Розділ «3.2 Теорія відносності»

в) обидва кораблі рухаються.

Ейнштейн дає таку відповідь: ні, такого способу не існує. Космонавт на кожному з кораблів може, якщо захоче, вибрати корабель 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 не слід змішувати, як це часто роблять, зі сталістю швидкості світла відносно спостерігача, який рівномірно рухається. Це положення випливає з постулатів.)

Інші фізики, звичайно, розглядали обидва постулати. Лоренц спробував примирити їх у своїй теорії, де абсолютні довжини й часи змінювалися в результаті тиску ефірного вітру. Більшість фізиків сприйняли це як занадто радикальне порушення здорового глузду. Вони воліли вважати, що постулати несумісні й принаймні один з них повинен бути хибним. Ейнштейн дослідив цю проблему більш глибоко. Постулати несумісні тільки в тому випадку, стверджує він, якщо ми відмовляємося відкинути класичну точку зору, що довжина й час є абсолютними.

Коли Ейнштейн опублікував свою теорію, то не знав, що Лоренц міркував у тому ж напрямку, але, як і Лоренц, він зрозумів, що результати вимірювання довжини й часу повинні залежати від відносного руху об'єкта й спостерігача. Однак Лоренц пройшов тільки половину шляху. Він зберіг поняття абсолютної довжини й часу для тіл, які перебувають у стані спокою. Лоренц вважав, що ефірний вітер спотворює "істинні" довжину й час. Ейнштейн пройшов цей шлях до кінця. Ефірного вітру не існує, заявив він. Немає потреби в поняттях абсолютної довжини й часу. Це ключ до спеціальної теорії Ейнштейна. Коли він його повернув, усі замки почали повільно відкриватися.

Щоб наочно пояснити спеціальну теорію, Ейнштейн запропонував свій знаменитий уявний експеримент. Уявімо собі спостерігача М, який стоїть біля залізничного полотна. На деякій відстані в напрямку руху знаходиться точка Б. На такій же відстані проти напрямку руху є точка А. Нехай сталося так, що одночасно в точках А і Б спалахує блискавка. Спостерігач вважає, що ці події одночасні, тому що він бачить обидва спалахи в ту саму мить. Оскільки він знаходиться посередині між ними й оскільки світло поширюється з постійною швидкістю, то він робить висновок, що блискавка вдарила одночасно в цих двох точках.

Тепер припустимо, що, коли вдаряє блискавка, уздовж полотна в напрямку від А до Б з великою швидкістю рухається потяг. У той момент, коли відбуваються обидва спалахи, спостерігач усередині потяга — назвемо його АГ — знаходиться саме напроти спостерігача М, який стоїть біля полотна. Оскільки М'рухається в напрямку до одного спалаху і віддаляється від іншого, він побачить спалах у Б раніше, ніж в А. Спостерігач М знаючи, що він рухається, візьме до уваги скінченність швидкості світла й також зробить висновок, що спалахи відбулися одночасно.

Усе дуже добре. Але відповідно до двох основних постулатів спеціальної теорії (підтверджених досвідом Майкельсона-Морлі) ми можемо з таким же правом припустити, що потяг перебуває у стані спокою, тоді як Земля швидко рухається назад під його колесами. З погляду М спостерігача в потязі, спалах у Б справді відбувся раніше, ніж в А, — тобто в тій послідовності, в якій він їх спостерігав. Він знає, що знаходиться посередині між цими спалахами і, оскільки вважає себе нерухомим, змушений визнати, що спалах, який він побачив першим, відбувся раніше, ніж той, який він бачив другим.

М, спостерігач на Землі, змушений погодитися. Правда, він бачить спалахи як одночасні, але тепер ми припускаємо, що він рухається. Коли М візьме до уваги швидкість світла і той факт, що він рухається назустріч спалаху в А і від спалаху в 2>, то зробить висновок, що спалах у Б повинен був відбутися раніше.

Отже, ми змушені визнати, що на питання, чи були спалахи одночасними, не можна відповісти абсолютно однозначно. Відповідь залежить від вибору системи відліку. Звичайно, якщо дві події відбуваються одночасно в одній і тій же точці, то можна абсолютно впевнено сказати, що вони одночасні. Коли два літаки зіштовхуються в повітрі, немає такої системи відліку, в якій ці літаки розвалилися б неодночасно. Але чим більша відстань між подіями, тим сутужніше вирішити питання про їх одночасність. Справа не в тому, що ми просто не здатні довідатися про справжній стан справи. Немає реального істинного стану справи. Не існує абсолютного часу для Всесвіту, яким можна було б виміряти абсолютну одночасність. Абсолютна одночасність подій, що відбуваються в різних точках простору, є поняттям, яке позбавлене змісту

Усю радикальність такого уявлення можна зрозуміти з уявного експерименту, в якому розглядаються величезні відстані й величезні швидкості. Припустимо, що хтось на планеті X, в іншій частині нашої Галактики, намагається зв'язатися із Землею. Він посилає радіосигнал. Цей сигнал, зрозуміло, являє совою електромагнітну хвилю, що поширюється в просторі зі швидкістю світла. Припустимо, що Земля й планета X розділені відстанню, що становить приблизно 10 світлових років. Це означає, що потрібно 10 років для того, щоб сигнал досягнув Землі: За дванадцять років до того, як радіоастроном на Землі одержує сигнал, цього астронома нагороджують Нобелівською премією. Спеціальна теорія дозволяє нам сказати, без будь-яких застережень, що він одержав цю премію раніше, ніж було послано сигнал із планети X.

Через десять хвилин після одержання сигналу цей астроном чхає. Спеціальна теорія відносності дозволяє нам сказати, також без будь-яких застережень, що астроном чхнув після того, як було послано сигнал із планети X

Припустимо тепер, що в якийсь момент часу протягом тих 10 років, коли радіосигнал прямував до Землі (скажімо, за 3 роки до того, як сигнал був отриманий), астроном упав зі свого радіотелескопа й зламав ногу. Спеціальна теорія не дозволяє нам сказати без застережень, що він зламав ногу раніше чи пізніше, ніж було послано сигнал із планети X.

Доказ полягає в наступному. Спостерігач, який залишає планету X у той момент, коли посилається сигнал, і рухається до Землі з невеликою швидкістю, якщо її вимірювати відносно Землі, виявить (відповідно до своїх вимірів часу), що астроном зламав ногу після того, як було послано сигнал. Звичайно, він прибуде на Землю набагато пізніше після одержання сигналу, можливо, через століття. Але коли він обчислить дату посилання сигналу за своїм годинником, вона буде більш ранньою, ніж дата, коли астроном зламав ногу. Інший спостерігач, який також залишає планету X у той момент, коли посилається сигнал, але летить зі швидкістю, близькою до швидкості світла, виявить, що астроном зламав ногу до того, як було послано сигнал. Замість того, щоб витратити століття на свою подорож, він здійснить її, скажімо, за ненабагато більше, як за 10 років, якщо вимірювати час на Землі. Але внаслідок уповільнення часу в космічному кораблі, який швидко рухається, космонавту в цьому кораблі буде здаватися, що він здійснив свою подорож усього лише за кілька місяців. На Землі йому скажуть, що астроном зламав ногу не більш як 3 роки тому. Годинник космонавта свідчитиме, що сигнал було послано кілька місяців назад. Він зробить висновок, що астроном зламав ногу за кілька років до того, як сигнал пішов із планети X.

Якби космонавт летів так само швидко, як і світло (зрозуміло, це тільки припущення, насправді ж це неможливо), його годинник зовсім би зупинився. Йому 6 здавалося, що переліт відбувся миттєво. З його погляду, обидві події — посилання сигналу і його одержання — були б одночасними. Усі події, що відбулися на Землі протягом 10 років, здавалися б йому такими, що трапилися раніше, ніж було послано сигнал. Але, відповідно до спеціальної теорії, не існує "загальної" системи відліку: немає ніяких підстав віддати перевагу точці зору одного спостерігача, а не іншого. Обчислення, які виконав космонавт, що летів швидко, настільки ж законні, настільки ж "істинні", як і обчислення, які виконав космонавт, що летів повільно. Немає універсального, абсолютного часу, до якого можна було б вдатися, щоб встановити відмінності між ними.

Це руйнування класичного поняття абсолютної одночасності є, без сумніву, найбільш "прекрасним несподіваним" аспектом спеціальної теорії. Ньютон вважав очевидною істиною, що один універсальний час тече у всьому космосі. Так само вважали Лоренц і Пуанкаре. Саме це перешкодило їм відкрити спеціальну теорію раніше від Ейнштейна. Завдяки своїй геніальності Ейнштейн зрозумів, що теорію неможливо сформулювати вичерпно, логічно без повної відмови від поняття універсального космічного часу.

Існує, як вважав Ейнштейн, тільки місцевий час. На Землі, наприклад, кожний летить у просторі з однією і тією ж швидкістю: отже, всі годинники показують один і той самий "земний час". Місцевий час такого типу для об'єктів, що рухаються подібно до Землі, називається "власним часом" даного об'єкта. Усе ще існують абсолютні "до" і "після" (очевидно, жоден космонавт не може померти до свого народження), але якщо події розділені великими відстанями, то існують тривалі часові інтервали, у межах яких неможливо сказати, яка з двох подій відбувалася раніше чи пізніше. Відповідь залежить від руху спостерігача відносно цих двох подій. Зрозуміло, рішення, отримане одним спостерігачем, настільки ж "істинне", як і інше рішення, отримане іншим спостерігачем. Усе це із залізною логікою випливає із двох основних постулатів спеціальної теорії.