Наука Плоского Мира

Стоит отметить, что название «теория относительности» звучит довольно глупо. Основная идея специальной теории относительности состоит не в том, что «все относительно», а в том, что одна конкретная величина — скорость света — неожиданно оказывается абсолютной. Есть один известный мысленный эксперимент. Представьте, что вы едете в машине со скорость 50 миль/ч (80 км/ч) и стреляете из пистолета по направлению движения, выпуская пулю со скоростью 500 миль/ч (800 км/ч) относительно машины. Тогда пуля столкнется с неподвижной мишенью на скорости, равной сумме двух составляющих, т. е. 550 миль/ч (880 км/ч). Однако если вместо выстрела из пистолета вы включаете фонарик, который «выстреливает» луч света со скоростью 670 000 000 миль/ч (186 000 миль/с, или 300 000 км/с), то скорость луча по достижении мишени будет не 670 000 050 миль/ч, а 670 000 000 миль/ч — то есть точно такой же, как если бы машина стояла на месте.

Постановка такого эксперимента сталкивается с трудностями практического характера, однако менее зрелищные и опасные опыты дают преставление о результате.

Эйнштейн опубликовал свою работу по специальной теории относительности в 1905 году одновременно с первыми убедительными доказательствами квантовой механики и передовой статьей о диффузии. Многие ученые, среди которых были голландский физики Хендрик Лоренц и французский математик Анри Пуанкаре, занимались той же проблемой, поскольку теория электромагнетизма была не вполне согласована с ньютоновской механикой. Они пришли к выводу, что Вселенная устроена гораздо более причудливо, чем подсказывает нам здравый смысл — хотя они, скорее всего, использовали другое слово. По мере приближения к скорости света предметы сжимаются, время замедляется и ползет, как улитка, масса становится бесконечной… и ничто не может двигаться быстрее света. Другая важная мысль состояла в том, что пространство и время в некоторой степени взаимозаменяемы. Привычные три измерения пространства сливаются со временем и образуют единое пространство-время с четырьмя измерениями. Точка в пространстве становится событием в пространстве-времени.

В обычном пространстве есть понятие расстояния. В специальной теории относительности аналогичную роль выполняет интервал между событиями, связанный с видимой скоростью течения времени. Чем быстрее движется объект, тем сильнее замедляется время с точки зрения находящегося на нем наблюдателя. Это эффект называется релятивистским замедлением времени.

Если бы мы могли двигаться со скоростью света, время бы для нас остановилось.

Одним из замечательных следствий теории относительности является парадокс близнецов, описанный Полем Ланжевеном в 1911 году. Это еще один классический пример. Предположим, что Розенкранц и Гильденштерн родились в один и тот же день. Розенкранц все время остается на Земле, а Гильденштерн отправляется в путешествие с околосветовой скоростью и возвращается обратно. Из-за эффекта замедления времени для Гильденштерна прошел, скажем, один год, в то время как для Розенкранца — 40 лет. В итоге Гильденштерн будет на 39 лет моложе своего брата-близнеца. Это подтверждают эксперименты, в которых атомные часы облетают вокруг Земли на реактивном самолете. Правда скорость самолета настолько далека от скорости света, что наблюдаемая (и предсказываемая) разница во времени составляет крошечную долю секунды.

Что ж, пока все хорошо, но мы не учли гравитацию. Эйнштейн несколько лет ломал голову над тем, как вписать гравитацию в свою теорию, прежде чем нашел ответ: пространство-время должно быть искривленным. Получившаяся теория называется общей теорией относительности и представляет собой синтез специальной теории и теории гравитации Ньютона. С точки зрения Ньютона, гравитация — это сила, отклоняющая частицы от прямолинейной траектории, которой они бы следовали в ее отсутствие. Общая теория относительности утверждает: гравитация — это не сила, а искажение структуры пространства-времени. Обычно в этом случае говорят, что пространство-время «искривляется», однако этот термин может легко ввести в заблуждение. В частности, искривление не означает, что пространство-время закручено вокруг чего бы то ни было. Физически искривление интерпретируется как сила притяжения. Эта сила способна изменять направление лучей света, следствием чего является «гравитационное линзирование» — искривления света массивными объектами, которое было открыто Эйнштейном в 1911 году и опубликовано им в 1915 году. Это явление впервые удалось наблюдать во время солнечного затмения. Недавно было обнаружено, что некоторые отдаленные квазары при наблюдении в телескоп дают несколько изображений, поскольку их свет искривляется галактикой, оказавшейся на его пути.