Это может выглядеть как малые «поправки», которые следует принимать во внимание только в некоторых технологиях, в остальных же случаях они не имеют значения и их можно считать курьезами. Однако они имеют глубокие и многочисленные следствия, и это можно увидеть, если вернуться к вопросу о КОСМИЧЕСКОМ «СЕЙЧАС». Вспомним, что мы тщательно определяли понятие «сейчас» в удаленных точках, вообразив, что мы послали сигнал в такое удаленное место некоторое время t назад. И если мы получим обратный сигнал из этого места через время t после текущего момента, то тогда мы определим место и время отражения сигнала как событие, которое случается сейчас. Но попытаемся применить это к нашему сну о гондолах. Вообразим гондолу, в которой один Галилей стоит в центре и бросает шар другому Галилею на корме и третьему Галилею на носу лодки, причем второй и третий Галилеи находятся на расстоянии 3 метра от центра. В системе отсчета, связанной с гондолой, каждый шар пролетает 3 метра за 1,5 секунды, поскольку он летит со скоростью 2 м/сек. Если Галилеи мгновенно отбросят шары назад, центральный Галилей поймает их в одно и то же время, то есть это будет одним событием. Таким образом, центральный Галилей скажет, что оба Галилея ловят шары одновременно через 1,5 секунды после того, как центральный Галилей бросил им эти шары.
Это кажется достаточно очевидным: бросьте два мяча на одинаковое расстояние в двух разных направлениях, и если эти мячи мгновенно отбрасываются обратно, то они прилетят обратно в одно и то же время. Но теперь давайте посмотрим на систему отсчета, связанную с мостом. В этой системе во время полета мяча лодка движется вперед в направлении собственного носа. Следовательно, мяч, брошенный в сторону носа лодки, должен пролететь большее расстояние, что требует большего времени. Таким образом, мяч достигнет носа лодки позже, чем другой мяч достигнет кормы. Два события, одновременные для Галилеев в лодке, не одновременны относительно наблюдателя на мосту.
Поскольку инерциальная система, связанная с гондолой, и система, связанная с мостом, эквивалентны, мы не можем сказать, что одно определение одновременности более правильно, чем другое. Мы не замечаем этой неоднозначности в повседневной жизни, потому что по сравнению со светом мы движемся медленно и имеем дело только с расстояниями, которые свет пролетает невероятно быстро. Но это обстоятельство станет довольно существенным, когда мы попытаемся расширить нашу систему отсчета на большие расстояния такие, чтобы можно было говорить о понятии «сейчас» применительно к большим расстояниям.
В центре нашей Галактики правит бал гигантская черная дыра. Представим себе, что прямо сейчас эта черная дыра резко налетает на какую-то обитаемую планету и разрывает ее. Поскольку это происходит далеко, то для того, чтобы понятие «прямо сейчас» имело смысл, мы должны мысленно сконструировать инерциальную систему, включающую нас (в состоянии покоя) и бедную планету. Теперь мы можем считать, что в этой системе разрушение планеты происходит одновременно с нашим ощущением «сейчас». Но рассмотрим точно такую же конструкцию, составленную кем-то, кто не спеша движется мимо нас в направлении центра Галактики. В его системе планета была съедена черной дырой уже целый час назад! Кто прав? Бесчисленные разумные существа той цивилизации все еще живы и доживают свои последние минуты или же они уже трагически и безвозвратно сгинули?
Эйнштейн говорит нам, что, несмотря на наше интуитивное представление о том, что происходит либо одно, либо другое, осмысленного ответа на этот вопрос нет.
Универсальное «сейчас» это фикция.
8. Дороги, которые мы выбираем
(Гималаи, 1612 год)
От вида с горного перевала захватывает дух, и ты застываешь, наслаждаясь бесконечными изгибами гор и манящими долинами, раскинувшимися под бескрайним небом.
То есть дух бы наверняка захватывало, если бы ты мог нормально дышать Ты немедленно начинаешь корить себя за то, что наслаждаться было бы гораздо легче, если бы твоя лошадь не сбежала, или повозка, в которую погружен весь твой скарб (и которую ты так легкомысленно отцепил от лошади), могла бы передвигаться сама по себе, или хотя бы дорога, по которой ты вынужден ее тащить, была бы сухой, а не размокшей из-за недавнего ливня.
Ниже по склону ты видишь паутину троп, оставленных многочисленными спускающимися с перевала караванами. Ты слишком устал, чтобы как следует обдумать, какой путь самый лучший, и начинаешь спускаться по первой попавшейся тропе. Но очень скоро ты осознаешь, что ошибся, и приходишь к двум важным заключениям.
Во-первых, повозка слишком тяжела, чтобы ты смог протащить ее по поднимающейся вверх тропе на заметное расстояние. Если же уклон становится слишком пологим, повозка увязает и ее очень трудно сдвинуть и значит, существует минимальная крутизна тропинки, при которой ты с твоей повозкой можешь передвигаться.
Во-вторых, пользоваться крутыми спусками гораздо легче и приятнее. Но если выбирать только их, то часть времени неизбежно придется либо перемещаться по слишком пологим участкам, либо подниматься в гору. Соответственно, ты должен найти баланс между крутыми участками пути и участками более пологими, которых на твоем пути больше. Наконец ты видишь вдалеке свою цель все тропинки сходятся там у реки, которая разливается по равнине. Но вот вопрос: по какой тропе ты можешь попасть туда с наименьшими усилиями?
Твои ноги гудят от усталости. Ты вспоминаешь, что вся еда осталась в тюках, навьюченных на лошадь, и что ты уже давно не ел. Руки и спина ноют от тяжелой ноши.
Сложная сеть скрещивающихся троп протянулась на многие мили вниз по склону горы. Но как выбрать свою тропу?
Во-первых, повозка слишком тяжела, чтобы ты смог протащить ее по поднимающейся вверх тропе на заметное расстояние. Если же уклон становится слишком пологим, повозка увязает и ее очень трудно сдвинуть и значит, существует минимальная крутизна тропинки, при которой ты с твоей повозкой можешь передвигаться.
Во-вторых, пользоваться крутыми спусками гораздо легче и приятнее. Но если выбирать только их, то часть времени неизбежно придется либо перемещаться по слишком пологим участкам, либо подниматься в гору. Соответственно, ты должен найти баланс между крутыми участками пути и участками более пологими, которых на твоем пути больше. Наконец ты видишь вдалеке свою цель все тропинки сходятся там у реки, которая разливается по равнине. Но вот вопрос: по какой тропе ты можешь попасть туда с наименьшими усилиями?
Твои ноги гудят от усталости. Ты вспоминаешь, что вся еда осталась в тюках, навьюченных на лошадь, и что ты уже давно не ел. Руки и спина ноют от тяжелой ноши.
Сложная сеть скрещивающихся троп протянулась на многие мили вниз по склону горы. Но как выбрать свою тропу?
Так выбери же ту, что подходит именно тебе!
Поэт мог бы сказать, что вода течет с горы вниз из-за того, что ее притягивает море, но физик и обычный смертный скажет, что она течет так, как течет в каждой точке из-за того, что так устроена земная поверхность в данной точке, независимо от того, что лежит впереди.
Бертран Рассел «Азбука относительности»
Проблема спуска с горы с затратой наименьшего усилия это очень распространенный тип задачи о том, как выбрать путь в пространстве, когда какой-то параметр минимизируется. Например, мы часто ищем путь наименьшей длины, то есть хотим попасть к месту назначения самым быстрым из всех возможных способом. Эта задача предполагает, что вы в уме или на бумаге перечислите возможные пути, измерите их длину и найдете кратчайший. Но вскоре вы можете обнаружить, что кратчайший и быстрейший пути это не одно и то же: иногда по более длинной автостраде вы доедете гораздо быстрее, чем по короткой проселочной дороге. Чтобы найти самый быстрый путь, вы должны каждый из возможных путей разбить на сегменты длиной A d и в каждом сегменте оценить скорость v, с которой вы можете преодолеть этот сегмент. Время, за которое вы преодолеваете данный сегмент, равно t = d/v, а суммируя время по всем сегментам, вы получаете общее время, которое затрачивается при движении по этому пути. Сравнивая времена, относящиеся ко всем возможным путям, вы находите самый быстрый.
Задача нахождения легчайшего пути при спуске с горы немного другая. Ваша цель не побыстрее спуститься с горы, а затратить при этом как можно меньше усилий. Сложность состоит в том, что после того как вы спуститесь с определенной высоты, вам придется преодолеть горизонтальный участок (чтобы попасть к выходу реки на равнину). Вы можете выбрать пологие участки, по которым спускаться тяжелее, но которые зато покрывают большую часть пути, а можете выбрать крутые участки, где спускаться хотя и легче, но высота теряется слишком быстро. Мы можем написать выражение для усилия в виде:
(усилие) = (потеря высоты) × (сложность спуска).
Здесь сложность определяется тем, с каким напряжением вам придется спуститься с данной высоты. И мы знаем, что сложность тем больше, чем более плоска на данном участке тропа.
Мы, как и в случае сложения интервалов времени при движении между двумя точками пространства, должны суммировать усилия при спуске от начальной точки до конечной, разделив весь путь на маленькие отрезки. Затем для каждого такого маленького отрезка мы умножим потерю высоты на этом отрезке на сложность его преодоления и в результате найдем усилие, затраченное на спуск на этом сегменте пути. Суммируя все эти небольшие усилия, мы получим полное усилие, затраченное на весь спуск с горы.
Процедура расчета проста: и для вычисления времени, затраченного на путь, и для вычисления усилий, затраченных на спуск, мы должны сначала разделить весь путь на сегменты, затем умножить каждый интервал на некую величину назовем ее, скажем, L, и наконец просуммировать все произведения. Величина L может зависеть от различных особенностей пути, например, от скорости или от того, насколько тяжело приходится работать, спускаясь со склона с заданной крутизной. Нахождение оптимального пути сводится к тому, чтобы просуммировать L по каждому пути, получить для него значение суммы назовем ее S, а затем выбрать путь с минимальным S. И этим способом находится как путь с минимальным временем, так и путь с минимальным затраченным усилием.
Это похоже на решаемую нами проблему, а значит, нужно рассмотреть все возможные пути, ведущие вниз с горы, разбить каждый из них на сегменты, найти крутизну каждого сегмента, определить, насколько сложно будет тащить повозку по склону с данной крутизной (имея в виду, что крутизна не может быть ниже критической величины, так как при меньшей крутизне повозка двигаться не будет), умножить сложность преодоления этого участка на его высоту и просуммировать результаты по всем сегментам. Повторить эту процедуру для всех троп и в конце концов найти ту, для которой суммарное усилие окажется наименьшим.