6. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Я уже отмечал ранее, что до Эйнштейна ученые всматривались в окружающий мир, измеряли и описывали его, упуская из виду влияние, которое они как наблюдатели могли на этот мир оказывать: Эйнштейн утверждал, что игнорировать подобное влияние невозможно, даже если предметом наблюдения являются объекты чисто физического характера, например, частицы или планеты. Более того, он доказывал, что процесс наблюдения за системой изменяет саму систему.

Физики сделали следующее открытие: если вы, измеряя пламя, смотрите на него, оно ведет себя так, будто состоит из материальных частиц. Если же нет – подобно волнам, энергии. Суть, качество наблюдаемого объекта зависит от способа наблюдения. В результате ученые так и не пришли к единому мнению о природе света: что это – волны или частицы.

И это одна из дилемм, которую Эйнштейн смог решить пространстве своей знаменитой теорией относительности, подвергнув сомнению наши привычные представления о времени.

История поведала нам, что все началось со сна наяву, когда шестнадцатилетний Эйнштейн сидел в классе на уроке математики. Занятия не слишком интересовали его и оценки были весьма низкими. Но, когда он, блуждая в мечтах, глядел в окно, его посетила мысль: “На что был бы похож мир, если бы вы смотрели на него со светового луча?” Сначала вы могли посчитать эти мечты просто пустой фантазией подростка, но, как мы видим, Эйнштейн буквально до физической осязаемости сжился с этой воображаемой конструкцией. В какой-то момент “путешествия” он представил, что, сидя на световом “скакуне”, держит перед собой зеркало и пытается найти в нем свое отражение. Попробуйте сами вообразить, как, пролетая в космосе, вы глядитесь в зеркало, зажатое в руке.

– Ну и как? Увидели бы свое отражение или нет?

Обычно люди, которым я задаю этот вопрос, отвечали “да” или “ нет”. Некоторые оставались в замешательстве. Вот он, камень преткновения! В зависимости от того, как можно размышлять об этой проблеме, мы или ответим по-разному, или не ответим вообще. Почему же возникают разные ответы?

Что ответил сам Эйнштейн? Сначала он размышлял так: “С позиции стороннего наблюдателя, сидящего, например, на дрейфующем в пространстве астероиде, казалось бы, что путешественник на световом луче не может рассмотреть своего отражения. Отчетливо видно, как “всадник” постоянно подскакивает в луче света, свет ускользает с его лица. Путешественник движется в световом потоке, и себя самого в зеркале разглядеть не может.

Но следующей мыслью было: “Но если я – тот самый несущийся на световом луче всадник, откуда мне известно, что это я лечу со скоростью света, а не наблюдатель на астероиде – в противоположном от меня направлении? Почему его точка отсчета более реальна, чем моя? Как же я узнаю, что совсем не являюсь точкой отсчета для реальности и что тот, странник на астероиде, движется относительно меня? Если это так и я считаю себя главной координатой, то я должен видеть свое отражение, как это было бы в любой обычной ситуации”.

Возникает вопрос: “Чья точка зрения реальна?”

Наблюдатель на астероиде говорит: “Все движется относительно меня!”

А всадник на световом луче возражает: “Минуточку! Почему это маленький астероид более реален, чем мой луч?”

Если бы можно было наблюдать за ситуацией с обеих точек зрения, как бы вы ответили?

Эйнштейн взялся за изучение физики, пытаясь найти решение той явившейся в юношеском воображении проблемы, но столкнулся с некоторыми противоречиями. Согласно традиционным законам физики, скорость волн предположительно зависела только от среды распространения, а не от источника возникновения (например, звуковые волны в воде и в воздухе путешествуют с разной скоростью независимо от того, каков источник звука). В соответствии с волновой теорией, для наблюдателя звуковые волны от проходящего поезда покрывают расстояние за одно и то же время независимо от скорости движения поезда. Свет, предположительно, тоже имеет волновую природу, и эти выводы явятся истиной и для него. Человек на астероиде, наблюдающий за Эйнштейном и его зеркалом, должен всегда видеть, как исчезает свет с лица, неважно, с какой скоростью при этом перемещается Эйнштейн. Это значит, что, если двигаться вслед за светом, отражение в зеркале должно исчезнуть.

И все же Эйнштейн интуитивно чувствовал, что изображение не должно исчезать, это было бы не более вероятным, чем внезапное исчезновение голоса у пассажира лайнера, летящего со скоростью звука. Почему реальность должна искажаться только для движущегося наблюдателя?

С другой стороны, если отражение движущегося наблюдателя не исчезло бы с зеркала, то наблюдатель на астероиде смог видеть, как свет направляется к зеркалу со скоростью, дважды превышающей свою нормальную, а это не подходило бы ни под опыт Эйнштейна, ни под его убеждения.

Классическая физика всегда взирала на мир с позиции неподвижного наблюдателя. Никто в действительности не мог оседлать световой луч – только один Эйнштейн, в воображении.

Тот факт, что сконструированные Эйнштейном образы задействовали его кинестетическую систему, делало этот вопрос особенно эмоционально значимым для него. Две визуальные перспективы (одна – из памяти, другая – из воображения) на уровне ощущений были одинаково реальны для исследователя. Для ученого это было не просто “игрой разума”, а вопросом из иерархии “Божественных мыслей”. Эйнштейн был убежден, что ни одна точка отсчета не является реальнее другой, и попытался увидеть, нет ли такой позиции, с которой скорость света была бы одинаковой и для путешественника с зеркалом, и для наблюдателя на астероиде.

В действительности экспериментаторы Михельсон и Морлей уже продемонстрировали, что скорость света остается неизменной, измеряется ли она с неподвижной системы или с движущейся с постоянной скоростью относительно источника света. Но понять или объяснить этот результат с точки зрения существующих в физике моделей никто не мог.

Решение пришло, когда Эйнштейн понял, что “скорость”, “пространство” и “время” считались фундаментальными свойствами реальности, существующими независимо от материи и от наблюдающего за ними:

“Если бы материя исчезла, остались бы одни пространство и время (своего рода сцена для физических событий)” 1.

Эйнштейн осознавал, что это лишь предположение, нечто, непосредственно не познаваемое, поскольку наш опыт “общения” с “пространством” и “временем” всегда определялся ощущениями наблюдателей. Это и привело Эйнштейна к тому, что некоторым самым базовым нашим предположениям о реальности был брошен вызов.

Вызов первый – пространству

Согласно Эйнштейну, “цель физической механики – описывать, как тела изменяют свое положение в пространстве с течением времени”.

Это утверждение большинство из нас принимает как данность. Но, озадаченный воображаемой дилеммой со световым лучом, Эйнштейн говорил: “Неясно, что здесь понимается под “положением” и “пространством”.3 Чтобы упростить дилемму, Эйнштейн сформулировал ее, но в другой, более близкой к реальности, воображаемой конструкции:

Я стою у окна вагона рейсового поезда и роняю (но не бросаю) камень на перрон. Затем вижу, что независимо от сопротивления воздуха камень снижается по прямой. Пешеход, наблюдающий это безобразие с тротуара, замечает, что камень падает на землю по параболе. И я задаю вопрос: какая из траекторий “реальна” – прямая линия или парабола?

Задумайтесь об этом на минуту. Как и человек на астероиде, мы сначала склонны думать, что перспектива, которую наблюдает прохожий на перроне – “настоящая”, потому что Земля “больше” поезда. Тогда прямая линия, которую видит пассажир, будет оптической иллюзией.

Но если в своем воображении мы увеличим поезд до размера Земли и представим, как он проезжает мимо нее в космическом пространстве, разница в восприятии траектории падения камня сохранится: противостояние останется прежним – чья точка отсчета справедлива? Так, однажды Эйнштейн спросил проводника: “В какое время Цюрих прибывает на этом поезде?”

Эйнштейн понимал: эту проблему тем же типом мышления, который создал ее, не решить. И, следовательно, надо выйти в окружающий мир и там задать тот же вопрос. Эйнштейн решает обратить свои исследования внутрь, на “формальные причины” пространства и времени. Явления, подобные “скорости”, “пространству” и “времени” – это концепции, или паттерны, рожденные нашим сенсорным и психологическим восприятием. Эйнштейн отмечал:

“Наука заимствовала у донаучной мысли концепции пространства, времени и материального объекта. Вместе с ними пришли понятия боли, цели, намерения и т.п., взятые из психологии… Физики жаждали свести цвета и тона до вибрации, психологи – мысль и боль до нервных процессов таким образом, чтобы физический элемент как таковой был исключен из причинной зависимости и потому никогда не выступал в качестве независимого звена в случайных ассоциациях”.

Эйнштейн понимал необходимость восстановления недостающего “звена” в цепи “случайных ассоциаций”. Его интересовал вопрос, что же такое “движение в “пространстве”? Он определил, что оно может восприниматься только “по отношению” к чему-нибудь еще и пришел к выводу, что движение существует только в соотношении с “точкой отсчета” (телом референции). Итак, если убрать и поезд, и перрон, какая траектория падения камня будет “настоящей”? И относительно чего он падает? Большинство людей, возможно, ответит: относительно “пространства”. Но что же такое “пространство”? Для ответа на этот вопрос Эйнштейну пришлось заглянуть глубже в свои собственные представления о природе “пространства”.

“Психологическое происхождение идеи “пространства” или вообще необходимость ее появления далеко не так очевидны, как может показаться с позиций привычного мышления… Они внушены определенными примитивными опытами. Представьте, что сконструирован ящик – куб. Предметы можно разместить в нем таким образом, что он будет полностью заполнен.

Возможность заполняться изнутри – свойство материального объекта, “коробки”. Оно различно для различных коробок, это нечто вполне естественное, не зависящее от того, факта, находятся ли внутри какие-либо предметы или нет. Если нет, то пространство окажется “пустым”.

Итак, до сих пор наша концепция пространства ассоциировалась с коробкой. Оказывается, что возможность размещать предметы внутри данного пространства не зависит от толщины стен коробки. Но можно ли сократить толщину до нуля, не потеряв при этом само “пространство”? Естественность такого ограничивающего процесса очевидна, и теперь перед нашим мысленным взором остается одно пространство, без покрова – самоочевидная вещь, и все-таки нереальная, если забыть о происхождении этой концепции”.

Итак, “пустое пространство” представляет собой коробку “без коробки”, без ограничивающих стен… Таким образом, наше подсознание предполагает, что существует нечто, формирующее нашу “Вселенную”, – необъятная неподвижная пустая коробка, относительно которой движется все остальное. Если убрать и землю, и поезд, то камень будет падать относительно этой огромной, застывшей коробки.

Используя эти “примитивные” представления о пространстве, Эйнштейн смог некоторые из них подвергнуть сомнению.

Когда меньшая коробка s расположена в относительном покое внутри полого пространства большей по объему коробки S, тогда пустое пространство в s-малой является частью пустого пространства S-большого, и “пространство”, содержащее S-большое и s-малое принадлежит им обоим. Когда s-малое движется относительно S-большого, все становится сложнее. Кто-то склонен думать, что s-малое будет заключать в себе всегда то же самое пространство, но в различных частях S. Затем необходимо будет распределить для каждой коробки свое особое пространство… и предположить, что все они двигаются относительно друг друга.

До того, как человек осознает, насколько сложная мысленная конструкция получится, пространство будет казаться ему неограниченной средой или контейнером, в котором плавают материальные объекты. С этого момента надо запомнить еще и то, что пространств существует бесчисленное множество и все они двигаются относительно друг друга7.

Итак, мы представляем Вселенную “безграничной средой или контейнером, заполненным движущимися материальными объектами” – будто Господь Бог разместил в одной огромной коробке все материальные объекты, составляющие нашу Вселенную. Но если задуматься глубже, то придется признать, что это объяснение “слишком простое”. Потенциальных коробок с заключенным в них пространством множество, и не существует единственного большого S-пространства для дрейфующего в нем s-малого. Скорее большее S-пространство – это системавзаимоотношений между всеми малыми s-пространствами.

Эйнштейн говорит: “Мы полностью исключаем смутное слово “пространство”, коему, надо честно признаться, не можем найти ни малейшего объяснения, и заменяем его словосочетанием “движение, относительно практически неподвижного тела отсчета”.

Таким образом, наш всадник на световом луче и наблюдатель с астероида отнюдь не являются “плавающими” в “Божьей коробке” – едином огромном неподвижном и пустом контейнере предмета. Они представляют собой два малых s-пространства, среди множества малых иных s-пространств, движущихся относительно друг друга. То же окажется верным и для пешехода с пассажиром поезда. Вселенная, где обитают все эти персонажи, сотворена “из бесконечного числа пространств, движущихся относительно друг друга”.

Возможно, подобное смещение акцента в базовом представлении о природе “пространства” не кажется столь драматичным, но открываемые им потенциальные возможности – огромны. Они привели Эйнштейна к пересмотру и других фундаментальных представлений о Вселенной.