Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности

Физика, которая легла в основу физики Ньютона, была разработана Галилеем и опиралась на два столпа. Первым была именно эта эквивалентность различных состояний равномерного движения, часто называемая эквивалентностью инерциальных систем координат. Здесь «эквивалентность» означает, что вы не можете отличить одну систему координат от другой, используя эксперименты, которые вы проводите внутри этой системы координат. «Инерциальная» означает, что система не ускоренная, а «система координат» означает своего рода систему отсчета — например, окружающая вас в данный момент среда или интерьер лодки, — все то, относительно чего вы можете установить положение и скорости движения объектов. Второй столп физики Галилея — очень мудрое правило, определяющее, как скорости, измеренные в разных инерциальных системах, должны сравниваться и соотноситься друг с другом. Как продемонстрировал Галилей, если с борта гондолы, плывущей относительно моста со скоростью v_gond, бросить мяч вперед со скоростью v_ball, то стоящему на мосту человеку будет казаться, что мяч летит со скоростью v_ball + v_gond. Это математическое правило, которое сформулировал Галилей. Оно устанавливает соответствие между скоростью мяча в инерциальной системе координат, связанной с гондолой v_ball, и скоростью мяча в инерциальной системе, связанной с мостом: v_bridge = v_ball + v_gond, при этом относительная скорость двух инерциальных систем равна v_gond[26].

Когда вы думаете об этом, все кажется таким ясным, что усомниться трудно, не так ли? Но в конце девятнадцатого века физики поставили это правило под сомнение. Один из них, физик Джеймс Клерк Максвелл, который изучал электрическую и магнитную силы, порождаемые соответствующими полями, что пронизывают все пространство, вывел красивую систему уравнений, управляющую поведением этих двух полей, объединив их в одно электромагнитное поле. Один из самых интересных выводов из уравнений Максвелла — существование в электромагнитном поле электромагнитных волн, подобных (звуковым) волнам в воздухе или волнам на поверхности воды. И когда он рассчитал скорость этих волн, то обнаружил, что они всегда движутся с фиксированной скоростью с — около 300 ооо км/сек — и никогда — с другой. Это было и удивительно, и замечательно, и обескураживающе.

Это было удивительно, потому что их скорость совпала со скоростью света, и Максвелл вполне естественно предположил, что эти его электромагнитные волны и были светом. Это предположение позволило и понять глубинную природу света, и установить связь между электромагнетизмом и другими областями физики. Это было замечательно еще и потому, что полностью соответствовало принципу эквивалентности инерциальных систем координат Галилея: согласно уравнениям Максвелла, если вы проведете эксперимент по измерению скорости света, она окажется равной 300000 км/сек во всех инерциальных системах координат, так что ее величину нельзя использовать для того, чтобы отличить одну систему координат от другой. Но по той же самой причине это и обескураживало, поскольку данное правило выполнялось также и для сигналов, посланных из одной системы координат в другую: сигнал, посланный со скоростью с в первой системе координат, будет иметь ту же скорость с в другой системе независимо от того, насколько быстро вторая система движется относительно первой. Такое поведение противоречило постулату Галилея о преобразовании скорости при переходе от одной системы координат к другой. Действительно, согласно правилу Галилея, наблюдатели в разных системах координат должны наблюдать разные скорости того же луча света — так же как для брошенного шара на гондоле!

Эйнштейн разрешил эту проблему. Казалось, очевидным решением было бы сказать, что уравнения Максвелла не совсем корректны и свет должен вести себя так же, как и любой другой объект или волна. Но Эйнштейн, известный тем, что не принимал очевидные вещи как данность, отверг галилеевское правило преобразования скоростей. В своей специальной теории относительности он выдвинул принцип, гласящий, что все физические законы, включая уравнения Максвелла, в которые входит скорость света, одинаковы во всех инерциальных системах координат. Это означает, что равномерное движение не может быть обнаружено никаким способом, включая наблюдение за поведением света. Логические выводы из этого принципа странны, поразительны, но — что самое главное! — правильны!