Красота физики. Постигая устройство природы

• Скорость света возникает из уравнений Максвелла как прямой результат основных законов Природы и не может меняться при переходе из одной системы в другую. Это однозначное следствие из электродинамической теории света Максвелла – теории, подтвержденной экспериментами Герца и многих других.

Между этими двумя идеями есть противоречие. Наш опыт говорит, что видимая скорость любого объекта изменится, если вы сами находитесь в движении. Ахилл догонит черепаху и даже обгонит ее. Почему с лучами света должно быть по-другому?

Эйнштейн разрешил это противоречие. Критически проанализировав действия, которые требуются для синхронизации часов, находящихся в различных местах, и то, как процесс синхронизации изменяется при общем движении с постоянной скоростью, Эйнштейн вскоре понял, что «время», приписываемое некоторому событию двигающимся наблюдателем, отличается от «времени», которое замечает фиксированный наблюдатель, причем различие зависит от места самого события. При описании событий, которые они наблюдают совместно, время, измеряемое одним наблюдателем, оказывается смешением пространства и времени другого, и наоборот. Как раз эта «относительность» пространства и времени была новшеством специальной теории относительности Эйнштейна. Оба допущения, которые легли в ее основу, были хорошо известны и общепризнаны до его работы, но никто не воспринимал их оба достаточно серьезно, чтобы потребовать их согласования и провести его.

Поскольку в уравнениях Максвелла содержится скорость света, второе допущение специальной теории относительности – о том, что скорость света инвариантна относительно преобразований Галилея, – прямо следует из основного мотива Эйнштейна – необходимости сохранить как уравнения Максвелла, так и галилееву симметрию. Но это намного более слабое допущение.

На самом деле Эйнштейн сумел полностью изменить порядок аргументации, показав, что можно вывести всю систему четырех уравнений Максвелла из одного из них, применив преобразования Галилея, чтобы восстановить общий случай. (Приведя заряд в движение, вы получаете токи, а приведя в движение электрические поля, вы получаете магнитные поля. Следовательно, закон, управляющий созданием электрических полей неподвижными электрическими зарядами, после галилеевых преобразований дает общий случай[65].) Этот потрясающий трюк нес в себе предчувствие будущего. Симметрия, а не дедукция из известных законов, стала основным принципом и начала свою собственную жизнь. Теперь можно было ограничивать еще неизвестные законы, требуя от них симметрии.

Две поэмы в свете

Слагая радугу вновь

Одно из физических следствий из специальной теории относительности я считаю наиболее красивым. Оно собирает вместе многие из наших самых глубинных тем – и тем не менее прямо взывает к нашему чувственному опыту. Более ранние главы нашей медитации, касающиеся физики и истории изучения света и цвета, подготовили нас к тому, чтобы мы насладились им вместе прямо здесь и сейчас.

Давайте подумаем, как изменяется чистый луч света определенного спектрального цвета, если мы смотрим на него с платформы, двигающейся с постоянной скоростью – другими словами, если мы прибегнем к преобразованию Галилея. Естественно, мы по-прежнему будем видеть луч света. И этот луч будет преодолевать пространство в прежнем темпе: скорость света инвариантна. Если мы имеем дело с чистым лучом света определенного спектрального цвета, то он по-прежнему будет казаться нам чистым лучом с определенным спектральным цветом. Но…

Цвет будет другим! Если мы движемся в том же направлении, что и луч (иначе говоря, удаляемся от его источника), или если его источник удаляется от нас, то цвет сдвинется к красному концу спектра (а если он изначально был красным, то перейдет в инфракрасный). Если мы движемся в противоположном направлении, то цвет сдвинется к синему концу спектра (или в ультрафиолет). Чем быстрее мы двигаемся, тем более заметен этот эффект.

Вышеописанный эффект повсеместно встречается в космологии, потому что далекие галактики движутся от нас – или, как мы говорим, Вселенная расширяется. В этом контексте он известен как красное смещение. Наблюдаемое красное смещение известных спектральных линий как раз и привело к открытию расширения Вселенной.

Для нас самый значительный вывод состоит в следующем: все цвета могут быть получены из любого цвета в результате движения или, как мы говорим, применяя галилеевы преобразования. Поскольку эти преобразования являются симметриями законов Природы, любой цвет полностью эквивалентен любому другому. Они все возникают как различные образы одного и того же объекта, видимые с разных, но в равной степени законных перспектив.