Помоги проекту - поделись книгой:
ГАРДНЕР Мартин
"ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ МИЛЛИОНОВ"
Предисловие к русскому изданию
Книга Гарднера — это популярное изложение специальной и общей теории относительности, действительно рассчитанное на миллионы читателей.
Увлекательно и доступно написанная, она будет понятна всем, начиная со школьников старших классов. Особо следует отметить прекрасные иллюстрации. Благодаря им книга похожа на альбом под названием «Теория относительности в картинках».
Впрочем, именно такой и должна быть популярная книга.
Большим достоинством книги является то, что автор довольно много говорит об истории возникновения теории относительности. Всегда приятно узнавать не только саму истину, но и то, каким образом она добыта, какие люди в этом участвовали, какие гипотезы высказывались. Так, например, в книге довольно много говорится о «принципе Маха». Большинство ученых уже давно от него отказались, но в свое время «принцип Маха» оказывал большое влияние на умы, и без упоминания о нем история была бы неполной.
Особо следует отметить то, что автор говорит не только об уже устоявшихся, всеми принятых положениях, но и о разных спорных вопросах, на которые сейчас еще нет ответа. Поэтому, читая книгу Гарднера, читатель видит живую, развивающуюся науку, которая влечет к себе своими загадками. Уже одно это выделяет эту книгу из многих других популярных изложений теории относительности.
Популярность изложения имеет и свою теневую сторону: Гарднеру волей-неволей приходится прибегать к упрощениям, возникает много неточностей и недомолвок. Некоторые из них имеют принципиальный характер и могут привести к неправильному пониманию сути дела.
Несколько слов об этом будет сказано после того, как вы прочтете книгу.
Предисловие автора
О теории относительности написано столько популярных книг, что читатель может спросить: «Зачем еще одна?» Мне кажется, что еще одна нужна, и вот почему.
1. Лучшие введения в элементарную теорию относительности были написаны много лет назад и сейчас устарели. Правда, в теорию относительности не были внесены какие-либо существенные изменения, но появились новые экспериментальные данные, новое отношение к некоторым проблемам, новые космологические модели. Все это должно быть отражено в современной книге по теории относительности.
2. Лично для меня очень сильным оказалось искушение попытаться еще раз объяснить сложные и важные вопросы возможно более простым образом.
3. Ни одна популярная книга по теории относительности не была столь искусно иллюстрирована.
Блестящее мастерство Антони Равиелли выделяет эту книгу из всех остальных.
Я устоял против соблазна закончить книгу главой, посвященной философским следствиям теории относительности, так как считаю, что в общепринятом смысле слова «философский» теория относительности не имеет следствии. Теория относительности, очевидно, имеет значение для теории познания и философии науки, главным образом благодаря тому, что она демонстрирует невозможность определения математической структуры пространства — времени, иначе как из опыта. Но что касается великих традиционных вопросов философии — бог, бессмертие, свобода воли, добро и зло и т. д., — то здесь теории относительности абсолютно нечего сказать.
Абсурдно мнение, что из теории относительности следует относительность всего, например относительность ценности антропологии или относительность морали. На самом деле это не так, на самом деле теория относительности вводит целый ряд новых «абсолютов».
Иногда утверждают, будто из-за теории относительности труднее представить себе, что вне нас существует «огромный мир», обладающий упорядоченной структурой, которая частично может быть описана законами науки. «По мере развития этой дисциплины (теории относительности), — пишет английский астроном Джеймс Джинс в своей книге «Развитие физической науки», — становится ясно, что явления природы были определены скорее нами и нашим опытом, а не механической вселенной вне нас и независимо от нас».
Этот «субъективизм» или «идеализм», независимо от того, как его называют, чтобы отличить от «реализма» работающих ученых, в последние годы некоторые выдающиеся физики иочему-то связывают с теорией относительности. Это достаточно почтенная метафизическая позиция, но она не получает ни малейшей поддержки со стороны теории относительности. Сам Эйнштейн, без сомнения, не придерживался такого взгляда, в чем вы убедитесь тотчас же, прочтя цитату, которая открывает эту книгу. Я не буду обсуждать здесь этот вопрос. Если читатель им интересуется, он найдет убедительный ответ двух ведущих современных философов науки: Адольфа Грюнбаума (в статье, опубликованной в сборнике «Философия науки») и Филиппа Франка (в гл. 7 его книги «Философия науки»).
Я признателен Джону Стэчелу, профессору физики из Питтсбургского университета, который прочел рукопись книги и внес ценные поправки и предложения. Разумеется, он не может нести никакой ответственности за мои высказывания по спорным вопросам.
1. Абсолютно или относительно?
Два моряка, Джо и Мо, после кораблекрушения оказались на необитаемом острове. Прошло несколько лет. Однажды Джо нашел бутылку, которую выбросили на берег волны. Это была одна из новых огромных бутылок из-под «Кока-кола». Джо побледнел.
«Эй, Мо!» — крикнул он. «Мы с тобой уменьшились!»
Из этой шутки можно извлечь серьезный урок: судить о размерах любого объекта нельзя иначе, как сравнивая их с размерами чего-либо иного. Лилипуты считали Гулливера великаном. Жителям Бробдингнега Гулливер казался крошечным. Велик биллиардный шар или мал? Разумеется, он чрезвычайно велик по сравнению с атомом, но крайне мал по сравнению с Землей.
Жюль Анри Пуанкаре, известный французский математик девятнадцатого века, предвосхитивший многие положения теории относительности, подошел к этому вопросу следующим образом (ученые называют его способ подхода «мысленным экспериментом»: это эксперимент, который может быть воображен, но не может быть выполнен в действительности).
Представьте себе, говорит он, что ночью, когда вы крепко спите, все во Вселенной стало в тысячу раз больше, чем прежде. Говоря все, Пуанкаре имеет в виду действительно все: электроны, атомы, длины волн света, самих вас, вашу кровать, ваш дом. Землю, Солнце, звезды. Сможете ли вы сказать, когда проснетесь, что произошли какие-то изменения?
Можно ли провести такой эксперимент, который доказал бы, что вы изменились в размерах?
Нет, говорит Пуанкаре, такого эксперимента провести нельзя. Действительно, Вселенная оказалась бы такой же, как и прежде. Было бы бессмысленно даже говорить, что она стала больше. «Больше» — это значит больше относительно чего-то другого.
В этом случае чего-то другого нет. Столь же бессмысленно было бы говорить, что вся Вселенная уменьшилась в своих размерах.
Размер, таким образом, относителен. Не существует абсолютного способа определения размеров какого-либо объекта и нельзя сказать, что он имеет такие-то и такие-то абсолютные размеры. Определить размер можно, используя другие мерки, такие, как линейка или метровый стержень. Но какова длина метрового стержня? До 1 января 1962 г. метр определялся как длина определенного платинового бруска, который хранился при постоянной температуре в подвалах Севра, во Франции. С 1 января 1962 г. новым стандартом метра служит длина 1 650 763, 73 длин волн оранжевых лучей определенного типа, испускаемых в вакууме атомом криптона-86. Конечно, если все во Вселенной, включая и длину волны этого излучения, увеличится или уменьшится в одной и той же пропорции, то никаким экспериментальным способом не удастся заметить это изменение.
То же самое справедливо и в отношении интервалов времени. «Много» или «мало» времени требуется для одного оборота Земли вокруг Солнца? Маленькому ребенку время от одного Нового года до другого кажется вечностью. Геологу, привыкшему мыслить периодами в миллионы лет, один год кажется всего лишь одним мгновением. Интервал времени, подобно расстоянию в пространстве, невозможно измерить иначе, как сравнивая его с каким-либо другим отрезком времени. Год определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца; день — временем, необходимым для одного оборота Земли вокруг своей оси; час — временем, за которое совершает один оборот большая стрелка часов. Всегда один интервал времени измеряется сравнением его с другим.
У Г. Уэллса есть известный научно-фантастический рассказ под названием «Новый ускоритель».
Из него можно извлечь лишь такой же урок, что и из шутки о двух моряках, но только урок этот касается не пространства, а времени. Один ученый открывает способ ускорения всех процессов в своем организме. Его сердце бьется чаще, его мозг работает быстрее и так далее. Вы догадываетесь, что произойдет. Все в мире кажется ему замедлившимся почти до полной остановки. Ученый выходит погулять и двигается медленно, чтобы из-за трения о воздух не воспламенились его брюки. Улица полна людей-статуй. Мужчина застыл в тот момент, когда он подмигивал двум проходящим девушкам. В парке играет оркестр, издавая низкое, хрипящее дребезжание.
Пчела жужжит в воздухе, двигаясь со скоростью улитки.
Давайте проведем еще один мысленный эксперимент. Предположим, что в определенный момент все в космосе начинает двигаться медленнее или быстрее или полностью останавливается на несколько миллионов лет, приходя затем снова в движение. Удастся ли заметить это изменение? Такого эксперимента, с помощью которого удалось бы заметить это, не существует. Время, подобно расстоянию в пространстве, относительно.
Многие другие понятия, известные из повседневной жизни, относительны. Рассмотрим понятия «вверх» и «вниз». В прошлые века людям было нелегко понять, почему человек на противоположной стороне Земли висит вниз головой и вся кровь не приливает ему к голове. Дети и теперь сталкиваются с такой трудностью, узнав впервые, что Земля круглая.
Если бы Земля была сделана из прозрачного стекла и вы смогли бы взглянуть в телескоп прямо сквозь нее, вы действительно увидели бы людей, стоящих вниз головой, ногами на стекле. То есть, они казались бы стоящими вниз головой по отношению к вам.
Разумеется, вы казались бы стоящими вниз головой по отношению к ним. На Земле направление «вверх» — это направление от центра Земли. Направление «вниз» — к центру Земли. В межзвездном пространстве нет абсолютного верха и низа, поскольку там нет планеты, которая могла бы служить «системой отсчета».
Представим себе космический корабль в форме огромного бублика, движущийся в солнечной системе. Он вращается, так что центробежная сила создает искусственное гравитационное поле. Находясь внутри корабля, космонавты могут ходить по наружной стенке этого бублика как по полу. Для них «вниз» — это от центра корабля, «вверх» — к центру, т. е. прямо противоположно тому, что имеет место на вращающейся планете.
Таким образом, вы видите, что во Вселенной нет абсолютного «верха» и «низа». Вверх и вниз — это направления по отношению к направлению действия гравитационного поля. Было бы бессмысленно говорить, что, пока вы спали, вся Вселенная перевернулась вверх ногами, поскольку нет ничего, что могло бы служить системой отсчета при решении вопроса о том, какое положение заняла Вселенная.
Другой тип изменения, которое также относительно, — это изменение объекта при его зеркальном отражении. Если заглавную букву R напечатать наоборот, как Я, то вы сразу же увидите, что это зеркальное отражение буквы R. Но если вся Вселенная (включая вас) внезапно станет зеркально отраженной, то у вас не будет способа обнаружить подобное изменение. Конечно, если бы только один человек превратился в свое зеркальное отражение (об этом Г. Уэллс также написал рассказ под названием «Рассказ Плэттнера»), а Вселенная осталась бы прежней, то ему показалось бы, что все стало наоборот. Чтобы прочесть книгу, он должен был бы подносить ее к зеркалу, подобно Алисе в Зазеркалье,[1] ухитрявшейся читать напечатанную зеркально отраженными буквами поэму «Jabberwocky», держа ее перед зеркалом. Но если бы все стало наоборот, то никаким экспериментом не удалось бы обнаружить это изменение. Было бы так же бессмысленно говорить, что имело место подобное обращение, как сказать, что Вселенная перевернулась или удвоилась в размерах.
Абсолютно ли движение? Существует ли какой-либо класс экспериментов, который с определенностью показал бы, движется объект или покоится?
Является движение еще одной относительной категорией, судить о которой можно, только сопоставляя местоположение одного предмета с местоположением другого? Или же движению присуще нечто своеобразное, что делает его отличным от относительных категорий, рассмотренных выше?
Остановитесь и внимательно подумайте над этим некоторое время, прежде чем переходить к следующей главе. Отвечая именно на такие вопросы, Эйнштейн развил свою знаменитую теорию относительности. Его теория так революционна, так противоречит «здравому смыслу», что даже сегодня имеются тысячи ученых (в том числе и физиков), для которых понимание ее основных положений сопряжено с такими же трудностями, с какими сталкивается ребенок, пытаясь понять, почему люди в южном полушарии не падают с Земли.
Если вы молоды, то имеете большие преимущества перед этими учеными. В вашем мозгу еще не выработались те глубокие колеи, по которым мысль так часто бывает вынуждена двигаться. Но, каким бы ни был ваш возраст, если вы готовы поупражнять свои умственные силы, то нет причин, которые помешали бы вам научиться чувствовать себя как дома в этом новом странном мире относительности.
2. Эксперимент Майкельсона—Морли
Относительно ли движение? После некоторого размышления вы могли бы склониться к ответу: «Да, конечно!» Представьте себе поезд, движущийся на север со скоростью 60 км/ч. Человек в поезде идет на юг со скоростью 3 км/ч. В каком направлении он движется и какова его скорость? Совершенно очевидно, что на этот вопрос нельзя ответить, не указав системы отсчета. По отношению к поезду человек движется на юг со скоростью 3 км/ч. По отношению к Земле он движется на север со скоростью 60 минус 3, т. е. 57 км/ч.
Можно ли сказать, что скорость человека по отношению к Земле (57 км/ч) является его истинной, абсолютной скоростью? Нет, потому что имеются и другие, еще более крупномасштабные системы отсчета. Сама Земля движется. Она вращается вокруг своей оси и в то же время движется вокруг Солнца.
Солнце вместе со всеми своими планетами движется внутри Галактики. Галактика вращается и движется по отношению к другим галактикам. Галактики, в свою очередь, образуют сгустки галактик, движущиеся друг относительно друга. Никто не знает, насколько далеко на самом деле может быть продолжена эта цепь движений. Нет очевидного пути определить абсолютное движение какого-либо предмета; иными словами, нет такой фиксированной, окончательной системы отсчета, по отношению к которой можно было бы измерять все движения. Движение и покой, подобно большому и малому, быстрому и медленному, верху и низу, левому и правому, по-видимому, полностью относительны. Нет иного пути измерить движение какого-либо предмета, кроме как сравнивая его движение с движением другого предмета.
Увы, это не так просто! Если бы можно было ограничиться лишь тем, что уже сказано об относительности движения, то не было бы необходимости в создании Эйнштейном теории относительности.
Причина сложности в следующем: имеется два очень простых способа обнаружения абсолютного движения. В одном из методов используются свойства света, в другом — различные явления инерции, возникающие при изменении движущимся предметом траектории или скорости. Специальная теория относительности Эйнштейна имеет дело с первым методом, а общая теория относительности — со вторым.
В этой и двух следующих главах будет рассматриваться первый метод, который может служить ключом к пониманию абсолютного движения, метод, использующий свойства света.
В девятнадцатом веке, еще до Эйнштейна, физики представляли себе пространство наполненным особым неподвижным и невидимым веществом, названным эфиром. Часто его называли «светоносным» эфиром, имея в виду, что он является носителем световых волн. Эфир заполнял всю Вселенную.
Он проникал во все материальные тела. Если бы весь воздух был откачан из-под стеклянного колокола, колокол был бы наполнен эфиром. А как иначе свет мог бы пройти через вакуум? Свет — это волновое движение. Следовательно, должно быть что-то, в чем происходят колебания. Сам эфир, хотя в нем и существуют колебания, редко (если не никогда) движется по отношению к материальным предметам, скорее все предметы движутся сквозь него, подобно движению сита в воде. Абсолютное движение звезды, планеты или какого-либо другого предмета упростится (в этом физики той эпохи были уверены), если движение рассматривать по отношению к такому неподвижному, невидимому эфирному морю.
Но, спросите вы, если эфир нематериальная субстанция, которую нельзя видеть, слышать, чувствовать, обонять или пробовать ни вкус. Но так можно рассматривать движение, например, Земли по отношению к нему? Ответ прост. Измерения могут быть выполнены путем сравнения движения Земли с движением светового пучка.
Чтобы понять это, обратимся на время к природе света. В действительности свет — это лишь небольшая видимая часть спектра электромагнитного излучения, в состав которого входят радиоволны, ультракороткие волны, инфракрасный свет, ультрафиолетовый свет и гамма-лучи. В этой книге мы используем слово «свет» для обозначения любого типа электромагнитного излучения, так как это слово короче, чем «электромагнитное излучение». Свет — волновое движение. Думать о таком движении, не думая одновременно о материальном эфире, казалось физикам прошлого столь же абсурдным, как думать о волнах на воде, не думая о самой воде.
Если выстрелить из движущегося реактивного самолета по направлению его движения, то скорость пули относительно Земли будет больше, чем скорость пули, выпущенной из ружья на Земле. Скорость пули относительно Земли получается сложением скорости самолета и скорости пули.
В случае же света скорость пучка не зависит от скорости предмета, которым свет был испущен. Этот факт был убедительно доказан экспериментально в конце девятнадцатого и начале двадцатого века и с тех пор неоднократно подтверждался. Последняя проверка производилась в 1955 г. советскими астрономами, использовавшими свет от противоположных сторон вращающегося Солнца. Один край нашего Солнца всегда движется к нам, а другой — в противоположную сторону.
Было найдено, что свет от обоих краев приходит к Земле с одинаковой скоростью. Подобные опыты делались и десятилетия назад со светом от вращающихся двойных звезд. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова: она несколько меньше 300 000 км/сек.
Видите, каким образом этот факт дает способ ученому (будем называть его наблюдателем) вычислить свою абсолютную скорость. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с определенной скоростью
Поделиться книгой: