Второй постулат гласит, что для любого наблюдателя в любой точке наблюдения скорость света (с) в вакууме равна 3×108 м/с.
Здесь нам потребуется парочка терминологических комментариев. Первый постулат известен как принцип относительности (сам Эйнштейн никогда не называл свою теорию теорией относительности, так что название закрепилось за ней уже в последующие годы). Специальной же он назвал ее потому, что она рассматривала движение с постоянной скоростью. Движение с ускорением в этой теории Эйнштейн не рассматривал и предполагал, что система отсчета тоже неподвижна или движется с постоянной скоростью. Теория относительности диктует относительность движения.
Второй принцип, кажущийся простым, все меняет. Идея о том, что величина скорости света неизменна и не зависит от системы отсчета, полностью противоречит физике Ньютона. Если бы свет двигался так же, как машина, несущаяся по шоссе, его скорость зависела бы от системы отсчета наблюдателя, которым в физике выступает любой человек или инструмент, выполняющий измерение.
* * *
Принцип постоянства скорости света также показал, что скорость и время больше не могут рассматриваться отдельно друг от друга, как прежде. Не так сложно понять почему. Представьте себе часы в виде мячика, подпрыгивающего вверх-вниз в поезде, как показано на верхней картинке на рис. 1.
Рис. 1
Борис, находящийся в поезде, видит, как мячик прыгает вверх-вниз, и может установить, что путь от пола до потолка и обратно он проходит за одну секунду. В то же время Наташа, наблюдая за поездом с земли, как показано на нижней картинке, видит, как поезд движется слева направо со скоростью v. Как и Борис, она видит, что мячик совершает путь до потолка и обратно за одну секунду, но относительно земли траектория его движения имеет форму треугольника, поэтому он движется еще и вперед.
Кроме того, для Наташи мячик движется быстрее. Его скорость движения по вертикали для них с Борисом одинакова, но Наташа также видит, как он движется вперед со скоростью поезда. Благодаря этой дополнительной скорости мячик в глазах Наташи проходит большее расстояние, чем в глазах Бориса, но делает это за один и тот же период времени, так что одна секунда Наташи равна одной секунде Бориса. Ведь в физике Ньютона время универсально.
Не менее революционным открытием Эйнштейна было то, что свет состоит из частиц, которые последние сто лет принято называть фотонами. Если мячик в нашем примере – это фотон, то, в соответствии со вторым принципом теории относительности, оба наблюдателя будут видеть его движущимся с одной и той же скоростью. Но поскольку наблюдателю снаружи кажется, что фотон должен преодолевать большее расстояние, движение мяча до потолка и обратно также должно занять больше времени. Таким образом, одна секунда, отмеренная Наташей, будет длиться дольше секунды, отмеренной Борисом внутри поезда. Разница же будет зависеть от скорости поезда и, следовательно, от того, как далеко он продвинется в пространстве за одну секунду.
Этот простой мысленный эксперимент показывает, что пространство и время больше не могут измеряться независимо друг от друга. Эйнштейн максимально точно показал, как они связаны, но для наших целей эти детали не являются обязательными. Важнее то, что с появлением понятия относительности физики больше не рассматривают пространство и время по отдельности; вместо этого они говорят о четырехмерном пространстве-времени, в котором расстояния измеряются в пространстве и времени одновременно.
Хотя концепция пространства-времени является неотъемлемой частью специальной теории относительности, принадлежит она не Эйнштейну. Ни в одной из своих ранних работ по теории относительности он не называет время четвертым измерением. Первым о необходимости этой концепции заговорил французский математик Анри Пуанкаре, а развил его первым немецкий математик Герман Минковский. Эйнштейн даже высказывался против пространственно-временной концепции, называя ее «излишне заумной», хотя в итоге она сыграла крайне важную роль в формулировании общей теории относительности.
* * *
Специальная теория относительности повлекла за собой и другие революционные последствия. Например, понимание того, что скорость света служит пределом скорости в природе, ни одно тело не может двигаться быстрее скорости света. Благодаря ей мы также узнали, что с ростом скорости объекта увеличивается его масса. Следовательно, масса движущегося тела начинает стремиться к бесконечности, когда скорость тела стремится к скорости света – и это одна из причин, по которым ничто не может двигаться быстрее, чем свет.
Другим последствием специальной теории стало бессмертное уравнение Эйнштейна E = mc2, согласно которому энергия тела равна его массе, помноженной на квадрат скорости света. По определению, свет проходит один (1) световой год за один год, а значит, в данной системе единиц измерения c (скорость света) равняется 1, и, следовательно, уравнение Эйнштейна можно сократить до E = m. С появлением понятия относительности физики начали рассматривать энергию и массу как проявления одного и того же свойства материи, поэтому «плотность массы» и «плотность энергии» стали для них, как и для нас в этой книге, взаимозаменяемыми понятиями.
Вопреки расхожему мнению, Эйнштейн не был первым, кто доказал связь между массой и энергией. Кроме того – пусть это прозвучит как святотатство, – он так и не смог убедительно доказать равенство E = mc2. Рассматривая этот вопрос в своей знаменитой работе, он допустил ошибку, которую затем безуспешно пытался исправить в последующих исследованиях. Как бы там ни было, его труды, сыгравшие центральную роль в объяснении работы атомной бомбы и атомных реакций на Солнце, определенно выдержали испытание временем.
Что же ускользнуло от специальной теории относительности?
3
Общая теория относительности как основа космологии
По сути, современная космология в основном и представляет собой применение общей теории относительности Эйнштейна ко всей Вселенной в целом. Сегодня эта теория является если не самой, то одной из наиболее проверенных научных теорий в истории: ей не противоречит ни один эксперимент или наблюдение, и среди космологов больше не осталось сомнений в том, что она прекрасно описывает нашу Вселенную.
В то время как математическая составляющая общей теории относительности довольно сложна, ее базовые концепции вполне доступны. Поэтому прежде, чем обратиться к космосу, нам стоит разобраться в том, как общая теория относительности преобразовалась в теорию гравитации в известном нам виде, а также в том, как она формирует наши представления о пространстве и времени.
Поскольку почти вся физика сводится к движению, необходимо уделить внимание еще одному фундаментальному понятию: изменению скорости или, другими словами, ускорению[5]. Когда Эйнштейн разрабатывал специальную теорию относительности, он говорил об объектах, движущихся с постоянной скоростью; его теория не учитывала ускорение, а поскольку