Спеціальна теорія відносності

У 1905 p., коли Альберт Ейнштейн опублікував свою знамениту статтю про те, що незабаром стало називати спеціальною .теорією відносності, він був молодою одруженою людиною 26 років, працював як експерт у Швейцарському патентному бюро. Його кар'єра студента фізики в Цюріхському політехнічному інституті не була блискучою. Він волів читати, думати й мріяти, а не забивати свій розум несуттєвими фактами заради того, щоб на іспитах одержувати високі оцінки. Кілька разів він намагався викладати фізику, але виявився поганеньким учителем, і змушений був залишити викладацьку роботу.

У цій історії є й інший бік. Ще будучи малим хлопцем, Ейнштейн глибоко замислювався над фундаментальними законами природи. Пізніше він згадував про два найбільших "дива" свого дитинства: про компас, який батько показав йому — тоді чотири чи п'ятирічному хлопчику, і про книгу з евклідової геометрії, яку він прочитав у дванадцятилітньому віці. Ці два "дива" символічні для діяльності Ейнштейна: компас — символ фізичної геометрії, структури цього "величезного світу" поза нами, який ми ніколи не зможемо пізнати абсолютно точно; книга — символ чистої геометрії, структури, яка є абсолютно правильною, але не відображає повністю справжнього світу. Уже в шістнадцять років Ейнштейн мав, головним чином завдяки власним зусиллям, ґрунтовні знання з математики, включаючи аналітичну геометрію і диференціальне й інтегральне числення.

Коли Ейнштейн працював у Швейцарському патентному бюро, то багато читав і думав про заплутані проблеми, пов'язані зі світлом і рухом. Його спеціальна теорія відносності була блискучою спробою пояснити безліч незрозумілих експериментів, серед яких дослід Майкельсона-Морлі був найбільш вражаючим і відомим. Слід зазначити, що було багато інших експериментів; отже, становище з теорією електромагнітних явищ склалося вкрай незадовільне. Навіть якби дослід Майкельсона-Морлі і не був ніколи поставлений,, спеціальна теорія відносності все одно була б сформульована. Пізніше Ейнштейн сам говорив про ту незначну роль, що відіграв цей експеримент у його міркуваннях. Звичайно, якби Майкельсон і Морлі зареєстрували ефірний вітер, спеціальна теорія була б відкинута із самого початку. Але негативний результат їхнього досвіду був тільки одним із багатьох фактів, що привели Ейнштейна до його теорії.

Ми бачили, як Лоренц і Фітцджеральд спробували врятувати теорію ефірного вітру, припустивши" що тиск цього вітру якимось поки що незрозумілим чином спричинює насправді фізичне скорочення тіл, що рухаються. Ейнштейн, слідом за

Ернстом Махом, зробив більш сміливе припущення. Причина, через яку Майкельсон і Морлі не змогли спостерігати ефірний вітер, стверджував Ейнштейн, проста: ефірного вітру немає. Він не сказав, що ефіру не існує, а тільки що ефір, якщо він існує, не має значення при вимірюванні рівномірного руху. (В останні роки багато видатних фізиків пропонували, щоб термін "ефір" було відновлено, хоч, звичайно, не в старому розумінні нерухомої системи відліку.)

Класична фізика — фізика Ісаака Ньютона — показала, що якщо ви знаходитеся всередині тіла, яке рівномірно рухається, скажімо, у вагоні потяга, закритому з усіх боків так, що не видно пейзажу, який пробігає повз потяг, то не існує такого механічного експерименту, за допомогою якого ви могли б довести, що ви рухаєтеся. (При цьому, звичайно, припускають, що рівномірний рух відбувається зовсім плавно, без поштовхів або розгойдування вагона, які могли б бути показниками руху.) Якщо ви підкинете кульку прямо вгору, вона впаде прямо вниз. Усе відбувається точнісінько так само, як коли б потяг стояв. Спостерігач, який стоїть на землі, поза вагоном, що рухається, якби він міг бачити крізь його стіни, побачив би шлях кульки кривим. Але для вас, усередині вагона, кулька рухається по прямій угору й униз. І це дуже добре, що тіла поводяться в такий спосіб. У противному випадку було б неможливо грати в ігри, такі як теніс чи футбол. Усякий раз, коли м'яч злітав би в повітря, земля рухалася б під ним зі швидкістю ЗО км/сек.

Спеціальна теорія відносності — це крок уперед від класичної відносності Ньютона. Вона стверджує, що, крім неможливості виявлення руху потяга за допомогою механічного експерименту, неможливо також виявити цей рух за допомогою оптичного експерименту, точніше, за допомогою експерименту з електромагнітним випромінюванням. Коротко спеціальну теорію можна сформулювати так: неможливо виміряти рівномірний рух якимось абсолютним способом. Якщо ми знаходимося в м'якому потязі, який рівномірно рухається, то, щоб переконатися, що ми рухаємося, потрібно виглянути у вікно й подивитися на якийсь інший об'єкт, скажімо, на телеграфний стовп. І навіть тоді ми не зможемо сказати напевно, чи рухається потяг повз стовп, чи стовп повз потяг. Єдине, що ми можемо зробити, це сказати, що потяг і земля перебувають у стані відносного рівномірного руху.

Відзначимо постійне повторення в останньому абзаці слова "рівномірний". Рівномірний рух — це рух по прямій лінії з постійною швидкістю. Нерівномірний, чи прискорений, рух — це рух, що пришвидшується чи сповільнюється (коли він сповільнюється, кажуть, що прискорення негативне), або рух по шляху, який не є прямої лінією. Про прискорений рух спеціальна теорія відносності не може сказати нічого нового.

Відносність рівномірного руху здається досить безневинною, але насправді вона негайно занурює нас у дивний новий світ, який спочатку найбільше нагадує безглуздий світ за дзеркалом Льюїса Керолла. Тому що якщо не існує способу виміряти рівномірний рух відносно універсальної нерухомої системи відліку, подібної до ефіру, то тоді світло повинно поводитися зовсім фантастично, що суперечить усякому досвіду.

Розглянемо космонавта в космічному кораблі, що летить уздовж світлового променя. Корабель рухається зі швидкістю, яка дорівнює половині швидкості світла. Якщо космонавт зробить відповідні вимірювання, він виявить, що промінь усе одно проходить повз нього зі своєю звичайною швидкістю 300000 км/сек. Поміркуйте над цим трохи, і ви незабаром зрозумієте, що так і повинно бути, якщо відкинути поняття ефірного вітру. Якби космонавт встановив, що світло рухається стосовно нього повільніше, він виявив би той самий ефірний вітер, який не вдалося відшукати Май-кельсону й Морлі. Інший випадок, якби його космічний корабель летів прямолінійно в напрямку до джерела світла зі швидкістю, яка дорівнює половині швидкості світла; чи виявив би він, що промінь наближається до нього в півтора рази швидше? Ні, промінь усе одно рухався б назустріч йому зі швидкістю 300000 км/сек. Як би космонавт не рухався щодо променя, його вимірювання завжди будуть давати для швидкості променя ту ж саму величину.

Часто можна почути, що теорія відносності робить усе у фізиці відносним, що вона руйнує всі абсолюти. Подібна думка ще далі від істини. Теорія робить відносними деякі поняття, які раніше вважалися абсолютними, але при цьому вводить нові абсолюти. У класичній фізиці швидкість світла була відносною в тому розумінні, що вона повинна була змінюватися залежно від руху спостерігача. У спеціальній теорії відносності швидкість світла стає в цьому розумінні новим абсолютом. Неважливо, як рухаються джерело світла або спостерігач, — швидкість світла відносно спостерігача ніколи не змінюється.

Уявімо собі два космічних кораблі А і Б. Нехай у космосі немає нічого, крім цих двох кораблів. Вони рухаються назустріч один одному з постійною швидкістю. Чи є який-небудь спосіб, щоб астронавти на кожному з кораблів могли вирішити, який із перелічених трьох випадків є "істинним", або "абсолютним"? Ось ці випадки:

а) корабель А перебуває у стані спокою, корабель Б рухається;

б) корабель Б перебуває в стані спокою, корабель А рухається;

в) обидва кораблі рухаються.

Ейнштейн дає таку відповідь: ні, такого способу не існує. Космонавт на кожному з кораблів може, якщо захоче, вибрати корабель /1 як нерухому систему відліку. Немає ніяких експериментів, включаючи досліди зі світлом або будь-якими іншими електричними чи магнітними явищами, які б довели, що цей вибір неправильний. Те ж саме є справедливим, якщо космонавт вибере корабель Б як нерухому систему відліку. Якщо він воліє розглядати обидва кораблі, що рухаються, він просто вибере нерухому систему відліку поза цими кораблями — точку, відносно якої обидва кораблі рухаються. Не варто ставити питання, який вибір "правильний", а який ні. Говорити про абсолютний рух кожного з кораблів — це значить говорити про щось таке, що не має змісту. Реальним є тільки одне: відносний рух, у результаті якого кораблі зближуються з постійною швидкістю.

Ми не можемо заглиблюватися в технічні деталі спеціальної теорії відносності, особливо в деталі, пов'язані з її математичним апаратом. Ми повинні задовольнитися розглядом деяких з найбільш дивних наслідків, які логічно випливають із того, що Ейнштейн називає двома "основними постулатами" своєї теорії:

1. Не існує способу, щоб встановити, перебуває тіло в стані спокою чи рівномірно рухається відносно нерухомого ефіру.

2. Незалежно від руху джерела світло завжди рухається через порожній простір з однією і тією ж постійною швидкістю.

(Другий постулат