Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс Страница 14

Но Галилей говорит нам, что это невозможно. Если бы измененные значения электрических и магнитных сил различались для двух наблюдателей, то можно было бы сказать, кто из них движется, а кто нет, поскольку законы физики – в данном случае электромагнетизма – содержали бы разные значения для каждого из наблюдателей.

Таким образом, прав мог быть либо Галилей, либо Максвелл, но не оба одновременно. Возможно потому, что Галилей работал во времена более примитивной науки, большинство физиков склонялось на сторону Максвелла. Они решили, что во Вселенной, должно быть, имеется некая абсолютная покоящаяся система отсчета и что расчеты Максвелла приложимы только к этой системе. А по отношению ко всем наблюдателям, движущимся по отношению к этой системе, электромагнитные волны должны иметь иную скорость, нежели вычисленная Максвеллом.

Давняя научная традиция обеспечила этой идее физическую поддержку. В конце концов, если свет представляет собой электромагнитное возмущение, то возмущением чего оно является? Тысячи лет философы рассуждали об «эфире» – некоем невидимом фоновом веществе, заполняющем все пространство, и естественно было заподозрить, что электромагнитные волны путешествуют именно в этой среде, как звуковые волны распространяются в воздухе или в воде. Электромагнитные волны должны были бы двигаться в такой среде с некоторой характерной фиксированной скоростью (рассчитанной Максвеллом), а для наблюдателя, движущегося по отношению к этому фоновому заполнителю, в зависимости от его скорости волны распространялись бы быстрее или медленнее.

Несмотря на интуитивную разумность, такое представление было бегством от действительности, поскольку если вспомнить аналитические выкладки Максвелла, то получится, что наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, измерят различные значения электрической и магнитной сил. Быть может, такой вариант все же представлялся приемлемым, поскольку все скорости, которые реально можно было получить в то время, были так малы в сравнении со скоростью света, что обсуждаемые различия оказались бы очень малы и обнаружить их наверняка не удалось бы.

Однажды актер Алан Алда в публичном выступлении, где присутствовал и я, заявил, что, вопреки расхожему мнению, искусство требует упорной работы, а наука невозможна без творческого начала. Понятно, что для того и другого нужны оба названных качества, но мне в его версии понравилось то, что в ней подчеркивается творческая, художественная сторона науки. Я бы добавил к этому, что оба занятия требуют интеллектуальной смелости. Творческое начало само по себе ни к чему не приводит, если его не использовать. Новые идеи, как правило, застаиваются и умирают, если у автора не находится храбрости применить их.

Я упоминаю об этом здесь потому, что, возможно, истинной мерой гения Эйнштейна была не его математическая подкованность (хотя, вопреки расхожему мнению, он был талантливым математиком), а скорее творческий потенциал и интеллектуальная уверенность, питавшие его упорство.

Вызов, стоявший перед Эйнштейном, заключался в том, чтобы примирить и совместить две противоречащие друг другу идеи. Отбросить одну из них – слишком простой путь. А вот чтобы найти способ устранить противоречие, необходим творческий подход.

Решение Эйнштейна не было сложным, но это не означает, что найти его было просто. Все это напоминает мне исторический анекдот про Христофора Колумба, который перед экспедицией в Новый Свет, чтобы получать бесплатную выпивку, держал пари на то, что сумеет поставить яйцо на острый конец на стойке бара. После того как владелец бара принимал пари, Колумб разбивал яйцо с острого кончика и легко ставил его на стойку. В конце концов, он же не оговаривал, что яйцо при этом должно остаться целым.

Предложенное Эйнштейном разрешение парадокса Галилея – Максвелла было весьма похожим на фокус Колумба. Ведь если оба они – и Максвелл, и Галилей – правы, то где-то что-то нужно сломать, чтобы картинка сложилась.

Вопрос в том, что именно. Чтобы и Максвелл, и Галилей были правы, необходимо было нечто откровенно безумное: в приведенном мной примере оба наблюдателя должны получить при измерении одинаковую по отношению к ним (а не различающуюся на скорость машины) скорость микроволнового излучения от сотового телефона моей дочери.

Однако Эйнштейн задал себе интересный вопрос. В конце концов, что значит измерить скорость света? Скорость определяется путем измерения расстояния, которое объект проходит за определенное время. Так что Эйнштейн рассуждал следующим образом: два наблюдателя могут получить одинаковую величину скорости радиоволн относительно себя, если при измерениях они получат одинаковое расстояние, пройденное относительно каждого из них радиоволнами за фиксированный промежуток времени (скажем, к примеру, за одну секунду в его собственной системе отсчета).

Но согласитесь, это тоже звучит слегка безумно. Рассмотрим более простой пример летящих рвотных масс. Припомните, что в моей системе отсчета они пролетают от дочкиного рта на заднем сиденье автомобиля до моего затылка, скажем три фута, примерно за четверть секунды. Но для наблюдателя на тротуаре машина все это время едет со скоростью 10 миль в час, то есть примерно 14,5 футов в секунду. Таким образом, для наблюдателя на тротуаре рвотные массы за четверть секунды пролетают примерно 3,6 фута плюс 3 фута, или всего 6,6 фута.

Следовательно, для этих двух наблюдателей расстояние, которое пролетают рвотные массы за одно и то же время, заметно различается. Как же может быть, чтобы для микроволнового излучения расстояния, измеренные обоими наблюдателями, оказались одинаковыми?

Первым намеком на то, что такое безумие хотя бы в принципе возможно, стало то, что электромагнитные волны путешествуют так быстро, что за время, за которое они доходят от одной машины до другой, обе машины практически не успевают переместиться. Так что любая возможная разница в измеренных двумя наблюдателями расстояниях, пройденных за это время, будет, по существу, неуловимой.

Но Эйнштейн повернул этот аргумент другой стороной. Он понял, что на самом деле ни один из наблюдателей не может измерить расстояние, пройденное радиоволнами в человеческом масштабе расстояний, потому что соответствующие отрезки времени, необходимые, чтобы свет прошел расстояния человеческого масштаба, столь малы, что никто не в состоянии непосредственно их определить. И аналогично в человеческом масштабе времени свет должен проходить такие большие расстояния, что их тоже никто не сможет измерить непосредственно. А раз так, то где гарантия, что такое безумное поведение в реальности невозможно?

Далее вопрос ставится так: а что нужно, чтобы это на самом деле произошло? Эйнштейн рассуждал: для того чтобы такой невозможный на первый взгляд результат стал возможен, два наблюдателя должны измерять расстояния и/или промежутки времени по-разному, причем таким образом, чтобы – по меньшей мере – свет проходил бы одно и то же измеренное расстояние за одно и то же измеренное время для обоих наблюдателей. Так, к примеру, происходило бы, если бы наблюдатель на обочине в случае с дочкиной рвотой измерил, что массы проходят 6,6 фута, но при этом почему-то решил, что интервал времени, за который это происходит, на самом деле больше того, что я измерил внутри машины; тогда рассчитанная по его данным скорость полета рвотных масс относительно него оказалась бы такой же, как и у меня относительно себя.