Не всё относительно

Подобный мысленный эксперимент провёл в XIX веке учёный-математик Анри Пуанкаре. Он сам ответил на свои вопросы — нет, нельзя. Бессмысленно говорить, что вселенная стала больше. «Больше» — это значит больше относительно чего-то другого. Это говорит о том, что размер относителен. Нельзя сказать, что какой-либо физический объект имеет какие-то абсолютные размеры.

То же самое справедливо и в отношении времени. Один интервал времени невозможно измерить иначе, как сравнивая его с каким-либо другим временным отрезком (например, год определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца). Время также относительно. Относительными являются понятия верх и низ, право и лево.
А что можно сказать о движении? Оно относительно или абсолютно? Существует ли какой-либо эксперимент, который бы показал, движется объект или покоится? Когда мы сидим в вагоне и нам кажется, что поезд тронулся, как узнать, движемся ли мы или движется железнодорожная станция за окном?
Такими же вопросами задавался Эйнштейн перед тем, как сформулировать свою теорию относительности. Но давайте по порядку.

В начале XX века, до того, как Эйнштейн представил миру свою теорию, мир жил в соответствии с законами классической механики Ньютона. Учёные были уверены, что пространство и время абсолютны, то есть должны существовать независимо от материи. Считалось само собой разумеющимся, что одно универсальное время течёт во всём космосе.
Вся наша вселенная, — также считали учёные, — заполнена невидимым и неподвижным веществом — эфиром, который проникает во все материальные тела и в котором распространяются электромагнитные волны.
Ещё в начале XIX века французский физик Огюстен Френель предложил считать свет волновым явлением, а не движением частиц (как думал Ньютон). Чтобы возникали колебания волн, нужна была особая «упругая среда», которую и предложил учёный, назвав её «светоносным эфиром». Для всех физиков того времени наличие «среды» казалось необходимым условием распространения света и электромагнитных полей, также как воздух необходим для распространения звука.

Учёные предположили, что раз Земля движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, то это движение должно создавать «эфирный ветер», дующий навстречу Земле в промежутках между её атомами с такой же скоростью. Чтобы обнаружить этот ветер, нужно было лишь измерить скорость, с которой свет проходит определённое расстояние на земной поверхности туда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом, и эта скорость будет отличаться от установленной величины ≈ 300 000 км/с (это скорость световой волны в неподвижном эфире).
Однако никакие эксперименты не могли обнаружить движение Земли относительно эфира и изменение величины скорости света.
У Эйнштейна хватило смелости предположить: мы не можем обнаружить эфир, потому что его не существует, а величина скорости света неизменна и абсолютна.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую статью «К электродинамике движущихся тел», которую впоследствии стали называть специальной теорией относительности (СТО). Новая теория базировалась на двух постулатах (принципах):

Чтобы понять, в чём смысл первого постулата, представьте два космических корабля, которые движутся навстречу друг другу с постоянной скоростью. В космосе нет ничего, что могло бы стать системой отсчёта. В каждом корабле находится по космонавту. Может ли каждый из космонавтов с абсолютной уверенностью утверждать, что движется только его корабль, либо движется только второй корабль, либо оба корабля находятся в движении?
Нет, отвечает Эйнштейн, не может. Говорить об абсолютном движении любого из кораблей — значит говорить о чём-то не имеющим смысла. Реально только одно: относительное движение, в результате которого корабли сближаются с постоянной скоростью.
Чтобы понять суть второго постулата и глубже понять суть первого, проведём два мысленных эксперимента.

Представьте, что вы находитесь в поезде, который движется с постоянной скоростью 80 км/ч. Вы решили прогуляться до вагона-ресторана и поэтому идёте по ходу движения поезда со скоростью 5 км/ч. Итак, с какой же скоростью вы движетесь на самом деле?
По отношению к поезду вы движетесь со скоростью 5 км/ч. Но с какой скоростью вы будете передвигаться с точки зрения наблюдателя на платформе, мимо которой проезжает поезд? Этот вопрос решается простым сложением вашей скорости и скорости поезда: 85 км/ч.
Так с какой же скоростью вы двигаетесь на самом деле? Такой вопрос является бессмысленным, если не уточняется система отсчёта.

Теперь представьте движущийся поезд, на крыше которого установлен излучатель света. Как мы знаем, скорость света ≈ 300 000 км/с. То есть по отношению к поезду скорость светового луча будет приблизительно равной 300 000 км/с. Но с какой скоростью будет двигаться свет по отношению к тому же наблюдателю на платформе? Казалось бы, мы должны прибегнуть к той же самой формуле сложения скоростей. Однако Эйнштейн заявляет (а многочисленные эксперименты доказывают), что и по отношению к поезду, и по отношению к наблюдателю на платформе скорость остаётся приблизительно равной 300 000 км/с.

У СТО есть несколько интересных следствий, самое захватывающее из которых — относительность времени. Чтобы проиллюстрировать это следствие, давайте проведём ещё один мысленный эксперимент.

Представьте, что в вагоне движущегося поезда есть два выхода, двери на них автоматические, равноудалены от центра и открываются по световому сигналу. Свет зажигается ровно посередине вагона. Вопрос: какая из дверей откроется раньше?
Они откроются одновременно, скажете вы. Ведь свет пройдёт в обоих направлениях одинаковое расстояние с одинаковой скоростью (≈ 300 000 км/с).
Но это если наблюдатель находится в поезде. А что увидит человек, стоящий на платформе, мимо которой едет поезд? Для него задняя дверь вагона идёт навстречу сигналу и откроется раньше, а передняя (она уходит от луча) — позже. То есть для него эти события уже не будут одновременными.

Утверждая это, Эйнштейн отказывается от понятия универсального космического времени. Имеются, говорил он, только местные времена. На Земле, например, каждый летит в пространстве с одной и той же скоростью, следовательно, все часы показывают одно и то же «земное время».

Ещё одним важным следствием СТО является эквивалентность массы и энергии: при определённых условиях энергия переходит в массу, а при некоторых других условиях масса переходит в энергию.
Когда энергия сообщается чайнику путём нагревания (при этом ускоряются его молекулы), содержимое чайника действительно весит немного больше, чем прежде. Когда чайник остывает, его масса уменьшается.
Это увеличение и уменьшение массы бесконечно малы, и ими можно пренебречь (в обычных физических расчётах). Однако это превращение массы в энергию совсем не ничтожно, когда взрывается водородная бомба. Взрыв бомбы — это мгновенное превращение в энергию части массы материала бомбы. Формулу, выражающую соотношение между массой и энергией, знает любой школьник:

E = mc²

где Е — энергия; m — масса; с² — квадрат скорости света.

Эйнштейн получил это выражение из своей специальной теории относительности. Из этой формулы видно, что чрезвычайно малое количество массы способно освободить чудовищное количество энергии.

Так что же революционного было в новой теории Эйнштейна?

Общую теорию относительности (ОТО) стало возможно применять не только к телам, движущихся равномерно и прямолинейно, но и к ускоряющимся объектам. Таким образом, ОТО включила в себя специальную теорию как частный случай. Самое важное — она дала новую интерпретацию гравитации.

ОТО сделала наш мир четырёхмерным: к трём пространственным (длина, высота, ширина) измерениям добавилось время. В трёхмерном мире мы можем говорить о пространственном расстоянии между двумя объектами. В четырёхмерном мире речь идёт уже о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удалённость друг от друга — как по времени, так и в пространстве (да, это сложно понять, а тем более представить!). Все четыре измерения неразрывны и составляют четырёхмерный пространственно-временной континуум или пространство-время.

Как же Эйнштейн интерпретирует гравитацию в этом четырёхмерном пространстве-времени?

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о том, что между любыми двумя телами во вселенной существует сила взаимного притяжения. Например, Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения или гравитационные силы.

Что по этому поводу говорит ОТО?

Согласно теории Эйнштейна, гравитация — это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы объекта. Чем тяжелее объект, тем сильнее искривляется пространство-время под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле.

Представьте себе туго натянутое полотно, в центр которого помещён апельсин. Полотно деформируется под тяжестью апельсина, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Если на полотно поместить маленький мраморный шарик, траектория его движения будет идти вокруг апельсина, постепенно спускаясь вниз по воронке. Апельсин не притягивает шарик. Он создаёт поле (впадину) такой структуры, что шарик, выбирая путь наименьшего сопротивления, скатывается к нему.
Точно так же Луна движется вокруг Земли: траектория движения нашего спутника задаётся искривлением пространства-времени под массивной планетой.

Давайте резюмируем. Специальная теория относительности (СТО) рассматривает механику движения тел в пустом (не искривленном) пространстве-времени. В этой теории Эйнштейн ввёл два постулата. Один из них говорит о том, что не существует способа, чтобы установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного движения. Второй постулат утверждает, что скорость света одинакова для любого наблюдателя во вселенной. Общая теория относительности (ОТО) изучает явления гравитации и искривление пространства-времени объектами, обладающими массой.

Теория относительности помогла людям понять, как небольшая масса вещества может переходить в огромное количество энергии и какие законы управляют чёрными дырами.
Однако у теории Эйнштейна есть следствие, не такое пугающее, как существование чёрных дыр, и не такое опасное, как водородная бомба, — а вполне мирное и сугубо прикладное. Речь о спутниковой системе навигации (GPS, ГЛОНАСС), которая позволяет самолётам ориентироваться в пространстве, такси объезжать городские пробки, а нам «привязать» фотографии в Facebook к месту, где они были сделаны.

Несмотря на всю красоту, логичность и экспериментальную подтверждённость, теория относительности пока не согласована с другой значимой теорией XX века — квантовой механикой. Самый большой вызов для современных физиков — объединить две теории в единую теорию квантовой гравитации, которая в итоге приведёт нас к возможности описать все известные фундаментальные взаимодействия или к «теории всего».