Эта возможная в будущем история фантастична лишь потому, что человечество покуда не может запускать ракеты с околосветовыми скоростями. В остальном все вполне реалистично. И правдива даже та подробность, что оба близнеца - по–прежнему молодой и так наглядно постаревший - встретятся без удивления.
Люди будущего, они с пеленок усвоят относительность времени и пространства, как мы и наши деды–прадеды с пеленок усваивали абсолютность того и другого. Задумаемся: эта примелькавшаяся притча с близнецами до сих пор всюду именуется "парадоксом часов", а парадокс- это нечто несообразное с общепринятым пониманием вещей. Называя научную правду парадоксальной, мы нечаянно признаемся, что еще не можем сладить с ее новизной.
Эту необоримую новизну теория относительности сохраняет по сей день. Сохраняет, хотя давно уже нет на свете "мальчика из Ульма", а найденные им законы природы давно уже служат - и верно служат! - повседневной практике конструирования ускорителей, атомных реакторов и многого другого… О какой же сохраняющейся новизне может идти речь? Вернее было бы говорить о трудно искоренимой "старизне" нашей психологии. Ей принадлежат все наши веры и предубеждения. Среди них: бесконтрольное ощущение универсальности - всепригодности - наших земных секунд и метров. А все оттого, что каждодневный опыт жизни надежно ручается за эту всепригодность.
Эйнштейн недаром написал:
"Прости меня, Ньютон; ты нашел единственный путь, возможный в твое время для человека величайшей научной творческой способности и силы мысли. Понятия, созданные тобой, и сейчас еще остаются ведущими в нашем физическом мышлении, хотя мы теперь и знаем, что если будем стремиться к более глубокому пониманию взаимосвязей, то должны будем заменить эти понятия другими, стоящими дальше от сферы непосредственного опыта".
Попросив прощения у Ньютона, Эйнштейн как бы попросил прощения и у всех землян вообще: все мы в своем непосредственном опыте насквозь пронизаны наследственным ньютонианством - мускульной философией наших движений и зримой механикой окружающих нас вещей.
Такого рода прощения должны были бы попросить у современников и все вершители квантовой революции: она еще дальше увела нас от нас самих - еще глубже окунула наше сознание в сферу природных взаимосвязей, неощутимых в земной повседневности.
А откуда вывел Эйнштейн относительность времени и пространства? Он доверился природе.
Она продемонстрировала: скорость света остается одной и той же, догоняет ли источник свет или уносится в противоположную сторону. Короче: от движения "тела отсчета" скорость света не зависит. Юноша из Ульма признал постоянство этой скорости мировым законом.
Он поступил покоряюще просто: неоспоримый факт, противоречивший, однако, механике Галилея - Ньютона, он сделал исходным пунктом новой механики. И тотчас отпала нужда в оправдании странного факта: он автоматически включался в описание движения материальных тел как постулат. Правда, один историк уверяет, что Эйнштейн тогда еще не знал результатов Майкельсона. Возможно. Но так или иначе, а в постоянстве скорости света он не сомневался. Это главное.
От экспериментальных данных он сделал шаг в абстракцию. Коротенький шаг, уводивший, однако, так далеко, что безупречную дорогу в эту физическую даль не сумели проложить ни Антон Лоренц, ни Анри Пуанкаре, расчистившие путь теории относительности, но ее не создавшие.
Никакое движение нельзя описать без выбора "тела отсчета" времен и расстояний. В измерениях чикагского экспериментатора "телом отсчета" дважды был источник света: сначала, когда он вместе с Землей прямолинейно и равномерно двигался вслед за световым лучом, потом - когда он точно так же двигался в другую сторону. Хотя источник был один, получалось, что "тел отсчета" для измерения скорости света было как бы два: Земля, несущая источник, выступила "единой в двух лицах". Да ведь Майкельсон и впрямь провел в одном опыте два опыта, а в принципе он мог провести оба измерения раздельно. Тогда уж без обсуждения было бы ясно, что узнал он скорость света относительно двух "тел отсчета", двигавшихся в свой черед относительно друг друга прямолинейно и равномерно - по инерции. А свет этого точно и не заметил. Нет, действительно не заметил! Его заколдованная скорость оказалась одной и той же.
Можно возразить: Земля летит вовсе не по инерции, а под действием силы солнечного притяжения, и путь ее вовсе не прям, а криволинеен - она описывает эллипс. Это верно. Но радиус ее орбиты так огромен (150 000 000 километров) и период одного оборота так долог (целый год), что за кратенькое время эксперимента позволительно без греха почитать движение Земли прямолинейным и равномерным.
"Тел отсчета", или "систем координат", - превеликое множество: описывать движение можно относительно чего угодно. Однако физики давно уже выделили в особый класс "тела отсчета", движущиеся по инерции. Их так и называют - инерциальные, или Галилеевы системы координат. Есть у них одна привлекательнейшая черта - кроме всего прочего, психологически приятная…
Легко вообразить: физик–наблюдатель сидит на таком "теле отсчета", оснащенный линейками и часами, наблюдает и описывает механические события в мире. А сам при этом не испытывает никакого действия внешних сил и со своей стороны никак не воздействует на окружающее, иначе он тотчас перестал бы двигаться только по инерции. Другими словами, его присутствие в мире никак не отражается ни на происходящих событиях, ни на их описании. И если вообразить другого наблюдателя на другом инерциальном "теле отсчета", о нем можно сказать в точности то же самое. И о третьем, четвертом, любом - то же самое. У всех описания происходящего будут равного достоинства - все они установят в природе одни и те же закономерности, выраженные в одинаковых формулах. Иными словами, все инерциальные системы координат равноправны.
Классики делали из этого равноправия единственное исключение: они полагали, что есть одно "тело отсчета", пребывающее в абсолютном покое. У теологов было для него слово Бог (с большой буквы). Художникам рисовался главный наблюдатель на заоблачном троне. Физики предпочитали говорить об абсолютном пространстве или о мировом эфире.
Да, кстати, опыт Майкельсона и был задуман для ответа на вопрос: дует ли навстречу Земле "эфирный ветер", когда она летит сквозь неподвижный эфир? Так бегун на закрытом стадионе сам создает себе встречный ветер, хотя воздух недвижим. Свет представлялся колебаниями эфира, и "эфирный ветер", дующий навстречу летящему источнику излучения, должен был бы тормозить световой луч. Обнаруженное постоянство скорости света стало приговором и моделям неподвижного эфира, и взгляду на свет как на "эфирное создание".
Но сторонники научных мифов религиозно неуступчивы. Даже через два десятилетия после рождения теории относительности - после, а не до! - физик Миллер объявил, что он все–таки почуял дыхание эфира. И при этом всерьез отметил, что в стене его высокогорной лаборатории было сделано окно, дабы освободить эфирному ветру путь к прибору. Этой избыточной деталью он нечаянно сам скомпрометировал любимую им идею всепроникающего эфира (если всепроникающий, то зачем же окно?). В начале 30–х годов его коллега Георг Иосс опроверг результаты Миллера, не отказав себе в удовольствии написать: "К сожалению, Миллер не указал, было ли в противоположной стене другое окно, чтобы эфирный сквозняк стал сильнее".
Те несостоятельные опыты сердито комментировал наш академик Сергей Иванович Вавилов. Потому сердито, что в подоплеке тогдашних игр с эфиром лежала надежда выбить из фундамента теории относительности краеугольный камень.
Шаг в абстракцию от измерений Майкельсона привел молодого Эйнштейна к первому постулату его механики:
Относительно всех инерциальных - движущихся прямолинейно и равномерно - систем отсчета скорость света одинакова!
К этому классически абсурдному постулату он прибавил второй, звучавший даже для классического уха как самоочевидность:
Законы природы проявляются одинаково во всех системах координат, движущихся по инерции!
А дальше начались логические следствия - "нежданные шутки" - те, что вскрыли зависимость массы от скорости и многое другое, поныне ставящее в тупик наше бедное воображение…
5
Если для всех наблюдателей, несмотря на их перемещение относительно друг друга, скорость светового луча оказывается одной и той же - 300 000 километров в секунду, - значит, по причине движения что–то у них происходит с километрами и секундами! Не может быть, чтобы у них у всех был общий масштаб длины и общий ритм времени: тогда наблюдатель, догоняющий луч, увидел бы, что за секунду свет прошел меньшее число километров, чем то, какое отметил бы удаляющийся от луча наблюдатель. Одинаковость полученных ими для скорости света результатов возможна, только если у одного из них врут измерительные приборы. Но оба могут поклясться, что приборы работают с предельной точностью. Тогда оба должны признать, что происходит чудо. Однако для истинного чуда есть в этом расхождении их приборов что–то слишком уж систематическое. Вранье тут явно мнимое: оно узаконено природой. Но как? Оба наблюдателя вынуждены согласиться, что нет у них общего масштаба расстояний и времен. Их приборы замеряют разные километры и разные секунды. Остается уловить, как эти различия зависят от их собственной скорости относительно источника света.
…Ходит анекдотическая история про Эйнштейна: кондукторша в берлинском трамвае однажды отчитала его с досадой: "Беда мне с вами - не умеете вы считать!" Он виновато улыбнулся.
Однозначно ясно, что еще сказала бы она, добавь он к своей арифметической ошибке таинственное сообщение полушепотом: "А знаете, я вдобавок хочу предупредить вас по секрету, что мои карманные часы, - вот эти, - идут в вашем трамвае чуть–чуть медленнее, чем шли они на остановке, а наш вагон стал чуть–чуть короче, чем был, и - честное слово! - это правда" Угадывается ее уже не досадливый, а сокрушенный голос: "Ах, бедный вы мой, я как чувствовала! И чего ж они, бессердечные, пускают вас из Далльдорфа без провожатых?!" (В Лондоне кондукторша сказала бы - "из Бедлама", в Москве - "из психушки".)
Но нет, не симпатичные кондукторши, а разгневанные профессора позволяли себе говорить об Эйнштейне в этом стиле, только без сочувственного "ах!" А один из них - физик с несомненными заслугами, Нобелевский лауреат, глава института в Гейдельберге, Филип Ленард - человек с бесстрастным лицом и тускло–жестокими глазами иезуита - произносил слова куда более скверные, вдохновляя задолго до Гитлера националистическую травлю "неарийца" - создателя теории относительности. Впрочем, это было закономерно: до Эйнштейна его жертвой стал безупречный ариец Рентген, провинившийся тем, что сумел открыть лучи, которых Ленард в сходных опытах открыть не сумел, хоть и мог это сделать. Честнейшего Рентгена он обвинил чуть ли не в плагиате. Но позже фашизм вознаградил его за нацистские заслуги: в гитлеровской литературе по физике- бывала и такая! - рентгеновские лучи именовались "лучами Ленарда". В глумлении над теорией относительности от него не отставал и другой Нобелевский лауреат - Иоганнес Штарк, тоже одичавший от националистической мечты о гегемонии.
В физике принят термин "релятивистский" (от латинского корня) вместо слов "подчиняющийся теории относительности". Когорту безответственных преследователей своих физических идей Эйнштейн насмешливо называл "Антирелятивистским акционерным обществом с ограниченной ответственностью". Еще в 30–х и 40–х годах нашего века акции этого дружного общества стояли высоко, совсем упав в цене только после поражения гитлеризма…
…Из универсального постоянства скорости света математически легко выводилось, что собственная относительная скорость наблюдателей замедляет ход их часов и укорачивает их линейки. Ритм времени замедляется вообще, а масштаб расстояний уменьшается в направлении движения.
Эйнштейн вызвал бы еще более сокрушенное сочувствие берлинской кондукторши, если бы поспешил добавить: "Нет–нет, вы не слишком огорчайтесь - ширина и высота у вашего вагона те же, что были на остановке, а вот длина, как это ни печально, немножко убавилась, и снова даю честное слово - это правда!"
Когда бы в "парадоксе часов" оставшийся на Земле близнец мог наблюдать стремительно летящего на ракете брата, он увидел бы, что тот заметно сплющился в профиль. Этот эффект исчез бы только после возвращения ракеты на Землю: тогда у обоих братьев опять оказался бы один и тот же - прежний - маштаб длины, потому что теперь они опять покоились бы друг относительно друга. И ритм часов стал бы у них вновь одинаковым.
Естественно недоумение: но почему же "уплощение" близнеца–космонавта не оставило по себе реального следа, когда он вернулся из полета, а замедление времени на ракете оставило столь реальный след, что братья превратились в людей разного возраста?
Причиной тому глубокое различие между пространством и временем: в пространстве есть направления "туда" и "обратно", а во времени лишь одно направление - "туда". И возвращение близнеца–космонавта состоялось только в пространстве. А во времени то была уже другая Земля: на ней навсегда утекли 20 земных лет. Восстановился ритм часов, но само время ушло безвозвратно. Братья встретились на другом листке календаря, чем тот, на котором когда–то расстались. А в пространстве они обнялись там же - оно никуда не делось.
Гораздо серьезней другое недоумение (и оно действительно доставило теоретикам немало хлопот). Почему бы в этих рассуждениях не поменять местами близнецов? Всякое движение относительно. Так отчего бы не счесть покоящимся брата на ракете, а движущимся с громадной скоростью брата на Земле? Тогда все перевернулось бы и сохранившим свою юность оказался бы к моменту встречи земной близнец, а постаревшим на двадцать лет - близнец–космонавт. Иными словами, не иллюзия ли этот "парадокс часов"? Пришлось бы и вправду признать, что это так, если б и в самом деле близнецов можно было поменять местами. Но делать этого нельзя: Земля и ракета тут не равноправны. В движении Земли за протекшее время ничего не менялось - она двигалась с прежним постоянством. (Из–за длительности срока нужно говорить об ее полете вместе с Солнцем, оставляя без внимания ее вращение по орбите.) А ракета двигалась не только по инерции: при отлете в космос, при повороте назад, при возвращении она то ускорялась, то тормозилась - словом, переживала то, чего не переживала Земля. Потому и не равноправны истории жизни обоих братьев. И то, что можно сказать об одном, вовсе нельзя сказать о другом…
Еще один - уже знакомый - вопрос напрашивается сам собой: отчего же в прежние века никто не замечал относительности времени и пространства? Ответ тот же, что и на "нежданную шутку" возрастания массы от скорости: все дело в математическом законе замедления времени и сокращения длины.
Он, этот закон, совершенно тот же, что и для увеличения массы: пока скорости малы по сравнению со световой, эти эффекты до крайности ничтожны. Помните? Даже сверхзвуковой лайнер делается в полете массивней всего на триллионную долю своей аэродромной массы - "массы покоя". Вот так и ход часов в его кабине замедляется всего на триллионную долю земного ритма. И длина его в направлении полета убывает на ту же неощутимую долю. А что уж говорить об еле–еле ползущем трамвае?! Эйнштейн мог поклясться кондукторше, что говорит правду, правду и только правду, но не достало бы чувствительности никаких приборов для экспериментального подтверждения его правоты.
Однако когда скорость приближается к световой, все эти "шутливые уверенья" теории относительности делаются сверхсерьезными. Масса тела начинает расти неудержимо. Ритм времени замедляется неотвратимо. Длина сокращается катастрофически. Простенькие формулы - непритязательные, как в школьных задачах по алгебре, где самое сложное действие это извлечение квадратного корня, - начинают показывать картину ошеломляющих последствий. Если бы ракете можно было задать скорость, в точности равную световой, с нею произошли бы по меньшей мере три невозможных события:
- ее масса стала бы бесконечной,
- течение времени на ней прекратилось бы,
- ее длина свелась бы к нулю.
Довольно утраты времени и третьего измерения, чтобы прийти к неизбежному выводу: никакому физическому телу задать световую скорость нельзя! Приближаться к ней можно, но достигнуть ее немыслимо. Она - предел физических скоростей во Вселенной.
Не менее, если не более наглядно твердит об этом закон возрастания массы со скоростью. Даже крошечный электрон - такой невесомый в покое - стал бы бесконечно массивным, когда бы удалось разогнать его до скорости света. А на разгон требуется затрачивать энергию. И чем массивней тело, тем больше энергетические затраты. Ускорители заряженных частиц - эти динозавры техники нашего века - огромны и сложны, кроме всего прочего, потому, что ускоряемые частицы надо в них нагружать колоссальными энергиями. В синхрофазотроне Дубны ядра водорода - протоны - разгоняются до скорости, меньше чем на 1% отличной от скорости света, а для этого их надо снабдить энергией в 10 миллиардов электронвольт. Их масса при этом удесятеряется, и они становятся сравнимыми с ядрами углерода. А для запуска со скоростью света - точно со скоростью света! - хотя бы одного–единственного электрона понадобилась бы энергия бесконечная, то есть все энергетические ресурсы природы…
Решительно все доступно только в детских сказках. В этом их прелесть для взрослых - они утешают нас в осознанном бессилии противиться законам естества. Но не сказочники, а научные фантасты лишь до 1905 года- до появления 17–го тома "Анналов физики" - имели право (право неведения!) отправлять своих героев в путешествия по космосу с неограниченной скоростью. А те, кто и позднее позволял себе так фантазировать, конечно, оставались фантастами, но переставали быть научными.
Для всего, что в покое обладает массой, неограниченная скорость - миф. А как же эйнштейновские частицы света - кванты электромагнитного поля? Они ведь не призраки - они вполне ощутимо материальны. Разумеется. Но все дело в том, что у них нет "массы покоя". Она равна нулю. Это кажется противоестественным: разве не очевидно, что если у чего–нибудь материального нет никакой массы, то оно попросту не существует? Совершенно справедливо. Однако это только то и означает, что частицы света не существуют в покое. Свет нельзя ни остановить, ни ускорить! Он - воплощение вечного движения с предельно возможной скоростью относительно любых наблюдателей. И в этом своем движении частицы света - кванты энергии - обладают реальной массой. Настолько реальной, что вот ведь сумел Петр Николаевич Лебедев определить давление света.
6
Как и об эйнштейновских близнецах, обо всем этом рассказано–перерассказанно тысячи раз. И все же нередко раздается искренне недоумевающий, а то и снисходительно жалеющий тебя голос: "Как! Вы не верите, что можно двигаться быстрее света?" Точно это вопрос веры или неверия!