среды распространения, а не от источника

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 Майкельсон и Морли 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)». 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.

Отправной точкой грядущего открытия СТО является 1895 год, знаменательный двумя событиями: публикацией Лоренцем и Пуанкаре работ, предваряющих теорию относительности, и пробуждением у 16-летнего Эйнштейна, гимназиста из Аарау, интереса к проблеме распространения света.

Сначала возникли такие вопросы: что будет, если побежать за лучом света? Что произойдет, если оседлать пучок света? Если побежать за убегающим лучом, то уменьшится ли при этом его скорость? Если бежать до- статочно быстро, то не перестанет ли он двигаться вообще?.. Молодому Эйнштейну это казалось странным.

Тот же луч света для другого человека будет иметь другую скорость. Что есть «скорость света»? Если я буду знать скорость относительно какого-нибудь объекта, то ее значение для другого объекта, который сам движется, будет другим. (Странно думать, что при некоторых условиях свет будет двигаться в одном направлении быстрее, чем в другом). Если это верно, то отсюда можно сделать выводы в отношении движущейся Земли. Тогда можно будет, экспериментируя со светом, установить, находимся ли мы в движущейся системе! Эта мысль захватила Эйнштейна, он старался найти методы, с помощью которых можно было бы установить или измерить движение Земли, — и только позже узнал, что физики уже провели такие эксперименты (имеется в виду опыт Майкельсона—Морли). Его желание придумать такие эксперименты всегда сопровождалось некоторым сомнением в том, что это действительно возможно; как бы то ни было, он чувствовал, что должен это решить.

Он сказал себе: «Я знаю, что скорость луча света зависит от системы отсчета. Что произойдет, если принять другую систему отсчета, кажется понятным, но следствия этого весьма загадочны».

Мы видим, что у 16-летнего Эйнштейна вопросы превалировали над ответами, но для гениальных людей постановка вопросов не менее важна, чем даваемые ими ответы. Вопросы, зародившиеся в голове 16-летнего юноши, на мой взгляд, оказались не менее значительными, чем плоды размышления над ними.

Главная мысль, волновавшая Эйнштейна-гимназиста, заключалась в возможности уподобления действий с лучом света механическому сложению скоростей.

С точки зрения механики не существует абсолютного покоя; с точки же зрения световых явлений он, по-видимому, должен существовать. А как быть со скоростью света? В какой системе отсчета я ее определяю? Тут-то и возникают затруднения. Определяет ли свет состояние абсолютного покоя? Однако мы не знаем, находимся ли мы в движущейся системе. Юный Эйнштейн пришел к мысли, что мы не можем установить, находимся мы или нет в движущейся системе. Ему казалось, что в природе нет «абсолютного движения». Центральным пунктом здесь стало противоречие между точкой зрения, согласно которой скорость света предполагает состояние «абсолютного покоя», и его невозможностью в других физических процессах.

За всем этим, очевидно, скрывалось что-то до конца не ясное, непонятное. Эйнштейна в этот период очень беспокоила эта проблема.

Когда я спросил у Эйнштейна, пишет М. Вертгеймер, понимал ли он уже тогда, что скорость света постоянна и не зависит от движения системы отсчета, он решительно ответил: «Нет, это было лишь известное любопытство. Я сомневался в том, что скорость света может меняться в зависимости от движения наблюдателя. Дальнейшие события усилили это сомнение». Свет, по-видимому, не мог дать ответ на такие вопросы. Свет, как и механические процессы, ничего не говорил о состоянии абсолютного движения или абсолютного покоя. Это вызывало интерес, возбуждало любопытство.

Свет был для Эйнштейна чем-то очень фундаментальным. В период его учебы в гимназии эфир уже не считался чем-то механическим, но «просто средой, в которой происходят электромагнитные явления».

В процессе размышлений о распространении света Эйнштейн столкнулся с очевидным парадоксом: если наблюдатель движется за световой волной со скоростью света в пустоте, то, согласно классической механике, электромагнитные волны должны для такого наблюдателя как бы «остановиться», что противоречит опыту (невозможно «застывшее» электромагнитное поле) и уравнениям Максвелла. При этом Эйнштейн интуитивно чувствовал, что для наблюдателя, движущегося вместе со светом, всё должно происходить так же, как и для неподвижного наблюдателя. Фактически возник конфликт между двумя идеями классической механики: правилом сложения скоростей и принципом относительности движения, согласно которому при равномерном прямолинейном движении корабля или вагона невозможно обнаружить это движение с помощью каких-либо внутренних механических эффектов. Для разрешения возникшего парадокса в отношении движения света необходимо было отказаться либо от правила сложения скоростей, либо от принципа относительности. Есть все основания полагать, что внутренне Эйнштейн почти изначально был готов пожертвовать первым. Но серьезная работа сразу натолкнулась на трудности.

В уравнениях Максвелла для электромагнитного поля скорость света играет важную роль и является константой. Если уравнения Максвелла справедливы в одной системе координат, то они не справедливы в другой. Их следовало бы изменить. Если пытаться сделать это, не считая скорость света константой, то дело сильно осложняется. В течение нескольких лет Эйнштейн старался внести ясность в этот вопрос, изучая и пытаясь изменить уравнения Максвелла. Ему не удалось так изменить эти уравнения, чтобы при этом удовлетворительным образом разрешались все трудности. Он упорно пытался найти связь между скоростью света и фактами движения в механике. Но как ни пытался он связать вопрос о механическом движении с электромагнитными явлениями, он сталкивался со все новыми трудностями. Вот один из его вопросов: что произойдет с уравнениями Максвелла, если мы допустим, что скорость света зависит от движения источника света, и будут ли они при этом ­соответствовать фактам?

Крепла уверенность в том, что в этом отношении ситуация со светом не будет отличаться от механических процессов (не существует абсолютного движения, нет абсолютного покоя). Очень много времени отняло у него следующее обстоятельство: он не сомневался в том, что скорость света является постоянной, и в то же время не мог построить удовлетворительную теорию электромагнитных явлений.

При разработке теории относительности Эйнштейн использовал экспериментальные и теоретические результаты целого сонма крупнейших ученых (чаще других упоминают имена Бухерера, Газенерля, Гильберта, Гроссмана, Зелигера, Кауфмана, Ланжевена, Лармора, Леверье, Лоренца, Майкельсона, Минковского, Неймана, Ньюкома, Пуанкаре, Дж. Дж. Томсона, Хаббла, Хевисайда, Фицджеральда и некоторых других). Как считал биограф Эйнштейна Ф. Гернек, «законченную математическую форму специальная теория относительности Эйнштейна приобрела благодаря усилиям Германа Минковского».

В основе СТО лежат преобразования Лоренца для массы, энергии, импульса, отрезков длины и времени, а также соотношение между массой и энергией, вывод которого был опубликован Пуанкаре в «Архив Неерланд» на французском в 1900 году, т. е. за пять лет до Эйнштейна. Некоторые из этих результатов Эйнштейн воспроизвел в знаменитой работе 1905 года без физических обоснований, а в виде постулатов, не сделав при этом ссылок на Лоренца и Пуанкаре, работы которых были ему хорошо известны. Хотя некоторые комментаторы считают это особенностью стиля Эйнштейна, на самом деле такое положение можно интерпретировать как бессознательный отказ от научных конкурентов. Иными словами, прорыв в науке, сделанный Эйнштейном (как это раньше случилось с Ньютоном) был подготовлен его предшественниками и в этом отношении он не может считаться единственным автором теории относительности, но — человеком, нашедшим новый подход и давшим новую интерпретацию ранее накопленным фактам.

Познакомившись с результатами опыта Майкельсона—Морли, Эйнштейн испытал двойственные чувства: с одной стороны, совпадение скоростей света в двух трубках интерферометра, ориентированных вдоль и поперек траектории движения Земли означало, что движение не влияет на скорость света — к этому Эйнштейн уже был подготовлен собственными размышлениями; с другой стороны, количественного объяснения нарушения правила сложения скоростей у него по-прежнему не было.

Эта проблема стала для Эйнштейна навязчивой идеей, хотя он и не видел пути к ее позитивному решению.

Совершенно неверно бытующее представление, будто именно опыт Майкельсона—Морли подвиг Эйнштейна на открытие своей теории. Эйнштейн много размышлял о природе света, пространства и времени до того, как узнал об этом опыте, и теоретические построения были для него важнее эмпирических данных. Теория Максвелла и умственные эксперименты сыграли в построении теории относительности гораздо большую роль, чем упомянутый опыт. Есть все основания считать, что эксперимент Майкельсона оказался для теории не столь важным и что Эйнштейн в любом случае пришел бы к принципу относительности. Кстати, сам Майкельсон, не склонный к теоретизированию, оказался среди тех, кто так и не признал теории относительности. Он умер, так и не поняв, к сколь далеким последствиям привел его знаменитый опыт.

Среди многих фактов, укреплявших уверенность Эйнштейна в правильности его построений, была религиозная вера в причинность: именно недостижимость скорости света, невозможность ее превышения порождает причинность. Если бы сверхсветовая скорость существовала, мы могли бы путешествовать в прошлое и будущее, вмешиваясь в ход истории. В свою очередь это приводило бы к абсурду: можно было бы рождаться от не существовавших родителей или, наоборот, восставать из мертвых, как пророчествовал Н. Федоров.

Мы знакомы с тем, как объяснил результаты опыта Майкельсона—Морли Х. А. Лоренц. Он предположил, что сама установка для измерения подвергается незначительному сокращению в направлении движения Земли. Величина этого сокращения как бы компенсировала влияние движения Земли на распространение света. Лоренц предложил формулу, математически описывающую результат эксперимента, однако Эйнштейна такого рода «заплата» не удовлетворила, он интуитивно чувствовал, что гипотеза Лоренца не затрагивала глубинную суть происходящего. Эйнштейн сказал себе:

За исключением результата, вся ситуация в эксперименте Майкельсона представляется абсолютно ясной; кажутся понятными все действующие факторы и их взаимосвязь. Но в самом ли деле они понятны? Действительно ли я понимаю структуру ситуации в целом, в особенно­сти в связи с этим критическим результатом?.. Хорошо ли я понимаю связь, внутреннюю связь между измерением времени и движением? Хорошо ли я понимаю, как в такой ситуации измеряют время?

Не преувеличивая роль опыта Майкельсона—Морли, можно все-таки сказать, что он внес разлад в душу Эйнштейна. Он понимал, что в теории отсутствует главное звено, но не мог понять, какое. Интуитивно он ощущал, что следует поставить под сомнение самые фундаментальные принципы, но не мог найти ключ к решению проблемы.

Таким ключом оказалось понятие одновременности событий. Однажды он сообразил, что измерение времени требует лучшего разбирательства в одновременности событий, происходящих во Вселенной, взаимодействия в которой распространяются с конечными скоростями. Как определить одновременность событий, происходящих в далеких областях пространства? Здесь Эйн­штейн сказал себе:

Когда два события происходят в одном и том же месте, я ясно понимаю, что означает их одновременность. Например, я вижу, как два мяча попали в одну и ту же цель в одно и то же время. Но… понимаю ли я, что такое одновременность, когда она относится к событиям, происходящим в разных местах? Что значит, когда говорят, что событие, происшедшее в моей комнате, произошло одновременно с другим событием в каком-то отдаленном месте? Конечно, я могу использовать понятие одновременности для описания событий, происходящих в разных местах, так же как использую его для описания событий, происходящих в одном и том же месте, — но вправе ли я это сделать? Разве первый случай так же ясен мне, как и второй?.. Нет!

Эйнштейн оставил воспоминания о своих размышлениях над этой проблемой, ключевой для создания специальной теории относительности. Очень простой пример показывает ошибочность априорных утверждений относительно недостаточно четко определенных понятий. Представим себе движущийся поезд и двух наблюдателей — одного, едущего в поезде, и другого, стоящего на полотне. Теперь предположим, что при движении поезда в рельсы впереди и позади поезда ударила молния. В силу движения поезда это событие — удар молнии впереди и позади поезда — будет по-разному интерпретироваться движущимся и неподвижным наблюдателем: они будут одновременными для неподвижного наблюдателя и несколько сдвинутся по времени для наблюдателя, едущего в поезде. Таким образом, понятие одновременности в неявном виде содержит неопределенность, связанную с системой отсчета: события, одновременные в системе полотна железной дороги, оказываются неодновременными в системе поезда и наоборот. Иными словами, мы имеем дело с относительностью одновременности:

Всякое тело отсчета (система координат) имеет свое особое время; указание времени имеет смысл лишь тогда, когда указывается тело отсчета, к которому оно относится.

Было бы неверным интерпретировать специальную теорию относительности как результат вербального уточнения понятия «одновременность». Эйнштейн пытался исследовать реальность, а не устранять языковые головоломки. Конечно, наука по возможности пользуется точными терминами, но ее результаты лишь в незначительной степени зависят от установления значений терминов.

К. Поппер:

Даже если некоторый термин причиняет нам беспокойство, как, например, термин «одновременность» в физике, то это происходит не потому, что его значение неточно или двусмысленно. Причина, скорее, состоит в том, что некоторая интуитивная теория заставила нас слишком перегрузить этот термин значением или снабдить его слишком «точным» значением, а вовсе не в том, что мы придали ему слишком мало значения. В своем анализе одновременности Эйнштейн обнаружил, что, говоря об одновременности событий, физики используют ложную предпосылку, предполагающую существование сигналов с бесконечной скоростью. Поэтому ошибка физиков была не в том, что термин «одновременность» не имел у них значения или что его значение было двусмысленным или недостаточно точным. Эйнштейн обнаружил, что устранение названной теоретической предпосылки, не замеченной до сих пор по причине ее самоочевидности, способно разрешить возникшую в науке трудность. Действительно, Эйнштейна не очень заботил вопрос о значении термина «одновременность», его волновал вопрос об истинности этой теории. Маловероятно, чтобы в физике могло возникнуть что-либо важное, если бы кто-нибудь начал вместо решения определенной физической проблемы улучшать понятие одновременности путем выяснения его «сущностного значения» или даже путем анализа того, что физики «в действительности имеют в виду», когда говорят об одновременности.

В классической механике или обыденной жизни считалось, что «разница во времени» между двумя событиями не зависит от движения системы. Эйнштейн выяснил, что такое априорное утверждение неверно — оно не выполняется для одновременных событий, происходящих в разных местах. При измерении временных интервалов и в равной мере расстояний в пространстве необходимо каждый раз учитывать движение системы.

В каждой системе есть свои особые значения времени и пространственных координат. Временные и пространственные измерения имеют смысл только тогда, когда мы знаем, к какой системе отсчета относятся наши измерения.

Иными словами, отсчеты временных и пространственных интервалов зависят от условий движения системы относительно наблюдателя.

После установления факта относительности одновременности дело пошло быстрее. Поскольку систему отсчета можно менять произвольно, для адекватного описания реальности необходимы такие преобразования координат, которые не влияют на вид фундаментальных законов. Или по-другому: законы физики должны быть инвариантны относительно изменения системы координат. В этом смысле теория относительно- сти становится теорией абсолютности. Искомая система преобразования должна отвечать на следующие вопросы: «Как определить значения пространственной и временной координат события в одной системе отсчета, если известны место и время его, измеренные в другой системе? Или, точнее, как определить преобразование координат из одной системы в другую, когда они движутся относительно друг друга?»
Эйнштейн уже понял, что такие инварианты классической механики, как длина и временной промежуток не могут остаться постоянными в его теории. С другой стороны, было ясно, что новым инвариантом должна стать скорость света, которая должна сохраняться постоянной в любой системе отсчета. Таким образом, связь между пространственными и временными координатами разных систем отсчета должна быть такой, чтобы скорость света при преобразовании координат не менялась.

Вертгеймер задал Эйнштейну следующие вопросы: «Почему вы выбрали в качестве константы именно скорость света? Почему вы не выбрали произвольную константу? Выбрали ли вы скорость света произвольно — просто для того, чтобы согласовать ее с экспериментами и с преобразованием Лоренца?» Ответ Эйнштейна:

Не существует различия между разумной и произвольной системой. Единственное достоинство аксиом заключается в том, что они снабжают нас фундаментальными положениями, из которых можно вывести следствия, согласующиеся с фактами. Конечно, можно было выбрать, скажем, скорость звука вместо скорости света. Однако разумно было выбрать не ­просто скорость «любого» процесса, но скорость «выдающегося» процесса.

Почему распространение света стало для Эйнштейна «выдающимся» процессом? Во-первых, потому, что все его мысли при построении теории вращались вокруг особенностей распространения света. Во-вторых, и это принципиально, Эйнштейн уже осознал, что скорость света в вакууме — максимальная скорость, возможная в природе, фундаментальная константа такого же рода, как абсолютный нуль температур, при котором прекращаются молекулярные движения в идеальном газе.

Следствия, которые Эйнштейн вывел из своих формул преобразования, с математической точки зрения совпадали с преобразованиями Лоренца. Гипотеза сокращения, таким образом, вела в правильном направлении, только теперь она уже была не произвольной дополнительной ­гипотезой, а результатом лучшего понимания, логически необходимым выводом из более правильного представления о фундаментальных физических сущностях. Сокращение было не абсолютным явлением, а следствием относительности измерений. Оно определялось не «движением в себе, которое не имеет для нас никакого смысла, а только движением относительно выбранной системы отсчета».

Фактически главные принципы, к которым в итоге своих размышлений пришел Эйнштейн, можно сформулировать, как принцип относительности (никакой эксперимент не может обнаружить абсолютный покой или равномерное прямолинейное движение) и принцип постоянства скорости света (независимости скорости от движения источника). Кстати, с волновой точки зрения по­следнее представляется вполне естественным: световая волна переносится с той стандартной скоростью, с которой распространяются электромагнитные волны — для среды распространения волн скорость источника никакой роли не играет. Здесь важно еще и то, что, если свет представляет собой электромагнитные колебания, то введение «светоносного эфира» оказывается излишним. Последнее утверждение — еще одно свидетельство силы интуиции Эйнштейна, позволившей ему также отказаться от инвариантности длины и временного отрезка, то есть от фундаментальных представлений прежней физики.

По словам самого Эйнштейна, своим происхождением теория относительности обязана противоречию с механикой Ньютона факта неизменности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Здесь необходимо отступление.

Ко времени Эйнштейна две великие физические теории, созданные до него, — механика Ньютона и электродинамика Максвелла — вошли в противоречие друг с другом. В механике Ньютона все инерциальные системы равноценны (принцип относительности Галилея), тогда как в электродинамике, согласно Лоренцу, электромагнитное поле связано с эфиром (носителем поля), который неподвижен, и, следовательно, связанная с ним система отсчета является особой, напоминающей абсолютное пространство.

На математическом языке это означает, что уравнения Ньютона сохраняют свой вид (остаются инвариантными) для всех инерциальных систем, тогда как уравнения Максвелла неинвариантны при преобразованиях Галилея. Это означает, что электромагнитные и оптические (световые) явления должны протекать по-разному в разных инерциальных системах, тогда как механиче­ские — одинаково. Это входило в противоречие с опытными данными (в частности, с опытом Майкельсона—Морли), подтверждающими эквивалентность всех инерциальных систем и в области оптических явлений.

Противоречие между механикой и электродинамикой выражалось ­и в том, что скорость света не подчинялась ньюто- новскому закону сложения скоростей. Согласно экспериментальным данным, скорость света не зависела ни от скоро- сти источника света, ни от скорости наблюдателя, имея одно и то же значение во всех системах отсчета. По словам Ландау и Румера, распро­странение света в пустоте, в отличие от всех других движений, обладает тем важнейшим свойством, что его нельзя замедлить или ускорить. Какие бы изменения не претерпевал луч света в веществе, по выходе в пустоту он распространяется с прежней скоростью. Это явно противоречило ньютоновскому правилу сложения скоростей.

Эйнштейн разрешил это противоречие отказом от молчаливо делаемого в механике Ньютона предположения об абсолютном характере времени, которое считалось одинаково текущим во всех системах отсчета (именно из этого предположения, в конечном счете, вытекал фундаментальный для ньютоновской механики закон сложения скоростей). Эйнштейн впервые понял, что предположение об абсолютном характере течения времени во всех системах отсчета не соответствует действительности, и на основании этого открытия пришел к заключению о том, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных. Все другие выводы специальной теории относительности, так или иначе, связаны с установлением этого факта.
Зависимость хода времени от скорости движения примиряет также два основных принципа теории относительности, входящие друг с другом в противоречие в механике Ньютона: принцип одинакового протекания всех законов природы во всех инерциальных системах и принцип постоянства скорости света в пустоте.
Отказ Эйнштейна от абсолютного времени и одновременности привел его к понятию связи пространства и времени и пониманию того факта, что физической реальностью обладает не точка пространства и не момент времени, когда событие произошло, а только само это событие.

Фактически Эйнштейн пришел к заключению, что характеристики времени, пространства и материальных объектов меняются для того, чтобы скорость света оставалась постоянной. На практике это означало отказ от аристотелевского или ньютоновского понимания времени. Согласно Аристотелю «нечто, ограниченное представлением “сейчас”, и считается временем». Иными словами, «сейчас» адекватно точке, лежащей на линии времени между прошлым и будущим. Прошлое навсегда оставлено позади, будущее еще не свершилось, и вся Вселенная в каждый момент времени отвечает «сейчас», несущемся в будущее. Согласно Эйнштейну, на самом деле всё происходит по-иному:

Иными словами, наше «сейчас» для каких-то частей Вселенной — будущее, а для других — прошлое. В четырехмерном мире «прошлое» и «будущее» представляют собой понятия такого же порядка (существующие одновременно), как «вверх» и «вниз» или «вправо» и «влево». Путешествовать во времени можно точно так же, как и в трехмерной пространственной реальности.

Благодаря неизменности скорости света последний и является независимым от систем координат упорядочивающим элементом или организующим принципом. Свет подобен воде, в которой плывут все наблюдатели вместе с наблюдаемыми событиями. Каково же значение этого утверждения? Глубинные взаимоотношения между событиями, определяемые скоростью света, — б