Розділ «3.2 Теорія відносності»

3.2.1 Загальні зауваження

3.2.2 Абсолютно чи відносно?

Два моряки, Джо і Мо, після аварії корабля опинилися на безлюдному острові. Пройшло кілька років. Одного разу Джо знайшов пляшку, яку хвилі викинули на берег. Це була одна з нових величезних пляшок з-під " Кока-коли". Джо сполотнів.

"Гей, Мої" — крикнув він. "Ми з тобою зменшилися!"

Із цього жарту можна дістати серйозний урок: говорити про розміри будь-якого об'єкта не можна інакше, як порівнюючи їх із розмірами чого-небудь іншого. Ліліпути вважали Гуллівера велетнем. Мешканцям Бробдингнега Гуллівер здавався малесеньким. Куля для більярду велика чи мала? Зрозуміло, вона надзвичайно велика порівняно з атомом, але вкрай мала порівняно із Землею.

Жуль Анрі Пуанкаре, відомий французький математик дев'ятнадцятого століття, який передбачив багато положень теорії відносності, підійшов до вирішення цього питання в такий спосіб (учені називають його спосіб підходу "уявним експериментом": це експеримент, який можна уявити, але насправді не можна виконати). Уявіть собі, говорить він, що вночі, коли ви міцно спите, усе у Всесвіті стало в тисячу разів більшим, ніж колись. Говорячи все, Пуанкаре має на увазі справді все: електрони, атоми, довжини хвиль світла, вас самих, ваше ліжко, ваш будинок, Землю, Сонце, зірки. Чи зможете ви сказати, коли прокинетеся, що відбулися якісь зміни? Чи можна провести такий експеримент, який ловів би, що ви змінилися в розмірах?

Ні, говорить Пуанкаре, такого експерименту провести не можна. Справді, Всесвіт виявився б таким, яким і був колись. Було б безглуздо навіть говорити, що він став більшим. "Більше" — це значить більше відносно чогось іншого. У цьому випадку чогось іншого немає. Настільки ж безглуздо було б говорити, що весь Всесвіт зменшився у своїх розмірах.

Розміри, таким чином, є відносними. Не існує абсолютного способу визначення розмірів якого-небудь об'єкта і не можна сказати, що він має такі-то й такі-то абсолютні розміри. Визначити розмір можна, використовуючи інші мірки, такі як лінійка або метровий стрижень. Але яка довжина метрового стрижня? До 1 січня 1962 року метр визначали як довжину конкретного платинового бруска, що зберігався при постійній температурі в підвалах Севру, у Франції. З Ісічня 1962 року новим стандартом метра стала довжина, що становить 1650763,73 довжини хвиль жовтогарячих променів, які випромінює у вакуумі атом криптону-86. Звичайно, якщо все у Всесвіті, включаючи і довжину хвилі цього випромінювання, збільшиться або зменшаться в одній і тій же пропорції, то ніяким експериментальним способом не вдасться помітити цю зміну.

Те ж саме є вірним і стосовно інтервалів часу. "Багато" чи "мало" часу потрібно Землі для того, щоб один раз обернутися навколо Сонця? Маленькій дитині проміжок часу від одного Нового року до іншого здається вічністю. Геологу, що звик мислити періодами, що тривали мільйони років, один рік здається всього лише однією миттю. Інтервал часу, як і відстані в просторі, неможливо виміряти інакше, як порівнюючи його з яким-небудь іншим відрізком часу. Рік визначається періодом обертання Землі навколо Сонця; день - часом, необхідним для одного оберту Землі навколо своєї осі; година — часом, протягом якого велика стрілка годинника робить один оберт. Завжди один інтервал часу вимірюється шляхом порівняння його з іншим.

У Г. Уеллса є відоме науково-фантастичне оповідання під назвою "Новий прискорювач". З нього можна засвоїти такий же урок, як і із жарту про двох моряків, але тільки урок цей стосується не простору, а часу. Один учений відкриває спосіб прискорення всіх процесів у своєму організмі. Його серце б'ється частіше, його мозок працює швидше і так далі. Ви здогадуєтеся, що станеться. Усе у світі буде здаватися йому уповільненим — майже до повної зупинки. Учений виходить погуляти й рухається повільно, щоб через тертя об повітря не загорілися його штани. Вулиця заповнена людьми-статуями. Чоловік застигнув у спокої у той момент, коли, обганяючи двох дівчат, підморгнув їм. У парку грає оркестр, видаючи низьке, хрипке деренчання. Бджола дзижчить у повітрі, рухаючись зі швидкістю слимака.

Давайте проведемо ще один уявний експеримент. Припустимо, що в певний момент усе в космосі починає рухатися повільніше чи швидше або повністю зупиняється на кілька мільйонів років, починаючи потім рухатися знову. Чи вдасться помітити цю зміну? Здійснити такий експеримент, звичайно, неможливо. Час, як і відстані в просторі, відносний.

Багато інших понять, які відомі нам з повсякденного життя, теж відносні. Розглянемо поняття "нагору" й "униз". У минулі століття людям було нелегко зрозуміти, чому людина з протилежного боку Землі висить униз головою, а вся кров не приливає їй до голови. Діти й тепер стикаються з такими труднощами, довідавшись уперше, що Земля кругла.

Якби Земля була з прозорого скла й ви змогли глянути в телескоп прямо крізь неї, то ви справді побачили б людей, які стоять униз головою ногами на склі. Тобто вам здавалося б, що вони стоять униз головою стосовно вас. Зрозуміло, їм здавалося б, що ви стоїте вниз головою стосовно них. На Землі напрямок "угору" — це напрямок від центра Землі. Напрямок "униз" — до центра Землі. У міжзоряному просторі немає абсолютного верху й низу, оскільки там немає планети, яка могла б бути "системою відліку".

Уявімо собі космічний корабель у формі величезного бублика, що рухається в Сонячній системі. Він обертається, так що відцентрова сила створює штучне гравітаційне поле. Перебуваючи всередині корабля, космонавти можуть ходити по зовнішній стінці цього бублика, як по підлозі. Для них "униз" — це від центра корабля, "нагору" — до центра, тобто прямо протилежно тому, що має місце на планеті, яка обертається.

Таким чином, ви бачите, що у Всесвіті немає абсолютного "верху" й "низу". Угору й вниз — це напрямки стосовно напрямку дії гравітаційного поля. Було б безглуздо говорити, що, поки ви спали, увесь Всесвіт перевернувся вгору ногами, оскільки немає нічого такого, що могло б бути системою відліку при вирішенні питання про те, яке положення зайняв Всесвіт.

Інший тип зміни, яка також є відносною, — це зміна об'єкта за умови його дзеркального відображення. Якщо заголовну букву R надрукувати навпаки, як Я, то ви відразу ж побачите, що це дзеркальне відображення букви R. Але якщо весь Всесвіт (включаючи вас) раптово стане дзеркально відображеним, то у вас не буде способу виявити подібні зміни. Звичайно, якби тільки одна людина перетворилася у своє дзеркальне відображення (про це Г. Уеллстакож написав оповідання під назвою "Розповідь Плеттнера"), а Всесвіт залишився б колишнім, то їй здалося б, що все стало навпаки. Щоб прочитати книгу, вона повинна була б підносити її до дзеркала, подібно до Аліси в Задзеркаллі, якій вдавалося читати надруковану дзеркально відображеними буквами поему, тримаючи її перед дзеркалом. Але якби усе стало навпаки, то ніякий експеримент не виявив би цих змін.

Чи абсолютний рух? Чи існує який-небудь клас експериментів, який би напевно встановив, рухається об'єкт чи перебуває у стані спокою? Чи є рух ще однією відносною категорією, пізнати яку можна, тільки зіставляючи місце розташування одного предмета з місцем розташування іншого? Чи ж руху властиве щось своєрідне, що робить його відмінним від відносних категорій, розглянутих вище?

3.2.3 Експеримент Майкельсона-Морлі

Чи відносний рух? Після деяких міркувань ви могли б схилитися до відповіді: "Так, звичайно!" Уявіть собі потяг, що рухається на північ зі швидкістю 60 км/год. Людина в потязі йде на південь зі швидкістю 3 км/год. У якому напрямку вона рухається і яка її швидкість? Зовсім очевидним є те, що на це питання не можна відповісти, не вказавши системи відліку. Стосовно потяга людина рухається на південь зі швидкістю 3 км/год. Стосовно Землі вона рухається на північ зі швидкістю 60 мінус 3, тобто 57 км/год.