Маленькая книга о Большом взрыве

Результаты исследований Максвелла оказались весьма странными: они показывали, что c = 3×10⁸ м/с, но ничего не говорили о том, относительно какого объекта высчитана эта скорость. Сам Максвелл говорил, что его электромагнитные волны распространяются через светоносный эфир. Если водяные волны расходятся по воде, а звуковые – по воздуху, вполне естественно было предположить, что у световых волн тоже есть среда распространения. Светоносный эфир, каким его видел Максвелл, пронизывал весь космос и обеспечивал абсолютный стандарт покоя. Если вы сидите в поезде, вы пребываете в состоянии покоя относительно поезда, поезд же пребывает в движении относительно Земли, а Земля, в свою очередь, пребывает в движении относительно эфира. Меркурий тоже имеет свою скорость относительно эфира, и вы можете сравнить скорость Земли и Меркурия, сказав, что у каждой из этих планет есть своя скорость относительно эфира. Таким образом, Максвелл утверждал, что скорость света относительно эфира равна 3×10

⁸ м/с.

К сожалению, обычные вычисления наделили и без того загадочный эфир еще более странными свойствами. Получалось, например, что поскольку эфир должен быть в сто раз более разреженным, чем воздух, он в то же время в тысячу раз жестче алмаза. Кроме того, все попытки обнаружить его провалились.

* * *

В 1905 году Эйнштейн взял быка за рога и объявил эфир несуществующим. Впрочем, он согласился с выводом Максвелла, что скорость света, c, является постоянной и должна восприниматься как закон природы. Так родилась специальная теория относительности

Эйнштейна. В ее основу легли два постулата.

Первый: абсолютного движения не существует. Эта аксиома, позаимствованная Эйнштейном у Галилея, гласит, что никакие эксперименты, проведенные над поездом, не помогут понять, находится ли он в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью. Любое измерение параметров движения производится относительно системы отсчета, и ни одна из них не может превалировать над другими.

Второй постулат гласит, что для любого наблюдателя в любой точке наблюдения скорость света (с) в вакууме равна 3×10⁸ м/с.

Здесь нам потребуется парочка терминологических комментариев. Первый постулат известен как принцип относительности (сам Эйнштейн никогда не называл свою теорию теорией

относительности, так что название закрепилось за ней уже в последующие годы). Специальной же он назвал ее потому, что она рассматривала движение с постоянной скоростью. Движение с ускорением в этой теории Эйнштейн не рассматривал и предполагал, что система отсчета тоже неподвижна или движется с постоянной скоростью. Теория относительности диктует относительность движения.

Второй принцип, кажущийся простым, все меняет. Идея о том, что величина скорости света неизменна и не зависит от системы отсчета, полностью противоречит физике Ньютона. Если бы свет двигался так же, как машина, несущаяся по шоссе, его скорость зависела бы от системы отсчета наблюдателя, которым в физике выступает любой человек или инструмент, выполняющий измерение.

* * *

Принцип постоянства скорости света также показал, что скорость и время больше не могут рассматриваться отдельно друг от друга, как прежде. Не так сложно понять почему. Представьте себе часы в виде мячика, подпрыгивающего вверх-вниз в поезде, как показано на верхней картинке на рис. 1.

Рис. 1

Борис, находящийся в поезде, видит, как мячик прыгает вверх-вниз, и может установить, что путь от пола до потолка и обратно он проходит за одну секунду. В то же время Наташа, наблюдая за поездом с земли, как показано на нижней картинке, видит, как поезд движется слева направо со скоростью v. Как и Борис, она видит, что мячик совершает путь до потолка и обратно за одну секунду, но относительно земли траектория его движения имеет форму треугольника, поэтому он движется еще и вперед.

Кроме того, для Наташи мячик движется быстрее. Его скорость движения по вертикали для них с Борисом одинакова, но Наташа также видит, как он движется вперед со скоростью поезда. Благодаря этой дополнительной скорости мячик в глазах Наташи проходит большее расстояние, чем в глазах Бориса, но делает это за один и тот же период времени, так что одна секунда Наташи равна одной секунде Бориса. Ведь в физике Ньютона время универсально.