Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 15

То же относится и к другим принятым в классической механике свойствам времени и пространства. Они представляются нам естественными и даже самоочевидными. Но наше чувство естественного и наше понимание очевидности воспитаны опытом, который по неизбежности всегда остается ограниченным. И за границами этого опыта мы уже не можем доверять нашему непосредственному чувству и пониманию. Но новый опыт, новые данные и сведения, почерпнутые из физических экспериментов и наблюдений, могут значительно расширить границы понимания и многое изменить даже в самых простых взглядах на мир. Так это постоянно и происходит в науке.

Так произошло и с физической наукой о времени, пространстве и движении. Рамки ее были необычайно расширены новейшей физикой XX века. Современное понимание мира много шире и глубже, чем во времена Ньютона. Выяснилось, что разные свойства времени и пространства, одинаково безоговорочно принимаемые и утверждаемые классической механикой, на самом деле по-разному «выдерживают напор» новых данных и сведений и некоторые из них определенно должны быть пересмотрены; другие же должны быть поставлены под вопрос и подвергнуты строгой проверке в нынешних или будущих экспериментах и наблюдениях.

Все это, однако, не отменяет классическую механику. В своей области применимости — огромной, но ограниченной, как мы это теперь понимаем, — она была и остается целиком оправданной и полностью справедливой. По словам Эйнштейна, одного из первых творцов новейшей физики, выводы, к которым пришел Ньютон «при современном ему состоянии науки были единственно возможными и, в частности, единственно плодотворными». Классическая механика как теория механических явлений определенного круга и масштаба исправно служит нам и поныне. На ней основаны все практические применения механики — от простейших устройств до самых сложных машин и механизмов. Это вместе с тем и ясная, удобная в повседневной практике физическая концепция времени.

ГЛАВА 5

ВРЕМЯ И СВЕТ

Говорят, что Эйнштейн немало удивил однажды своих собеседников, сказав, что никогда не понимал, что такое абсолютное время, — то есть того, что, как всем казалось, было общеизвестно.

Конечно, он знал об абсолютном времени, о его роли в классической механике все, что было известно. Но его взгляду на физический мир с самого начала была чужда вечная универсальность, принципиальная неизменность абсолютного времени. Почему время всегда и везде течет в одинаковом темпе? Чем этот темп задается и что его контролирует? Неужели существует какой-то способ регулировать ход времени сразу и одновременно во всей Вселенной?

Эти вопросы побуждали к критическому анализу физики Галилея и Ньютона.

Эйнштейн прекрасно видел, что на практике классическая механика действует безупречно. Два столетия она шла от одного достижения к другому и ничто, казалось, не предвещало каких-то препятствий, заминок или неудач. Но Эйнштейн испытывал внутреннюю неудовлетворенность идейной стороной, самой основой классической науки. В этой основе виделись ему непоследовательность и противоречия.

Из глубоких раздумий о реальном мире физических явлений, из критического анализа классической механики с ее концепцией абсолютного времени и абсолютного пространства родилась теория относительности Эйнштейна, которой суждено было произвести настоящий переворот в физике. К этому успеху привели Эйнштейна не только собственные научные усилия, но и замечательные результаты, достигнутые в той же области исследований его предшественниками и современниками, Дж. К. Максвеллом в Англии, X. Лоренцом в Голландии, А. Пуанкаре во Франции.

Ключом к созданию теории относительности послужило, прежде всего, понимание особых свойств света, которые оказались удивительным образом связанными со свойствами времени.

Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (1879—1955) писал о физической науке на рубеже XX века: «Несмотря на то что в отдельных областях она процветала, в принципиальных вещах господствовал догматический застой». А его интересовали именно «принципиальные вещи». И здесь он был смолоду решителен; порвав с давно уже

устоявшимися и привычными для физиков представлениями о времени и пространстве, он стал на новую точку зрения и не отступил, когда созданная им теория привела к выводам, которые многим, если не всем, казались поначалу странными, парадоксальными, а то и вовсе нелепыми.

Любимым чтением в детстве и юности были у Эйнштейна научно-популярные книжки по физике и математике. В двенадцать лет в руки ему попала небольшая книга по геометрии Евклида. Она, как говорят биографы, произвела на будущего ученого впечатление чуда. Впоследствии он не раз вспоминал о первых впечатлениях от классической геометрии: «Тот не рожден для теоретических исследований, кто в молодости не восхищался этим творением».

В 1905 году, когда ему было 26 лет, Эйнштейн опубликовал научную работу «К электродинамике движущихся тел» и краткую заметку, посвященную формуле Е = mc2. С этого началась теория относительности. А формула Эйнштейна стала самой знаменитой физической формулой XX века. К 1916 году разработка теории относительности была им завершена.

Эйнштейн говорил, что теория относительности — это дом с двумя этажами. Первый этаж — так называемая специальная теория относительности (1905 год), а второй — общая теория относительности (1908—1916 годы). На обоих своих «этажах» теория Эйнштейна имеет дело с самыми фундаментальными представлениями о физическом мире, предмет которых — теория времени, пространства и тяготения.

За теорией относительности с первых же лет после ее создания ходила слава непостижимой, вокруг нее возникали легенды. Утверждалось, что во всем мире теорию Эйнштейна понимают три человека, включая ее автора. Позже говорилось, что не три, а двенадцать, но уже без автора. Сам Эйнштейн шутил: «С тех пор как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».

Сейчас теория относительности стала неотъемлемым, обязательным элементом физического мировоззрения и физического образования. На нее опираются, ее так или иначе используют в своих исследованиях физики, работающие в самых разнообразных областях. Без нее немыслимы такие разделы науки, как теория элементарных частиц и космология, первая из которых исследует самые малые тела природы, а вторая — самый большой ее объект, Вселенную как целое. Вместе с развитием физики, с расширением различных применений теории относительности вокруг нее постепенно рассеивался туман таинственности, и теперь она предстает перед всеми в своей глубине, ясности и стройности.

Математическая сторона теории относительности непроста. Но принципиальная основа теории не скрывается за математической формой, сколь бы сложной она ни была. Исходные идеи новейшей физики и главные ее результаты глубоки, но по самому существу просты и потому, к счастью, допускают такое изложение или объяснение, при котором многое становится ясным и без формул.

Система отсчета

В специальной теории рассматриваются явления, для которых силы тяготения в любых их проявлениях слабы или вовсе несущественны. Общая теория — это теория пространства, времени и тяготения.

Может показаться, что в идейной своей основе специальная теория относительности не очень далеко отходит от классической механики. В ней, например, по-прежнему действует принцип относительности. Но теперь его распространяют не только на движения тел, то есть на механические явления, но и вообще на все физические явления. Вот что говорит Эйнштейн.

«Представим себе двух физиков, у обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого — в вагоне поезда, быстро несущегося в определенном направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения всех существующих в природе законов — один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не за- зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета».