– А я-то думала, что принцип Галилея простой, – уныло сказала Галатея. – А он привёл к такой неразберихе!
– Долго думал Эйнштейн над этими загадками, но всё-таки сумел объяснить их. Он сделал неожиданный и дерзкий вывод: время для быстро летящего светлячка течёт медленнее, чем для покоящегося наблюдателя. Только тогда фонарик светлячка будет для него зелёным, а для бескрылого наблюдателя – красным. Только такое замедление времени может объяснить то, что скорость света, измеряемая разными наблюдателями, всегда остаётся постоянной.
– И это называется – объяснил? – хмыкнула Галатея. – Да он всё запутал!
– Когда Эйнштейн опубликовал свою теорию в научном журнале, даже среди физиков возникло смятение: время, само незыблемое время – и течёт по-разному для пешеходов, автомобилей и самолётов?!
«Да!» – твёрдо заявил Эйнштейн.
Находчивые учёные быстро придумали, как опровергнуть это смелое утверждение Эйнштейна: они взяли нестабильные частицы и засунули их в ускоритель, который позволяет разогнать заряженные элементарные частицы почти до скорости света.
«Если этот странный Эйнштейн прав, то часы, которые есть у каждой частицы, отстанут очень сильно!» – сердито сказал главный ускорительщик и достал свой секундомер.
– Постой, Никки! – закричала Галатея. – Ничего не понимаю: откуда у элементарных частиц часы? Где они их носят – в брючных карманах?
– Учёные взяли частицы с известным коротким временем жизни, после чего они распадаются на более мелкие части. Так что часами являлись сами элементарные частицы. Загудел ускоритель и разогнал частицы до такой скорости, на какой у любого светляка голова закружится. А потом выпустил эти частицы в особое устройство, камеру Вильсона, наполненную паром, как горячая баня. В такой камере каждая элементарная частица оставляет белый след, как самолёт в небе. Чем длиннее след, значит, тем дольше живёт частица.
«О, демон Максвелла! – с ужасом воскликнул главный ускорительщик, заглянув в камеру Вильсона. – Эйнштейн прав, время останавливается!»
И все учёные увидели, что частицы, которые раньше оставляли в камере Вильсона коротенький след и распадались, сейчас оставляют дорожку гораздо длиннее. Формулы Эйнштейна оказались правильными: приближаясь к скорости света, частицы жили всё дольше и дольше – в десятки, сотни раз больше обычного! Значит, их внутренние часы действительно стали замедляться.
– Никки, но, может, длинный след частиц объяснялся их большой скоростью? – спросил недоверчивый Андрей.
– Нет. Ускоритель разгонял частицы до 99 % от скорости света, до 99,9 %, до 99,99 % и так далее. Такое различие в скоростях практически не сказывается на величине пробега частицы. Но при этом увеличении скорости, согласно Эйнштейну, замедлялись внутренние часы частицы – и они жили до своего распада гораздо дольше и оставляли более длинную дорожку в камере Вильсона.
Позже появились такие точные атомные часы, что стало возможным замерять эйнштейновское отставание часов в самолётах и даже в автомобилях. Один учёный решил сам проверить теорию Эйнштейна и поехал в отпуск на своей машине, нагрузив её детьми, собакой и атомными часами. Вернулся домой через две недели, сравнил данные с контрольными часами, которые оставлял дома, и убедился: взятые с собой часы отстали! Значит, поездка проходила во времени, которое текло медленнее обычного.
«Хоть чуть-чуть, да растянул отпуск, – сначала подумал учёный, а потом спохватился: – Я не растянул отпуск, а сократил его! Во время отпуска я жил медленнее и меньше отдохнул!»
– Подумаешь, такое микроскопическое отставание времени – это пустяки, даже наручные часы подводить не надо! – заявила Галатея.
Королева возразила ей:
– А вот и не пустяки – мы сталкиваемся с замедленным временем везде и всюду, например, когда играем в теннис или в футбол.
Летит быстрый мяч. Почему так трудно его отбить?
«Из-за инерции мяча!» – скажет Ньютон, а Галилей согласно кивнёт.
«Потому что мяч двигается в замедленном времени!» – возразит, вернее, уточнит Эйнштейн.
Маленькое замедление времени, умноженное на большую энергию покоя мяча, даёт всем известную кинетическую энергию, которую можно назвать «энергией времени» и которая порождает феномен инерции.
Пиная ногой мяч, мы ускоряем его скорость и замедляем его время. Когда мяч ударяется в сетку ворот, то останавливается и ускоряет своё время до обычного.
Тело, выходя из замедленного времени, всегда вынуждено сбрасывать энергию – поэтому внезапная остановка автомобиля при встрече со столбом приведёт к деформации капота из-за излишка «энергии времени».
– Какая же энергия покоя должна быть у машины, чтобы столь ничтожное замедление времени так смяло металлический капот? – спросил Андрей.
– Эйнштейн вывел знаменитую формулу E0 = MC2. Это означает, что и сам человек, и каждый предмет вокруг нас обладают невероятными запасами энергии. Именно эта энергия вырывается наружу в атомных реакторах и термоядерных бомбах – причём лишь небольшая её часть.
Физики, которые устраивали гонки электронов в ускорителях, обнаружили, что, чем быстрее летит электрон, тем больше его инерция – электрон словно тяжелеет, и разгонять его становится все сложнее. Эйнштейн объяснил: замедление времени становится причиной того, что электроны ведут себя как более тяжёлые частицы. Медленное время «окутывает» быстрые частицы так, что внешняя сила доходит до электронов ослабленной. Именно поэтому нельзя разогнать космические корабли или электроны быстрее скорости света: при приближении к этому пределу на кораблях и электронах время практически останавливается – и они, застывшие в янтаре эйнштейновского времени, становятся нечувствительны к дальнейшему ускорению.
– Вот почему так долго нужно добираться до другой звезды! – понял Андрей. – А фантасты не знают теории Эйнштейна – и их корабли шмыгают по всей Галактике со сверхсветовыми скоростями!
– Учёные были потрясены работами Эйнштейна. Вся классическая механика и физика предстала перед ними в новом свете. А теория конторщика Альберта Эйнштейна стала известна как специальная теория относительности.
Семь лет работал Альберт Эйнштейн на спокойной должности служащего патентного бюро и писал статьи, которые взрывали учёный мир.
Потом он пришёл к своему начальнику и тихо сказал:
– Меня пригласили работать профессором физики в Цюрихский университет, поэтому я ухожу из вашего бюро.
Главный бюрократ упал от удивления под стол и примерно неделю не мог оттуда вылезти. Потом всё-таки вылез.
– Я вам не верю! – сердито сказал он терпеливо ожидавшему Эйнштейну. – Профессорами физики в знаменитом Цюрихском университете могут стать только известные или даже знаменитые физики. А вы – конторщик и мой подчинённый.
Эйнштейн мог бы подумать: «А я и есть известный физик, а вскоре буду знаменитым», – но не стал этого делать, потому что был очень скромным человеком. Тем более, эта мысль всё равно была бы неправильна: Эйнштейн вскоре стал не просто знаменитым, а САМЫМ знаменитым физиком в мире.
Примечания для любопытныхАльберт Эйнштейн (1879–1955) – самый знаменитый физик мира, создатель специальной теории относительности (1905) и теории гравитации (1915). Лауреат Нобелевской премии (1921).
Скорость света – максимально возможная скорость перемещения материальных объектов, с которой движется и световой луч в вакууме. Скорость света в пустоте – это фундаментальная физическая константа, равная 299 792 458 метрам в секунду.
Галилео Галилей (1564–1642) – великий итальянский физик, механик и астроном. Открыватель спутников Юпитера, основатель экспериментальной физики. Сформулировал важнейший принцип относительности Галилея.
Кристиан Доплер (1803–1852) – австрийский физик, описавший в 1842 году эффект смещения частоты оптического или акустического излучения при движении излучателя (эффект Доплера). Любой мальчишка является знатоком эффекта Доплера. Если бежать, ведя палкой по изгороди, то слышно прекрасное громкое тарахтение – и каждый мальчик знает, что при быстром беге палка по забору будет стучать чаще. В этом суть эффекта Доплера. Кстати, из-за этого эффекта гудок железнодорожного локомотива слышится для людей на станции выше по тону, когда локомотив подъезжает к станции, и ниже – когда он её проезжает. («Хм, – подумала Галатея, – обязательно надо послушать!»)
Альберт Майкельсон (1852–1931) – американский физик, доказавший постоянство скорости света для разных наблюдателей. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1907 год.
Эдвард Морли (1839–1923) – американский физик, соавтор Майкельсона по опыту Майкельсона – Морли, в котором с высокой точностью измерялась скорость света.
Элементарные частицы – мельчайшие частицы материи, которые нельзя расщепить. Для нестабильных элементарных частиц это определение не очень правильно, так как они могут распадаться самостоятельно и превращаться в другие частицы.
Элементарные частицы – мельчайшие частицы материи, которые нельзя расщепить. Для нестабильных элементарных частиц это определение не очень правильно, так как они могут распадаться самостоятельно и превращаться в другие частицы.
Чарльз Вильсон (1869–1959) – шотландский физик, предложивший метод исследования траекторий элементарных частиц с помощью камеры Вильсона, наполненной перенасыщенным паром. В 1927 году получил за этот метод Нобелевскую премию.
Демон Максвелла – гипотетическое разумное существо микроскопического размера, придуманное великим физиком Максвеллом для мысленных экспериментов с отдельными молекулами.
Исаак Ньютон (1643–1727) – великий английский физик, математик и астроном.
Энергия покоя – гигантская энергия, содержащаяся в любом материальном теле и равная массе тела, умноженной на скорость света в квадрате.
Эффект Вавилова – Черенкова (см. иллюстрацию) – свечение, вызываемое в прозрачной среде (например, в воде) заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде (в стекле и воде свет распространяется заметно медленнее, чем в вакууме).
Сказка о велосипедных механиках Райтах, которые построили летающую этажерку
Наступил вечер – и время вечерней сказки. Но вместо сказки Дзинтара вдруг прочитала стихи:
Галатея сказала:
– Мама, это хорошие стихи, но зачем ты нам их прочитала? Для колыбельной они не годятся – под них хорошо НЕ спать.
Дзинтара сказала:
– Эти стихи Бориса Пастернака очень подходят к сегодняшней сказке о странных людях, которые решили доказать, что предметы тяжелее воздуха могут летать.
– Действительно, это странные люди, – откликнулась Галатея. – Ведь такие предметы должны тонуть в воздухе – то есть падать на землю.
– Так думало немало мудрецов. Но вот что произошло в самом начале двадцатого века… – Дзинтара открыла книгу и начала читать: – Свистел ветер, налетавший с Атлантического океана. Ветер был ровен, плотен и упруг, он толкал в грудь, слезил глаза – а если отвернуться, то чувствительно давил на спину. Ветер был пропитан солью и шумом неутихающего прибоя, кипящего на краю пляжа.
…Пляж ровен и широк – настоящее песчаное поле. В самой его широкой части уложены рельсы, на которых стоит странная этажерчатая конструкция.
Возле неё – шестеро взрослых и мальчик.
Двое взрослых подбросили монетку в классическом жесте случайного выбора. Один из них разразился радостным криком.
– Повезло тебе, Орвилл! – с завистью сказал другой.
Орвилл забирался внутрь конструкции из еловых жердей, ткани и тросиков, похожей на большую этажерку. Раздалось громкое тарахтение мотора – и, скользнув по рельсам навстречу океанскому ветру, странный аппарат взлетел в воздух.
Немногочисленные зрители разразились радостными криками:
– Летит! Летит!
Полёт высотой не выше трёх метров, длиной 39 метров и длительностью 12 секунд вписал в историю имена братьев Райт – Уилбера и Орвилла, которые разыграли в орлянку право полететь первым.
Самое дерзкое и самое возвышенное устремление в истории земной цивилизации – это мечта о полёте, о том, чтобы человек мог летать подобно птице.
Французы, братья Монгольфье изобрели в восемнадцатом веке воздушный шар – аппарат легче воздуха – и позволили людям медленно плавать в атмосфере. Так возникло воздухоплавание.
Но мечта о быстром – подобном птичьему – полёте не оставляла людей. В середине девятнадцатого века англичанин Джордж Кейли создаёт планер, в котором человек впервые поднимается в воздух. В конце девятнадцатого века немецкий инженер Отто Лилиенталь строит и испытывает целую серию планеров, но погибает в одном из полётов из-за сильного порыва ветра.
Братья Райт были владельцами велосипедного магазина, который продавал также двигатели и печатные прессы.
Братья с детства испытывали интерес к авиации: когда они были детьми, отец купил им игрушку – летающий самолёт с пропеллером на резино-моторе, который представлял собой длинную закручивающуюся резиновую нить. Братья долго играли с игрушечным самолётом, а когда он сломался, то 11-летний Уилбер и 7-летний Орвилл сами построили аналогичную авиамодель.
– Хочу такой самолёт! – заявила Галатея. Дзинтара кивнула:
– Вовремя подаренные умные игрушки или детские книжки могут изменить историю мира.
В истории авиации 1896 год стал переломным. В этом году беспилотный самолёт с паровым двигателем, построенный американским учёным Лэнгли, пролетел над рекой Потомак 800 метров. Тогда же инженер Шанют со своими молодыми сотрудниками приступил к испытанию планера-биплана. В этом же году погиб всемирно известный авиатор Отто Лилиенталь. Его смерть показала, что старые принципы управления полётом неэффективны.
Все эти события произвели большое впечатление на братьев Райт, особенно на старшего – Уилбера.
Братья стали собирать литературу об авиации и размышлять о создании хорошо управляемого самолёта. Они взяли за основу биплан Шанюта и принялись разрабатывать систему управления на основе изменения геометрии крыла. В своих поисках наилучшей конструкции братья Райт использовали математические формулы аэродинамики и эмпирические данные Лилиенталя. Методичные исследователи Райт даже построили собственную аэродинамическую трубу, в которой испытывали разные конструкции крыльев.
Братья создали управляемый планер и приступили к его испытаниям. Уилбер и Орвилл совершили на своём безмоторном аппарате множество полётов и за два года достигли успеха: создали планер, который успешно управлялся человеком.
Потом братья приступили к поиску необходимого двигателя. Мотор для будущего самолёта должен быть лёгким и, согласно расчетам братьев, обладать мощностью в восемь лошадиных сил.
Но никто из производителей моторов не мог построить нужный для самолёта двигатель.
Тогда братья Райт предложили сделать его Чарли Тейлору – механику, работавшему в их магазине и чинившему велосипеды и моторы.
За полтора месяца Тейлор, руководствуясь грубым эскизом братьев, сделал прекрасный двигатель из алюминия мощностью не в восемь, а в двенадцать лошадиных сил!
– Удивительно! – заявил Андрей. – Построили братья Райт летательный аппарат, а потом – раз! – и нашли рядом талантливого механика, который сумел построить им удачный мотор. Вот повезло братьям Райт!
Дзинтара возразила:
– Но дело тут не столько в везении, сколько в упорстве и правильном подходе. История девятнадцатого века полна неудачными попытками построить самолёт. Или к хорошему планеру никак не находился лёгкий и мощный двигатель, или хороший двигатель пристраивался к непрочному и нестабильному самолёту. Благодаря своей методичности, братья Райт оказались первыми, у которых управляемый планер подружился с удачным мотором.
17 декабря 1903 года аппарат братьев Райт, пилотируемый Орвиллом, совершил исторический полёт длиной почти в 40 метров на песчаном атлантическом побережье Северной Каролины.
Впервые в истории моторный самолёт, управляемый человеком, поднялся в воздух.
Следующим в тот же день взлетел его брат Уилбер, пролетев больше 50 метров. Орвилл совершает третий полёт длиной более 60 метров. В четвёртый раз в этот декабрьский день полетел снова Уилбер – он преодолел четверть километра, продержавшись в воздухе минуту, – и упал, повредив аппарат.
– Как им было не холодно – летать в декабре, на ледяном морском ветру? – удивилась Галатея. – Разве они не могли подождать лета?
Дзинтара отрицательно покачала головой: