Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной

Эйнштейн разрешил эту загадку с помощью специальной теории относительности[416], рассматривая время и пространство как взаимообусловленную систему. Так же как электричество и магнетизм в электродинамике, время и пространство становятся двумя составляющими единого целого, которое Эйнштейн назвал пространственно-временным континуумом. Он представил трехмерное пространство в виде линейной системы координат, в которой пространство – горизонтальная ось, а время – вертикальная (рис. 33в). Когда вы и Алиса неподвижны относительно друг друга, вы оба двигаетесь со скоростью света во временном измерении, но с нулевой скоростью в пространственном измерении. По мере увеличения относительной скорости ваша суммарная скорость в пространственно-временном континууме должна всегда оставаться равной скорости света (стрелки на рис. 33в). Чем быстрее вы движетесь в пространстве, тем медленнее – во времени. Если бы вам удалось приблизиться к скорости света[417], то вы могли бы облететь Вселенную, не потратив на это ни минуты с позиции Алисы, при этом вы бы ни на секунду не продвинулись на оси времени. Равноценность пространства и времени в единой системе измерения является основным положением специальной теории относительности. Две очевидно разные категории становятся двумя составляющими одного целого. Мир снова стал чуть более простым, однако при этом еще более странным.

Рис. 33. Специальная теория относительности на судне

Я должен подчеркнуть, что объективные причины, объясняющие особенности поведения скорости света – ее постоянство для всех наблюдателей, – отсутствуют, как отсутствует и более фундаментальный закон, прогнозирующий эту особенность. Это скорее структурный элемент Вселенной, фундаментальная постоянная, которую мы можем не столько прогнозировать, сколько наблюдать. Однако, если бы скорость света все-таки подчинялась принципу относительности Галилея, тогда, как предполагал Эйнштейн, законы физики были бы разными для разных наблюдателей, и в результате мы получили бы более сложно устроенную Вселенную, чем та, в которой мы существуем. Именно благодаря очень странному постоянству скорости света наша Вселенная устроена просто.

Статья, посвященная специальной теории относительности, была опубликована наряду с тремя другими работами Эйнштейна в 1905 году. Этот год вошел в историю физики как «год чудес» (лат. annus mirabilis), поскольку именно в этот год Эйнштейн заслужил репутацию одного из величайших физиков своего времени и получил несколько перспективных предложений работы. Эйнштейн оставляет патентное бюро и несколько лет преподает в университетах Берна, Цюриха, Праги и Берлина (в университете Гумбольдта). Однако в специальной теории относительности оставалось несколько нерешенных вопросов, которые не давали ему покоя на протяжении последующих 20 лет: как быть с ускоряющимися объектами и силой тяжести? Кроме того, ему, как и нам с вами (глава 11), показалась несколько странной необходимость сначала умножать на массу тела, а затем поделить на эту же массу при расчете ускорения для тела, падающего под действием силы тяжести, используя законы Ньютона.

Бритва Эйнштейна

Природа представляет собой реализацию простейших математически мыслимых элементов.

Альберт Эйнштейн (1933)[418],[419]

На протяжении десяти лет Эйнштейн пытается включить ускорение и силу тяжести в свою теорию относительности. Исследованиями в этой области занимается и другой немецкий физик-теоретик, Макс Абрахам, однако его подход, основанный на поиске простых и красивых математических решений, не устраивает Эйнштейна. Он пишет: «Красота и простота его [Абрахама] уравнений ввела меня в заблуждение». Он объясняет свои неудачи тем, что «так всегда происходит, когда мы предпочитаем форму [поиск красивых математических решений] физическому содержанию».

Собственный подход Эйнштейна заключался в том, чтобы вывести уравнения, которые были бы совместимы с максимальным количеством наблюдений, какими бы сложными они при этом ни становились. Значительно позже Эйнштейн убедился в том, что созданные им уравнения были математически обоснованы. А пока он методично проверяет каждое новое сложное уравнение, пытаясь найти математическое обоснование своей теории, и они, одно за другим, не выдерживают этой проверки.