Эйнштейн и относительность

Альберт Эйнштейн предложил знаменитую теорию относительности в 1905 г. В центре его теории — картинка, понятная даже ребенку. Эта теория стала ярчайшим выражением мечты, владевшей Эйнштейном с 16 лет; он тогда задал себе судьбоносный вопрос: что произойдет, если обогнать луч света? Уже юношей он знал, что движение объектов на Земле и в небесах подчиняется механике Ньютона, а свет описывается теорией Максвелла. На тот момент вся физика стояла именно на этих двух столпах.

Эйнштейн первым понял, что «столпы» противоречат друг другу; может быть, в этом и состоит сущность его гения. Один из столпов должен был пасть.

Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда — ведь ни сам свет, ни его скорость не представляют собой ничего особенного. Это означало, что если вы будете нестись рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает.

В конце концов Эйнштейн нашел ответ на этот вопрос; он был тогда студентом в Цюрихе и изучал теорию Максвелла. Он обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Не важно, будете ли вы нестись прочь от светового луча или догонять его, сам он будет двигаться с прежней скоростью, но это, вообще говоря, противоречит здравому смыслу. Эйнштейн нашел ответ на свой детский вопрос: невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.

Но ньютонова механика — сложная система с прочными и жесткими связями: если потянуть за свободный кончик, т.е. хоть немного изменить исходные данные, вся система рассыплется. В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле в точности равна одной секунде на Марсе или Венере. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени. Чтобы скорость света оставалась постоянной, и пространство, и время необходимо было серьезно исказить.

Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времени. Время в корабле и на Земле идет с разной скоростью, в зависимости от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы мы заглянули в такой космический корабль, скажем, при помощи телескопа, мы бы увидели, что часы идут медленно, и люди — сплющенные по ходу движения корабля — двигаются тоже замедленно.

Вообще говоря, если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Поскольку все это представляется невыполнимым и противоречит здравому смыслу, Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. (Тот факт, что объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, означает, что энергия движения переходит в массу. Точное количество энергии, которая при этом превращается в массу, посчитать несложно — всего за несколько строк преобразований можно получить знаменитое уравнение Е = mc².)

С тех пор как Эйнштейн вывел свое прославленное уравнение, его революционные идеи нашли подтверждение буквально в миллионах экспериментов. К примеру, система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать, если не вводить в нее релятивистские поправки. (Поскольку военные теперь тоже зависят от системы GPS, физикам пришлось вводить в курс теории относительности Эйнштейна даже генералов Пентагона.) Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн.

Самое наглядное подтверждение справедливости этой концепции можно найти в ускорителях, где ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей, На гигантском ускорителе CERN, построенном в Швейцарии недалеко от Женевы, — Большом адронном коллайдере — протоны ускоряются до нескольких триллионов электрон-вольт и приближаются вплотную к скорости света.

Для ученого-ракетчика световой барьер пока не представляет насущной проблемы, ведь скорости современных ракет составляют всего лишь 10-15 км/с. Но лет через сто или двести, когда ученые всерьез задумаются об отправке зондов к ближайшей звезде (которую отделяют от Земли четыре с небольшим световых года), световой барьер, скорее всего, постепенно превратится в проблему.