Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Эйнштейн положил принцип относительности и закон распространения света в основу специальной теории относительности в качестве исходных аксиом.
В пользу постоянства скорости распространения света определенно говорят прямые эксперименты. Эйнштейн особенно ценил эксперимент голландского астронома и космолога де Ситтера (1872—1935). Это был астрономический эксперимент, основанный на наблюдениях двойных звезд. Наблюдения показали, что скорость света не зависит от скорости звезды, испускающей свет. Факт постоянства скорости света неизменно подтверждался и многочисленными последующими экспериментами.
Возможны ли в природе скорости движения, превышающие скорость распространения света в пустоте? Специальная теория относительности и весь опыт физики отвечают на этот вопрос отрицательно. Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости.
Стоит напомнить, что со скоростью света распространяются в пустоте все электромагнитные волны, а не только волны из «видимого» диапазона частот, соответствующих зрительной способности человеческого глаза воспринимать электромагнитное излучение. Скорость распространения любых электромагнитных волн равна «рекордной» скорости с. Радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение — все они имеют в пустоте эту скорость. Последние известия по радио и вообще любые сообщения мы можем передавать с этой предельной скоростью — но никогда не быстрее. Поэтому часто говорят, что скорость света — это предельная скорость передачи информации.
Но это — также и предельная скорость передачи любого воздействия от одного физического тела к другому. Как бы это воздействие ни передавалось — с помощью других тел или частиц, с помощью электромагнитных или любых других полей, оно не может опередить свет. И обратная реакция одного тела на воздействие другого, его противодействие не вернется быстрее, чем свет. Принято поэтому говорить, что скорость света — это предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.
Скорость света потому и играет такую важную роль, что она является универсальной, абсолютной и предельной скоростью для всякого движения, распространения, обмена сигналами, для передачи любого взаимодействия.
Одновременность
Проведем один мысленный эксперимент. Допустим, что имеются две лаборатории — одна в чистом поле, как сказано у Эйнштейна, а другая в вагоне поезда, несущегося мимо нее. Эксперимент будет состоять в том, чтобы измерять время, необходимое свету для прохождения определенного пути.
Пусть на передней и задней стенках вагона имеются источники света, лампочки. Физик «поездной» лаборатории находится посередине вагона, на равном расстоянии от обоих источников света. Эксперимент устроен так, что вспышки света достигают «поездного» и «полевого» физиков одновременно — тот момент, когда они поравняются друг с другом. Сигналы приходят к каждому из них одновременно. Какие выводы можно из этого сделать?
Физик в «поездной» лаборатории говорит: «Сигналы были испущены из точек, находящихся от меня на равных расстояниях, и пришли одновременно; следовательно, они и испущены были одновременно».
А вот что говорит физик в «полевой» лаборатории: «Когда середина вагона со мной поравнялась, обе лампочки были на равных расстояниях от меня. Но свет был испущен раньше, когда вагон только приближался ко мне. И совершенно ясно, что при испускании света передняя стена вагона была ближе ко мне, чем задняя. Так как оба сигнала распространялись с одинаковой скоростью и пришли ко мне одновременно, пройдя при этом разный путь, лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней».
Сравнивая сообщения обоих физиков, мы должны констатировать следующее: два события — испускание светового сигнала с передней и задней стен вагона — одновременны в одной лаборатории и неодновременны в другой. Совершенно неважно, какова действительная разница во времени. Пусть она очень мала. Принципиально важно, что одновременность или неодновременность оказались понятиями, зависящими от точки зрения, — они оказались относительными.
Это утверждение представляет собой следствие двух аксиом специальной теории относительности: аксиомы относительности и аксиомы постоянства скорости света. Оно кажется нам неожиданным; но мы должны признать, что оно не противоречит логике и простому здравому смыслу, которыми мы пользовались в нашем мысленном эксперименте.
Но сам эксперимент все же необычен, слишком далек от повседневного опыта. Ведь чтобы разница во времени была заметна, так сказать, невооруженным глазом, нужна скорость поезда, практически совпадающая со скоростью света. С такими скоростями в повседневной жизни мы никогда не имеем дела. Потому результат эксперимента и удивляет нас.
Он удивляет нас, еще и потому, что наши представления о времени и движении так или иначе воспитаны классической механикой; время заведомо считается абсолютным, а с ним абсолютной считается и одновременность.
Могла ли одновременность оказаться абсолютной в нашем мысленном эксперименте? Очевидно, для этого необходимо и достаточно, чтобы скорость света была бесконечной. Тогда любые расстояния свет покрывал бы без затраты времени, в мгновение ока, как говорится.
Но Галилей и Ньютон, создавшие классическую механику, знали, что скорость света конечна. Ньютон прямо писал в своей «Оптике»: «свет тратит... около семи или восьми минут на прохождение от Солнца к Земле» (вторая из этих цифр — 8 минут — правильна).
Они не знали, однако, что скорость света в пустоте — совсем особая скорость; они не знали, что она абсолютна. Для них скорость света оставалась хотя и очень большой, но всего лишь одной из многих возможных скоростей в мире. Иначе они сами, наверное, создали бы теорию относительности.
Относительность времени
Мысленный эксперимент, который мы провели вслед за Эйнштейном, побуждает к дальнейшим размышлениям. В «поездной» лаборатории физик измерил два промежутка времени t1 и t2. Один из них, t1, есть время, затраченное светом на путь от передней стены вагона; второй, t2, — это время, затраченное на путь от задней стены. Эти промежутки по его данным равны: t1 = t2.
В «полевой» лаборатории тоже измерены два промежутка времени f1 и f2. Но они оказались различными. Время, затраченное на путь от задней стены, больше времени, затраченного на путь от передней стены: f1 > f2.
Может ли промежуток времени f1 равняться промежутку времени t1? Может ли промежуток времени f2 равняться промежутку времени t2?
На оба эти вопроса сразу мы, очевидно, не можем ответить да. Но было бы и неразумно на один из них ответить да, а на другой — нет. Мы ощущаем в наших вопросах определенного рода симметрию — оба они, так сказать, об одном и том же. Поэтому скорее следовало бы ответить нет на оба вопроса.
Если немного порассуждать, то можно выяснить, что время f1 больше, чем t1, а время f2 меньше, чем t2.
Итак, подведем первые итоги нового взгляда на время.
Два физика изучали одни и те же события, только в разных лабораториях, разных системах отсчета, движущихся друг относительно друга. Они измеряли промежутки времени между этими событиями, а события состояли в испускании света и его приходе от передней и задней стен вагона. И вот оказалось, что сам промежуток зависит от того, в какой лаборатории эти события фиксируются. Это означает, что промежуток времени между двумя событиями есть величина относительная.
