Главная > Физика > Физика для всех. Введение в сущность и структуру физики. Том 2. Современная физика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ДЕДУШКИНЫ ЧАСЫ ВО ВНЕШНЕМ ПРОСТРАНСТВЕ

Теория относительности основана на предположениях о постоянстве скорости света и невозможности определить свое абсолютное движение относительно эфира. Однако представление об абсолютном времени, от которого мы теперь отказались, настолько глубоко укоренилось в нашем сознании и было полезно в течение столь длительного времени, что стало частью нашего языка, с помощью которого даже трудно говорить о времени как о чем-то неодинаковом для различных людей и мест. Мы говорим: «В те времена...», «Во времена Цезаря...», «В тот самый момент, когда космонавт...» или «Тем временем на ранчо...». Это представление стало частью нашего мышления, изменить которое, т. е. согласиться с определением времени, различным для разных наблюдателей, чрезвычайно трудно. Наш разум всегда сопротивляется такому изменению, постоянно задавая один и тот же вопрос: «Так ли это необходимо? Следует ли это из опыта?» Мы отвечаем: «Нет, такое

изменение не является необходимым». И именно поэтому теория Эйнштейна выглядит еще более изящной. Дело в том, что Эйнштейн не раскрыл перед нами окончательной истины. Он сделал большее: ему удалось найти такой идеальный способ описания нашего опыта, что, усвоив его, нам трудно теперь смотреть на мир иначе.

Предположим, мы пытаемся построить такую теорию, которая объясняла бы те же самые явления — постоянство скорости света и невозможность определить свое абсолютное движение по отношению к световой среде, — без введения эйнштейновского необычного определения промежутка времени. Предположим, например, что мы встали на точку зрения, согласно которой выделенная система отсчета действительно существует. Допустим, что начало этой системы связано, например, с Солнцем.

Фиг. 38. Система отсчета, связанная с дедушкиными часами.

И допустим, что эта система, по определению, неподвижна относительно светоносного эфира. Назовем эту систему абсолютно покоящейся. Представим, далее, что в этой системе находится большое количество хорошо сделанных, синхронизованных между собой старинных часов (фиг. 38). Мы постулируем, что эти часы показывают истинное время, с которым в дальнейшем мы будем сверять показания других часов. Только те часы, которые идут в такт с часами истинного времени, будут считаться правильными. Тогда для этой системы отсчета мы получим обычное определение временного промежутка, одинакового для всех. Одновременными событиями будут считаться те, которые происходят в один и тот же момент времени по показаниям старинных часов, находящихся, по определению в покое относительно эфира.

С точки зрения наблюдателя, находящегося в абсолютно неподвижной системе, все происходит нормально. Часы идут правильно, между собой они синхронизованы; все масштабные линейки и наручные часы ведут себя привычным образом. Этот наблюдатель, уютно расположившись среди точно идущих часов и зная, что он находится в системе, относительно которой проводятся все измерения, чувствует некоторое удовлетворение.

Но посмотрим, что будет видеть другой наблюдатель, который покоится в системе (назовем ее движущейся относительно дедушкиных

часов (фиг. 39). Этот наблюдатель пытается построить часы, скажем описанные раньше световые часы. Он верит, что перемещается он (ведь дедушкины часы находятся в покое), поэтому он считает, что свет, распространяясь от источника до приемника в его часах, идет по диагональному пути (фиг. 40), а не по пути, показанному на фиг. 41, который получается в предположении, что любой наблюдатель вправе считать себя неподвижным (точка зрения Эйнштейна).

Далее, используя уже знакомые нам рассуждения, наблюдатель может вычислить временной промежуток между излучением и поглощением светового сигнала, разделив пройденный светом путь на его скорость. В результате он получит

а не

что получил бы этот наблюдатель для промежутка времени между излучением и поглощением сигнала, если бы считал себя покоящимся.

Если он пожелал бы использовать величину в качестве стандартного временного промежутка (пусть, например, , если см), он бы считал, что основной промежуток времени его часов больше раз

Фиг. 39.

Фиг. 40.

Фиг. 41.

Теперь он смог бы соответственно подправить показания всех своих часов. Далее он синхронизовал бы их так, чтобы они показывали одно и то же время для двух событий только в том случае, когда показания двух дедушкиных часов,

расположенных в неподвижной системе в тех же точках, где произошли эти события, совпадают.

Все это наблюдатель мог бы легко проделать. В результате он получил бы определение времени согласующееся с некоторыми из наших примитивных представлений. Если все наблюдатели во всех системах отсчета проделали бы то же самое, время стало бы, хоть частично, таким, каким мы хотели бы его иметь, — одинаковым для всех, абсолютным и однозначным. Однако, прежде чем поздравлять себя, рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из такого определения, с которыми столкнутся наблюдатели, движущиеся по отношению к дедушкиным часам. Подправив показания своих часов, наш приятель в системе 5 обнаружил бы, что все физические процессы, происходящие вокруг него, замедлились. Если бы, например, множитель

равнялся двум, наблюдатель насчитал бы вдвое больше секунд в течение суток (временном отрезке между восходами или заходами Солнца), вдвое больше секунд в течение года (отрезке между двумя весенними равноденствиями), вдвое больше секунд в своей жизни (отрезке между рождением и смертью) и т. д. Продолжительность любого процесса почему-то увеличится и будет состоять из вдвое большего числа секунд. Наблюдатель может рассматривать это как некое неудобство, однако вполне терпимое. Дело в том, что соотношения между временными отрезками между любыми происходящими событиями останутся прежними. Средняя библейская продолжительность жизни будет по-прежнему состоять из восьмидесяти лет, если определить год как временной промежуток между двумя последующими равноденствиями. Вдвое уменьшится лишь фундаментальная единица времени, равная по определению отрезку времени между излучением и приемом светового сигнала . Иными словами, изменится лишь временной масштаб.

Определение одновременности двух событий окажется менее удобным. Если бы система двигалась относительно дедушкиных часов с очень большой скоростью (скажем, близкой к скорости света), наблюдателю в системе пришлось бы считать два события одновременными, когда они вовсе не казались одновременными. Так, ему пришлось бы заявить, что включение зеленого света и начало движения автомобиля, стоящего на перекрестке, происходят существенно не одновременно, и эти два события разделены между собой большим промежутком времени. Есяи, например, наблюдатель, сигнал света и автомобиль движутся относительно «абсолютно неподвижной системы» так, как показано на фиг. 42, то наблюдатель, зная, что он движется навстречу свету от автомобиля и удаляется от света, излученного светофором,

должен был бы заключить, что два события — начало движения машины и включение зеленого сигнала — происходят одновременно только тогда, когда он видит, что автомобиль трогается до включения зеленого сигнала; такой вывод было бы трудно растолковать инспектору дорожной полиции.

Фиг. 42.

Еще более странными оказались бы измерения расстояний, поскольку наблюдатель в вынужден был бы считать, что его измерительные стержни и масштабные линейки сократились в направлении движения в раз. Метровый стержень, позаимствованный когда-то из неподвижной системы, должен теперь, по мнению наблюдателя, укорачиваться, когда он кладет стержень вдоль направления движения (фиг. 43).

Фиг. 43.

Когда же этот стержень лежит перпендикулярно направлению движения, его длина в точности равна метру. В результате наблюдатель вынужден использовать стержни различной длины при измерениях расстояний вдоль и поперек направления движения. Если он Желает нарисовать окружность, он вынужден изображать кривую, представленную на фиг. 44. Наблюдатель, конечно, понимает, что его «окружность» выглядит довольно странно. Однако при том определении Длины, которое ему пришлось ввести, именно такая кривая обладает требуемым свойством, что все ее точки равноудалены от центра.

Перечисляя все эти нелепости, с которыми вынужден смириться движущийся наблюдатель, мы убеждаемся, что соглашения, выбранные им для описания мира, крайне неудобны. Ради того, чтобы сохранить некоторые из своих интуитивных представлений о времени, ему пришлось очутиться в мире, где масштабная линейка изменяет свою длину при повороте, где события, кажущиеся одновременными, нельзя считать происходящими в одно и то же время и т. д.

Фиг. 44.

Мы можем, усмехнувшись, сказать: «Этот наблюдатель подобен человеку, живущему на поверхности резиновой оболочки, которая все время скручивается, сжимается и расширяется, и пытающемуся описать свой мир так, как если бы он жил в мире, где твердые тела существуют». Или: «Этот наблюдатель подобен человеку, живущему на поверхности сферы и пытающемуся описать эту поверхность так, как если бы она была плоской». Наше главное возражение состоит не в том, что подобное описание является неверным, так как наблюдатель всегда может сделать его верным и точно соответствующим окружающему его миру, а в том, что это описание крайне неуклюжее. Оно содержит ненужные понятия. Оно скорее скрывает, чем раскрывает различные свойства симметрии мира и в конечном итоге не дает наглядного представления об этом мире. Оно не обладает эстетической привлекательностью.

Весь блеск теории относительности состоит в ее строгой простоте. Эйнштейн показывает, что введение системы отсчета, находящейся в абсолютном покое, и определение времени, одинакового для всех наблюдателей, являются излишними. Нам не нужны эти подпорки (мы нуждаемся в них лишь чисто эмоционально), так как «никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя». Любую инерциальную систему можно считать покоящейся; время и расстояние, определенные в одной системе, ничем не хуже времени и расстояния, определенных в другой системе, а такие вещи, как абсолютный покой и абсолютная одновременность, принципиально ненаблюдаемы.

Таким образом, Эйнштейн полагает, что абсолютный покой и абсолютное время суть такие вещи, которые никогда нам не понадобятся, призраки, существование которых может радовать или пугать нас, но наблюдать которые нам никогда не удастся. В таком случае внутри заданной системы отсчета все происходит сравнительно просто. Метровые линейки не изменяют при повороте свою длину; окружности выглядят как окружности; одновременные события происходят привычным для нас образом; средняя библейская продолжительность

жизни человека остается равной восьмидесяти годам. В обмен на это изменяются правила перехода из нашей системы в систему, движущуюся относительно нас. Эти изменения, хотя они и кажутся несколько необычными, не столь уж необычны, как те изменения, которые приходится вводить в противном случае.

В этом отношении исследование Эйнштейна сходно с работой часовщика. Перед часовщиком стоит практическая задача — создать механизм, измеряющий отрезки времени, и определить время, измеряемое часами. Наши атавистические воспоминания противятся этому. Ведь созданные нами часы лишь неточно измеряют «абсолютное, истинное и математическое время». «Возможно, что это и так, — возражает часовщик. Но как бы ни была приятна идея абсолютного времени, вы никогда не будете ничего иметь, кроме часов, построенных мною. И только то время, которое измеряется этими часами, может входить в уравнения физики, или «законы, по которым изменяются состояния физических систем». При желании, конечно, мы можем сохранить понятие истинного, абсолютного времени. Но оно становится лишь обузой. Оно усложняет наше описание мира. Мы вводим его в одном месте пространства, и оно исчезает, прежде чем мы добираемся до другого места. В конце концов, мы вынуждены от него отказаться, как отказываемся от бесполезного и вышедшего из употребления инструмента».

«В заключение отмечу, — пишет Эйнштейн, — что мой друг и коллега М. Бессо явился верным помощником при разработке изложенных здесь проблем и что я обязан ему за ряд ценных указаний» [14].

Кем был М. Бессо? Был ли этот «друг и коллега» другим служащим швейцарского Патентного бюро, терпеливо и, быть может, неоднократно выслушивавшим объяснения герром Эйнштейном того, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы; того, что принцип относительности находится лишь в кажущемся противоречии с утверждением, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с; того, что невозможно придать абсолютный смысл понятию одновременности и два события, одновременные в одной системе, отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета, движущейся относительно первой; или того, что твердое тело, имеющее форму сферы в одной системе отсчета, обладает эллипсоидальной формой, если его наблюдать из движущейся системы? Слушал ли М. Бессо? Улыбался ли он? Кто был М. Бессо?

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление