Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

I. Почему нельзя определить, с какой скоростью плывет корабль в тумане?

Ни в одном эксперименте не была получена частица, которая двигалась бы со скоростью больше скорости света[7].

Позвольте представить вам Рыжего по прозвищу Ржавый, бродячего физика, отвергнутого обществом из-за нетривиальных гигиенических стандартов, принятых среди людей его круга. Рыжий сумел «позаимствовать» платиновый эталон метра из Международного бюро стандартов (хотя это и не очень точный эталон, бродячему физику сгодится и он) и нашел где-то кучу атомов цезия, из которых можно сделать цезиевые часы.

Рыжий развлекается тем, что весь день напролет швыряет свои пожитки[8] вдоль движущегося вагона.

Каждый раз он измеряет расстояние, которое пролетает узелок, и время, которое уходит на то, чтобы его пролететь. Поскольку скорость — это отношение расстояния ко времени, которое уходит на то, чтобы его пройти (километры в час), Рыжий может достаточно точно вычислить скорость узелка.

После утомительного дня, посвященного метанию узелка, Рыжий ложится спать, а просыпается он в своем частном товарном вагоне. Поскольку окон в товарных вагонах нет, а поезд едет по ровному участку дороги, Рыжий, приоткрыв дверь и обнаружив, что поезд движется, чувствует себя несколько дезориентированным. Не знаю, замечали ли вы, что даже в машине иногда не знаешь, едешь или стоишь, если не глядеть в окно.

Скорее всего, не замечали. Вероятно, вы не замечали и того, что если стоишь на экваторе, то движешься со скоростью больше 1600 километров в час относительно центра Земли. А сама Земля движется вокруг Солнца еще быстрее — со скоростью 108 800 километров в час. А Солнце движется со скоростью примерно в 800 тысяч километров в час относительно центра галактики Млечный Путь, который, в свою очередь, несется по Вселенной со скоростью свыше полутора миллионов километров в час.

Нас интересует то, что вы (или Рыжий) не замечаете, что поезд (Земля, Солнце, галактика) движется, не говоря уже о том, насколько быстро, если движение происходит плавно и равномерно.

Галилей использовал этот довод, когда доказывал, что Земля движется вокруг Солнца. Большинство его современников считали, что если бы Земля летела вокруг Солнца, мы бы как-то ощущали это движение, а если нет, значит, она неподвижна.

«Ерунда!» — говорил на это Галилей. Он сравнил движение Земли с движением корабля по спокойному морю. При таких обстоятельствах моряк не может сказать, плывет корабль или стоит неподвижно. Этот принцип известен как «принцип относительности Галилея» (не путать со специальной теорией относительности Эйнштейна с которой мы познакомимся в самом ближайшем времени).

Согласно Галилею (и Исааку Ньютону, и в конечном итоге Эйнштейну), нет буквально никакого эксперимента, который в поезде, движущемся прямолинейно и равномерно, привел бы к иным результатам, чем если бы высидели неподвижно. Вспомните, как вы ехали в машине и швырялись в братишку фантиками, пока родители не грозились «немедленно развернуться и поехать домой, если ты не прекратишь обижать брата, негодник!». Хотя машина при этом ехала со скоростью 80 километров в час, а то и больше, вы бросали фантики в точности так же, как если бы машина стояла на месте. Нравится вам это или нет, а все эти шалости были не чем иным, как простейшим физическим опытом. С другой стороны, все это справедливо, только если скорость и направление машины/поезда/планеты/галактики в точности (или почти-почти совсем) постоянны. Вы бы это почувствовали в полной мере, если бы родители выполнили свою угрозу и ударили по тормозам.

Так что, проснувшись после блаженной дремоты, чтобы вернуться к своим пожиткобросательным экспериментам. Рыжий, вероятно, и не знает, что поезд равномерно и прямолинейно движется со скоростью около 20 километров в час. Рыжий кидает узелок вдоль вагона и оценивает его скорость, скажем, в 10 километров в час. Его соратник Пачкуля, тоже бродячий физик, стоит на земле, видит движущийся поезд и тоже решает поучаствовать в экспериментах. При помощи особых рентгеновских очков, которые позволяют видеть сквозь стены вагона (и входят в арсенал каждого бродячего физика), Пачкуля тоже измеряет скорость брошенного Рыжим узелка. С наблюдательного пункта вне поезда Пачкуля видит, что узелок движется со скоростью около 30 километров в час (20 км/ч — это скорость поезда, на котором едет Рыжий, плюс еще 10 км/ч — скорость узелка).

Кто же прав? С какой скоростью движется узелок — 10 или 30 километров в час? Так вот, правы оба. Мы бы сказали, что узелок движется со скоростью 10 километров в час относительно Рыжего и 30 километров в час относительно Пачкули.

Теперь представьте себе, что в нашем поезде есть ультрасовременная лаборатория, оборудованная лазерами (лазерный луч сделан из света и, естественно, движется со скоростью с). В одном конце поезда расположен лазер, которым управляет Рыжий.

В другом конце поезда расположена открытая банка консервированной фасоли. Если Рыжий настроит лазер на короткие вспышки (само собой, чтобы, разогреть фасоль, а вы что подумали?) и измерит время, через которое фасоль начнет подогреваться, то он сможет вычислить скорость лазера и обнаружит, что она равна с.

А как же Пачкуля? Резонно предположить, что он определит, что вспышка света достигла детектора через такое же время. Однако здравый смысл подсказывает, что он определит, что свет движется со скоростью с + 20 км/ч. Как мы уже говорили, Эйнштейн предположил, что скорость света одинакова для всех наблюдателей, но по нашим рассуждениям выходит, что луч движется вовсе не со скоростью с. Совсем не со скоростью с!

Неужели великий Эйнштейн ошибался?[9]

Позади всего каких-то 28 страниц книги, а мы уже нарушили законы физики. Нам не было бы так стыдно, даже если бы мы заявились на вечеринку точь-в-точь в таком же платье, как хозяйка дома. Похоже, мы сели в лужу.

Если бы только поблизости нашелся какой-нибудь маньяк-ученый, который проследил бы, чтобы это больше не повторилось, и привел бы какой-нибудь конкретный пример, железно доказывающий, что с — константа…

Так вот, такой ученый у нас есть. Зовут его Альберт Майкельсон, и он любил свет так, что сегодня его назвали бы «двинутым» или по крайней мере «со странностями». Его научная карьера началась в 1881 году, когда он уволился из флота, чтобы заняться физикой. Некоторое время он измерял скорость света самостоятельно, подрабатывая в Берлине, Потсдаме и Канаде, а затем познакомился с Эдвардом Морли. Ученые объединились, чтобы создать еще более хитроумные устройства для измерения скорости света, впоследствии заняв первую строчку хит-парадов со своей песней «Мост над бурной рекой», которая продержалась там шесть недель подряд[10].

Все эти устройства были основаны на следующем принципе: поскольку Земля совершает полный оборот вокруг Солнца за год, их лаборатория должна в разное время года двигаться в разном направлении и с разной скоростью. А измерять, меняется ли скорость света при движении в разные стороны, должен был «интерферометр» Майкельсона. Здравый смысл подсказывает, что, поскольку Земля движется по орбите в разных направлениях, значение с должно меняться.

Здравый смысл вас обманывает. Майкельсон и Морли ставили один эксперимент за другим и доказали, что, куда бы ни двигалась Земля, скорость света везде одинакова.

Для 1887 года это была та еще головоломка, к тому же она противоречила здравому смыслу, так как почему-то получалось, что этот закон справедлив только для света. Если едешь на велосипеде и вдруг видишь разъяренного быка, то, прямо скажем, очень важно и даже судьбоносно, куда ты едешь — навстречу взбешенному животному или от него. С другой стороны, с есть с, куда бы ты ни двигался — в сторону источника света или от него.

Приведем еще более яркий пример (на тот невероятный случай, если вам до сих пор не очевидно, насколько все это странно). Вы светите лазерной указкой на некое высокотехнологичное измерительное устройство, а затем определяете, что фотоны (частицы света) выходят из лазерной указки со скоростью примерно 300 миллионов метров в секунду. Если при этом вы находитесь на хрустальном звездолете, который улетает от лазера со скоростью, равной половине скорости света, то есть 150 миллионов метров в секунду, и кто-то направляет лазерный луч на тот же детектор сквозь ваш звездолет, вы все равно определите, что луч летит со скоростью света.

Разве такое может быть?!

Чтобы это объяснить, надо поближе познакомиться с героем физической науки, чемпионом мира в весе фотона[11] — с самим Альбертом Эйнштейном.