета! То, что кажется одновременным одному наблюдателю, не является одновременным для другого, если он находится в другом месте, но движется с той же скоростью или движется в том же месте, но быстрее или медленнее. Таким образом, расстояния и временные промежутки не универсальны, а относительны: время может как бы растягиваться, а пространство сокращаться. Разумеется, это противоречит повседневному опыту. Но эти эффекты впоследствии были блестяще подтверждены многочисленными экспериментами.

Однако не все относительно.

Скорость света Эйнштейн признал постоянной и не зависящей от системы отсчета.

Если измерить скорость света в вакууме, она будет равна 299 792,458 километрам в секунду. Везде и всегда.

Скорость света абсолютна. Она является фундаментальной основой пространства, времени, материи и энергии; она придает миру четкую структуру с объективным порядком причин и следствий. В этом смысле теорию относительности можно было бы также назвать «теорией абсолюта».

Замедление времени, укорочение расстояний и парадокс близнецов

Замедление времени, укорочение расстояний и парадокс близнецов

Одним из самых удивительных следствий специальной теории относительности является растяжение или замедление времени: для быстро движущихся часов – и вообще для всех процессов – время идет медленнее, чем для тех, что двигаются медленно или неподвижны.

«Часы, движущиеся со скоростью v идут для неподвижного наблюдателя медленнее, чем те же самые часы, если они покоятся».

«Часы, движущиеся со скоростью v идут для неподвижного наблюдателя медленнее, чем те же самые часы, если они покоятся».

«Растяжение» времени на околосветовых скоростях вызвало самые ожесточенные дискуссии. Часто этот феномен иллюстрируют с помощью так называемого парадокса близнецов (мысленный эксперимент, проделанный

Полем Ланжевеном[12] в 1911 году): астронавт, двигавшийся в космосе с большой скоростью, когда он наконец вернется на Землю, будет намного моложе своего брата-близнеца, оставшегося дома.

Растянутое время: замедление времени для различных относительных скоростей. С точки зрения неподвижного наблюдателя, чем быстрее движется система, тем медленнее проходит в ней время. Но собственное время «внутри» системы всегда идет одинаково.

Предположим, 27-летний астронавт улетает со скоростью, составляющей 98% от скорости света, на 25 световых лет к звезде Веге, а потом возвращается. Для него путешествие длилось 10 лет, и он вернется 37-летним, в то время как его брат-близнец, оставшийся на Земле уже отпразднует свой 77-й день рождения и окажется на 40 лет старше астронавта. Значит, время в корабле, движущемся со скоростью, составляющей 98% от скорости света, течет значительно медленнее, чем на Земле. (Пример упрощенный, так как в нем не учитываются фазы ускорения и торможения, которые в реальности заняли бы много времени.) Такая разница в возрасте кажется странной, но эксперименты, проводимые с атомными часами с 1970-х годов, показывают, что она реальна.