Со скоростью света… (Теория относительности)

Появление второй научной картины мира было связано в первую очередь со сменой геоцентризма гелиоцентризмом. Третья научная картина мира отказалась от какого-либо центризма вообще. По новым представлениям Вселенная стала рассматриваться безграничной, а у безграничности, как известно, не может быть центра. А вернее, таким центром можно считать любую точку. Но это будет условный, или относительный центр, и вся система отсчета, связанная с ним, тоже будет условной или относительной. То есть она будет верна при одном выбранном центре (или относительно его), но не при другом (относительно другого). Таким образом, все системы отсчета и все вытекающие из них утверждения будут относительными – правильными в одних координатах и неправильными в других. Относительный по-латыни relativus, поэтому третья научная картина мира часто называется релятивистской.

В ее основу легла знаменитая теория относительности, созданная Эйнштейном в начале XX в. Основу этой теории составило новое представление о пространстве и времени, которое перевернуло все привычные представления и очевидные истины, считавшиеся безусловными в классическом естествознании, базировавшемся на ньютоновской механике. По представлениям Ньютона, пространство и время являются вместилищами материи. Они существуют вечно, сами по себе, всегда неизменны и ни от чего не зависят. Так, например, если бы материи не было, то пространство и время все равно были бы. То есть им абсолютно безразлично, заполнены они материей или нет; они вполне могут существовать пустыми. Для иллюстрации можно сравнить их с сосудом, а материю – с жидкостью, которая наливается в него. Так вот, сосуд остается всегда одним и тем же, несмотря ни на какие изменения, происходящие в жидкости, содержащейся в нем. Ее может быть мало, много, вовсе не быть; она может быть теплой или холодной, окрашенной или бесцветной и так далее. Все это никак не влияет на сосуд, в котором она содержится. Так же и ньютоновские пространство и время всегда остаются одними и теми же, несмотря ни на какие изменения, происходящие с материей, их заполняющей.

Объектом изучения классического естествознания, считавшего пространство и время вместилищами материи, был макромир (от греч. makros – большой). Это мир, в котором мы живем, реальность, повседневно нас окружающая. Расстояния в нем измеряются миллиметрами, сантиметрами, метрами и километрами, а время – секундами, минутами, часами, месяцами и годами. Однако по современным представлениям помимо макромира есть еще две области действительности. Одна из них – это микромир (от греч. mikros – маленький) – сфера предельно малых объектов, где расстояния измеряются величинами от 10 до 10 см, а время жизни от бесконечности до 10 с. Для пояснения скажем, что 10 см = 10 мм – миллиардной части миллиметра; величина же 10 см еще в миллион раз меньше. Что касается временных промежутков, то 10 с, например, – миллиардная часть секунды. Другая область реальности – это мегамир (от греч. megas – очень большой) – сфера колоссальных космических расстояний и громаднейших временных промежутков. Расстояния в нем измеряются световыми годами, а время существования объектов – миллионами и миллиардами лет. Например, ближайшая к нам галактика – туманность Андромеды – находится от нас на расстоянии 2 700 000 световых лет. Это значит, что для достижения этой галактики нам надо 2 700 000 лет (а один год, как известно, – это 365 дней) лететь к ней со скоростью света (300 000 км/с).

Проникновение научной мысли в микромир и мегамир началось в первые годы XX в., стало главным признаком третьей научной революции и одной из основных черт новой, неклассической картины мира. Классическое естествознание имело дело только с макромиром, который мы можем непосредственно наблюдать и который поэтому является для нас наиболее изученным, простым и понятным. Наши о нем представления во многом исходят из очевидных вещей и здравого смысла. Совсем наоборот обстоит дело с микро-и мегамирами, которые выходят за пределы нашего жизненного опыта и недоступны для нашего наблюдения. Неудивительно поэтому, что законы, которые там действуют, вполне могут не совпадать с простыми представлениями, привычными ожиданиями, очевидными вещами и здравым смыслом.

Если, согласно классической механике, пространство и время – независимые и неизменные мировые объекты, никак не связанные с материей, которая их заполняет, то теория относительности Эйнштейна показала, что такое утверждение справедливо только для макромира, то есть для земных условий, масштабов и скоростей. И действительно, с какой бы скоростью ни передвигались по Земле и в ее атмосфере материальные объекты, пространство и время для всех этих объектов никак не меняются, постоянно остаются одними и теми же. Однако если рассмотреть скорости, которые в сотни раз превышают земные, то картина окажется совершенно иной. Самой большой из всех известных и возможных скоростей является скорость света. Она равна 300 000 км/с. Любая земная скорость по сравнению с ней может считаться равной нулю. У Леонида Мартынова есть такие стихи:

Это почти неподвижности мука —

Мчаться куда-то со скоростью звука,

Зная при этом, что есть уже где-то

Некто, летящий со скоростью света.

Так вот А. Эйнштейн неопровержимо доказал в своей теории относительности, что при движении материальных объектов со скоростями, близкими к скорости света, и пространство, и время для этих объектов меняются: пространство искривляется, а время начинает течь медленнее, что совершенно невероятно для привычных нам земных условий и напрочь исключается законами ньютоновской механики. На самом деле ничего удивительного нет. Просто земные условия и скорости – это одна система отсчета, а космические масштабы и скорость света – совсем другая. Для одной системы отсчета пространство и время представляют собой одно, а для другой – совершенно другое. Стало быть, никакой абсолютной, точной, безупречной, везде и всегда верной и единственной картины и системы отсчета быть не может, так как все относительно. Понятно, почему открытие Эйнштейна получило название теории относительности.

Для пояснения выводов, следующих из нее, приведем простой пример. Допустим, с Земли стартовал космический корабль со скоростью, близкой к световой, и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Однако по часам корабля этот полет продолжался бы всего год (ведь при движении со скоростью света ход времени по сравнению с земным значительно замедляется). Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца. Нельзя спрашивать, почему за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Ведь в разных системах отсчета (на Земле и в космическом корабле) время текло по-разному, и сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, тогда как в корабле прошел всего один год.

Теория относительности доказала, что не существует неизменного и абсолютного как пространства, так и времени. Если и то и другое меняется вслед за изменениями, происходящими в материи (например, изменениями скорости), значит, пространство и время – это не независимые от материи ее вместилища, как считал Ньютон, а, наоборот, ее неотъемлемые свойства, или признаки, или качества. По новым представлениям без материи нет ни пространства, ни времени, так же как без пространства и времени не может быть материи. Говоря проще, пространство, время и материя – это не разные (наподобие сосуда и налитой в него жидкости), а равнозначные понятия. Когда в апреле 1921 г. корреспондент «Нью-Йорк таймс» спросил Эйнштейна, как бы он мог просто и кратко сформулировать главную идею своей теории, тот ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы; согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

Теория относительности вовсе не опровергла законы классической механики. Она показала, что они справедливы только для определенных условий или масштабов и не могут быть всеобщими. Они способны описать и объяснить только некий фрагмент реальности, но далеко не все существующее. Теория относительности, охватившая гораздо большую область действительности по сравнению с объектами классического естествознания, включила в себя классическую механику на правах частного случая, установив ограниченную область ее применения.

Проверь себя

1. Почему третья научная картина мира называется релятивистской?

2. Что является главным объектом теории относительности? Что представляют пространство и время с точки зрения классической механики?

3. Что такое макро-, микро– и мегамир? Какой из них был объектом классического естествознания? Чем отличаются человеческие представления о макромире от представлений о микро– и мегамирах?

4. Какова основная идея теории относительности? Чем являются пространство и время с ее позиций?

5. Почему нельзя говорить, что теория относительности опровергла законы классической механики? Как соотносятся теория относительности и классическая механика?