Вызов второй – базовым предположениям об “одновременности”

Вызов второй – базовым предположениям об “одновременности”

Классическое измерение “пространства” зависит от измеряющего – наблюдающего за началом и концом какого-либо опыта при помощи прибора измерения, например линейки. Эйнштейн осознавал, что за определением “одновременности” стоит фундаментальное предположение одновременности происходящих событий: и начало, и конец наблюдаемого объекта на линейке видны в одно и то же время. Хотя это предположение вполне соответствует нашему нормальному (хотя и ограниченному) восприятию мира, но как быть с очень большими расстояниями (до планет и до звезд) и очень малыми (расстояние между атомами), сверхскоростями (скорость света) или с движением двух “пространств” относительно друг друга?

Эйнштейн понимал, что вся физика и в основном все способы восприятия людьми мира строились на определенных предположениях об измерении. Например, как вы определите, с какой скоростью мчится всадник на световом луче? Как вообще мы измеряем что-либо на земле? Берем измерительный прибор-линейку, измерительную ленту и т.п., устанавливаем единицу измерения и отмечаем, где начало и где конец.

А если объект, который я измеряю, движется очень быстро? Я мог бы видеть его левый край в начале линейки, скажем, во время -1 (t1), но, когда я переведу глаза, чтобы увидеть, где этот объект заканчивается, он сдвинется. Иными словами, если я начну измерять объект (например доску), концентрируясь на одной лишь его стороне во время t1, и в тот момент, когда я посмотрю на линейку и на измеряемую часть доски, чтобы проверить: совпадают ли деления, доска начнет двигаться. Тогда я смогу измерить лишь некоторую часть предмета от действительного его размера.

Если бы вы, находясь на астероиде, попытались измерить линейкой нечто движущееся, в то время, когда вы будете переводить взгляд с одного конца линейки на другой, ваш объект улетит на весьма существенное расстояние.

Чтобы получить более “ясную картину” данной концепции и открыть, какие же кажущиеся бесспорными положения стоят за ней, Эйнштейн рисует символический образ:

Молния ударила в рельсы на железнодорожном полотне в точках А и В, расположенных далеко друг от друга. В дополнение скажу, что эти две вспышки произошли одновременно. Если я спрошу вас, есть ли смысл в этом утверждении, вы решительно ответите “да”. Но если я попрошу вас точнее объяснить мне смысл этого явления, то, подумав, вы сочтете, что все не так просто, как казалось с первого взгляда.

Возможно, какое-то время спустя прозвучит ответ: “Значимость подобного утверждения ясна сама по себе и в дальнейших объяснениях не нуждается. Возможно, надо все-таки поразмыслить и, еще лучше, понаблюдать, чтобы уверенно заявить об одновременности событий”.

Я не удовлетворен ответом, и вот почему. Представим, что некий метеоролог делает открытие: молнии всегда ударяют в точки А и В одновременно. Нам нужно проверить этот теоретический результат на практике. И с подобной трудностью мы сталкиваемся во всех утверждениях в физике, где идет речь об “одновременности”8.

Итак, заявлению “значимость утверждения ясна сама по себе и не нуждается в дальнейших объяснениях” подписан приговор. Объяснение все-таки нужно.

Эйнштейн продолжает рассуждать:

Обдумав этот вопрос, вы предложите следующий проверочный тест: расстояние /АВ/ надо измерить и поместить стороннего наблюдателя посередине М (срединная точка). У наблюдателя имеются два зеркала, наклоненные под углом 90°, что позволяет ему видеть А и В одновременно. Если он увидит две вспышки молнии в одно и то же время, они и будут одновременными.

Мне очень приятно слышать это рассуждение, но я не могу счесть дело решенным, поскольку вынужден возразить: ваше определение можно было бы признать верным, если бы я знал, что свет, воспринимаемый наблюдателем в пункте М движется от А до М с той же скоростью, что и от В до М. А это исследование можно провести только в том случае, если в нашем распоряжении будут средства измерения времени. Таким образом, мы движемся по логическому кругу.

Подумав еще немного, вы смерите меня презрительным взглядом и изречете: “Я выдвинул мое предыдущее определение, потому что в действительности в нем ничего не говорится о свете. Речь идет об одновременности, и только, и в каждом реальном случае правота концепции доказывается эмпирически. Этому требованию мое определение, несомненно, отвечает”. То, что свету потребуется то же самое время, чтобы пересечь путь от А до М и от В до М, в действительности не имеет никакого отношения к физической природе света, это лишь условие, которое я волен упомянуть или нет в своем определении одновременности”.

Чтобы продемонстрировать, что события происходят одновременно, нам нужно предположить, что существует способ измерения времени одновременно происходящих событий. Для того чтобы разорвать этот логический порочный круг, мы должны условиться, что “одновременно” значит, что наблюдатель видит два равноудаленных события, происходящими одновременно относительно срединной точки М.

Эйнштейн продолжает “комбинаторную игру”:

“До сих пор мы отталкивались от особого тела отсчета, которое определили как “железнодорожная насыпь”. Представим себе очень длинный состав, движущийся по рельсам с постоянной скоростью V и в указанном на рисунке направлении. Люди, путешествующие на поезде, считают его твердой точкой отсчета; все события вокруг происходят относительно него. Определение одновременности применимо к поезду так же, как и к железнодорожной насыпи. Совершенно естественно возникает следующий вопрос:

Два события (например, те же удары молнии в точке А и точке В) происходят одновременно относительно поезда так же, как и относительно полотна железной дороги? Нам предстоит непосредственно продемонстрировать негативный ответ.

Говоря, что молния ударяет в А и В одновременно относительно насыпи, мы имеем в виду следующее: лучи света от ударов молнии испускаются в точки А и В, встречаются посередине расстояния А aВ в точке МI. Но события А и В также соотносятся с положением этих точек А и В на поезде. Пусть МI будет посередине расстояния А aВ на железнодорожном составе. Как только сверкнули вспышки света (смотрим с насыпи), точка МI естественно совпадает с М на полотне, но МI движется вместе с поездом. Если наблюдатель, сидящий в точке МI не будет двигаться с той же скоростью, что и поезд, он останется на М, и световые лучи от молний в точке А и точке В достигнут его одновременно; они встретятся как раз там, где он расположился. А в действительности, он спешит по направлению к лучу В, уносясь прочь от луча А. Следовательно, наблюдатель увидит луч света, исходящий от В, раньше, чем от А. Наблюдающие за грозой изнутри поезда заключат, что вспышка В произошла раньше, чем А”.

И, как это было с концепцией пространства, Эйнштейн находит точку, в которой одежды старых предположений разрываются: основываясь на определении “одновременности”, те же самые события не выглядят таковыми с позиций движущегося и неподвижного наблюдателя. Все не так просто, как считалось прежде.

Сначала, мы будем склонны считать разницу в восприятии времени “оптической иллюзией” движущегося наблюдателя. Но тем самым поставим наблюдателя на железнодорожной насыпи в некую особую привилегированную позицию. Если бы оба они наблюдали за событиями в космосе с астероидов одинакового размера, несоответствие было бы таким же. Просто там вопрос “времени” был бы вообще неуместен.

Эйнштейн приходит к выводу:

“События, происходящие одновременно относительно железнодорожной насыпи, не одновременны относительно поезда и наоборот (понятие относительности одновременности). У каждого тела отсчета есть собственное особое время, и если такого относительного тела нет, нет смысла вообще говорить о времени, в которое это событие происходит.

До появления теории относительности в физике безмолвно принималась абсолютность времени, то есть его независимость от движений относительного тела. Но мы только что увидели, насколько это положение несопоставимо с самым естественным определением одновременности”.

Итак, веками жило не поддававшееся обсуждению предположение: события во Вселенной происходят в необъятной, вечно неподвижной “коробке”, определяющей “настоящее” пространство и “настоящее” время. “Мыслительные эксперименты” Эйнштейна заставляют в этом усомниться. И вывод, сделанный им, следующий: Бог не занимался изготовлением одного огромного контейнера – скорее, его “продукцией” явилось несметное число маленьких “коробочек” со “своим особым временем”, перемещающихся относительно друг друга.