Высший замысел - Стивен Хокинг

Если вы движетесь в воздушной среде навстречу звуковой волне, то волна соприкасается с вами на более высокой скорости, а если вы убегаете от нее, то она достигает вас с меньшей скоростью. Если бы вместо воздуха был эфир, то скорость света изменялась бы аналогичным образом в зависимости от вашего движения относительно эфира. Действительно, если свет ведет себя аналогично звуку, то подобно тому как люди, летящие на сверхзвуковом самолете, никогда не услышат звука, возникающего позади самолета, так и путешественники, достаточно быстро несущиеся сквозь эфир, смогут перегнать световую волну. Исходя из этих соображений, Максвелл предложил провести эксперимент. Если эфир существует, то Земля, совершая свой путь вокруг Солнца, должна двигаться сквозь него. Поскольку Земля в январе движется по своей орбите в одном направлении, а, скажем, в апреле или июле — в другом, то должна быть какая-то возможность заметить крошечную разницу в скорости света в разное время года (см. ил., с. 107).

Движение сквозь эфир. Если бы мы двигались сквозь эфир, то должны были бы ощутить это движение, наблюдая сезонные различия скорости света.

Максвелл намеревался опубликовать эту идею в ведущем научном журнале Великобритании «Труды Королевского общества» («Ргосееdings of the Royal Society»), но редактор отговорил его, высказав сомнение в возможности подобного эксперимента. Однако в 1879 году, незадолго до своей смерти в возрасте сорока восьми лет от рака желудка, Максвелл отправил другу письмо, в котором рассказал о своей идее. Это письмо было опубликовано уже после смерти Максвелла в журнале «Нейчур» («Nature»), где наряду с другими читателями с ним ознакомился и американский физик Альберт Майкельсон (1852–1931). В 1887 году Майкельсон и еще один американский физик, Эдвард Морли (1839–1923), впечатленные догадкой Максвелла, провели высокоточный эксперимент по измерению скорости, с которой Земля движется сквозь эфир. Они поставили перед собой задачу сравнить скорость света в двух разных направлениях, пересекающихся под прямым углом. Если бы скорость света была постоянна относительно эфира, то измерения должны были показать разные величины скорости света в зависимости от направления луча. Но Майкельсон и Морли такой разницы не обнаружили.

Результат эксперимента явно противоречил модели распространяющихся в эфире электромагнитных волн и должен был заставить ученых отказаться от модели эфира. Но целью Майкельсона было измерение скорости Земли относительно эфира, а не доказательство или опровержение гипотезы об эфире, и полученные им результаты не привели к заключению о том, что эфира не существует. И никто другой не пришел когда-либо к такому заключению. Действительно, знаменитый британский физик сэр Уильям Томсон (1824–1907), известный также как лорд Кельвин, в 1884 году сказал, что «светоносный эфир — это… единственная субстанция, которой мы доверяем в динамике. В чем мы уверены, так это в реальности и материальности светоносного эфира».

Можно ли было верить в существование эфира после результатов эксперимента Майкельсона — Морли? Как мы уже говорили, зачастую люди стараются спасти модель, дополняя ее различными ухищрениями и особыми условиями. Некоторые допускали, что Земля тянет эфир за собой, так что в действительности мы не движемся относительно него. Голландский физик Хендрик Антон Лоренц (1853–1928) и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд (1851–1901) предположили, что в системе отсчета, движущейся относительно эфира, часы — вероятно, из-за какого-то пока еще неизвестного механического воздействия — замедляют ход, а расстояния сжимаются, так что измерения скорости света давали бы ту же самую величину. Подобные попытки спасти представление об эфире продолжались почти двадцать лет, пока не появилась поразительная статья неизвестного молодого клерка Альберта Эйнштейна — сотрудника Бернского патентного бюро.

Когда в 1905 году Эйнштейн опубликовал свою статью «Zur Elektrodynamik bewegter Korper» («Об электродинамике движущихся тел»), ему было двадцать шесть лет. В этой статье он сделал простое предположение, что законы физики, и в частности скорость света, должны выглядеть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей. Эта идея, как оказалось, потребовала революции в нашем понимании пространства и времени. Чтобы уяснить, почему это так, представьте себе два события, которые происходят в одной и той лее точке внутри реактивного самолета, но в разное время. Для наблюдателя, находящегося в самолете, расстояние между местами, в которых произошли эти два события, будет равно нулю. Но для наблюдателя, находящегося на земле, они будут разделены расстоянием, которое самолет преодолел за время, прошедшее между событиями. Это показывает, что два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, не достигнут согласия в оценке расстояния между двумя событиями.

Теперь предположим, что два наблюдателя следят за вспышкой света, направленной от хвоста самолета к его носу. Как и в приведенном выше примере, у них не будет согласия в оценке расстояния, которое прошел свет от точки его вспышки на хвосте самолета до точки его приема на носу. Поскольку скорость равна пройденному расстоянию, деленному на время прохождения, это означает, что если у них есть согласие о скорости, с какой перемещается вспышка (то есть о скорости света), то они не согласятся в оценке интервала времени между моментом испускания света и моментом его приема.

Странно здесь то, что хотя у двух наблюдателей получаются различные значения времени, они видят один и тот же физический процесс. Эйнштейн не пытался дать искусственного объяснения этому. Он пришел к логичному, хотя и шокирующему заключению, что измерение затраченного времени, как и измерение пройденного расстояния, зависит от наблюдателя, выполняющего измерения. Этот эффект является одним из ключей к теории, изложенной Эйнштейном в его статье 1905 года. Эта теория стала называться специальной теорией относительности.

Мы можем увидеть, каким образом этот анализ применим к устройствам хронометрирования, если проанализируем поведение двух наблюдателей, следящих за часами. Согласно специальной теория относительности, часы идут быстрее для того наблюдателя, который неподвижен относительно часов. Для наблюдателей, которые не находятся в покое относительно часов, они идут медленнее. Если световой импульс, направленный от хвоста самолета к его носу, уподобить тиканью часов, то мы увидим, что для наблюдателя на земле часы идут медленнее, поскольку световому лучу в этой системе отсчета приходится преодолевать большее расстояние. Но этот эффект не зависит от механизма часов, что верно для любых часов, далее для наших собственных — биологических.

Летящий самолет. Если в реактивном самолете ударить мячиком об пол, то наблюдатель на борту увидит, что при каждом последующем прыжке мячик будет отскакивать от одной и той же точки, а вот наблюдателю, находящемуся на земле, будет казаться, что точки подскакивания мячика разделены большими расстояниями.

В статье Эйнштейна было показано, что, подобно понятию неподвижности, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон. Иными словами, невозможно каждому событию присвоить время, с которым согласятся все наблюдатели. Напротив, у каждого из наблюдателей будет собственный результат измерения времени, а результаты, полученные двумя наблюдателями, движущимися относительно друг друга, будут различаться. Идеи Эйнштейна противоречат нашему интуитивному ощущению, поскольку их последствия незаметны на скоростях, с которыми мы обычно имеем дело в повседневной жизни. Но они неоднократно подтверждались экспериментально. Представьте, например, часы, расположенные неподвижно в центре Земли, еще одни часы на поверхности Земли и третьи часы — в самолете, летящем либо в направлении вращения Земли, либо против ее вращения. По отношению к часам в центре Земли часы в самолете, летящем на восток (в направлении вращения Земли), перемещаются быстрее, чем часы, расположенные на поверхности Земли, и потому их ход должен быть медленнее. Подобным же образом часы в самолете, летящем на запад (против вращения Земли), перемещаются медленнее, чем часы на поверхности Земли, и это означает, что часы в самолете должны идти быстрее, чем часы, расположенные на поверхности Земли. Именно это и наблюдалось, когда в эксперименте, проведенном в октябре 1971 года, очень точные атомные часы были отправлены в кругосветный полет. Так что вы сможете продлить свою жизнь, если будете постоянно летать вокруг земного шара в восточном направлении, хотя вас наверняка утомят кинофильмы, которые показывают во время полета. Однако эффект будет весьма малым — около 180 миллиардных долей секунды за каждый облет вокруг земного шара (и даже несколько меньше за счет разницы в гравитации, но здесь мы не будем вникать в это).