1. "На плечах гигантов"

Когда теория относительности только появилась да и много лет после этого ее воспринимали как совершенно революционную теорию. Главное внимание при этом обращали на самые удивительные из ее выводов. Однако с течением времени эти сенсационные стороны работы Альберта Эйнштейна перестали вызывать удивление - по крайней мере у ученых, - и теперь в этой теории начинают видеть не революцию, а естественные и неизбежные последствия всей той работы, которая была проделана физиками со времен Исаака Ньютона и Галилео Галилея. Хотя некоторые важные понятия теории совершенно неожиданно и радикально менялись, мы можем теперь заметить, что положения, претерпевшие такие изменения, были как раз менее существенными, а основные и определяющие идеи теории полностью сохранились.

Тот подход к теории относительности, который мы излагаем в этой книге, может быть назван подходом с точки зрения традиций. Поскольку речь идет о традициях физической науки, нам придется обсудить многие основные идеи классической физики, послужившие почвой, на которой выросла теория относительности. Науке свойственна преемственность. Превосходно выразился сам Ньютон: "Если мой взгляд проникал дальше, чем взгляды других, то это потому, что я стоял на плечах гигантов". Цель нашей книги требует наглядно обрисовать, что думали на каждом этапе все гиганты от Ньютона до Эйнштейна и чем именно подтверждались их взгляды. И если вам покажется, что наш путь к теории относительности, особенно к получению каких-то сенсационных выводов, был не очень коротким, то следует помнить, что мы считаем просто приятным и полезным обойти как старые, так и новые области физики, а кроме того, ведь нам пришлось карабкаться со ступени на ступень.

Понятие силы

Одной из труднейших задач науки является выбор того конкретного явления, которое стоит исследовать. Говорят, что неуч может задать большее число вопросов, чем способен ответить мудрец, однако в науке оказывается существеннее, чтобы мудрецу был задан правильный вопрос. Ответить на него - это уже второй шаг. Одной из старейших проблем является движение, в течение столетий волновавшее умы людей. Почему предметы движутся именно так, а не иначе? Что приводит их в движение? Мы инстинктивно чувствуем, что если неодушевленное тело предоставить самому себе, то оно перестанет двигаться. Мячик подпрыгивает каждый раз все ниже и ниже, пока наконец не остановится. Катящаяся телега (по крайней мере, на ровном месте) постепенно замедляет свое движение и останавливается. В конце концов остановится и камень, даже если он скользит по самому гладкому льду. Казалось бы, всякое движение должно вызываться лишь живым существом - как, например, волейболист бросает мяч. Однако, каким бы верным это замечание ни было в малых масштабах, в больших масштабах оно, по-видимому, терпит крах. Ведь дует же ветер - и если мы не придумаем бога ветров, то нет никакого одушевленного существа, которое приводило бы его в движение. В океане сменяются приливы и отливы, существуют течения. Наконец, таинственнее всего то, что Луна и планеты все время продолжают двигаться по небосводу. Спрашивается, какое движение сложнее, - постоянное обращение Луны вокруг Земли или же остановка мяча после того, как он несколько раз подпрыгнет?

Поскольку нам привычнее мяч, а сущность движения Луны менее очевидна, то в течение долгого времени все, не задумываясь, соглашались, что движение мяча является более простым, а потому естественно и прекращение движения. Предполагалось, что состояние покоя чем-то привлекательно для всех предметов, и то время как для объяснения постоянного движения планет нужно было делать особые предположения: например, Кеплер считал, что планеты толкают по орбитам ангелы. Понадобился гений Ньютона, чтобы увидеть истинную, и притом совершенно иную картину мира. В состоянии покоя нет ничего исключительного; имеется лишь целый ряд очень сложных явлений, которые можно назвать господством сил трения в реальных процессах. В космосе перед нами развертываются более простые явления, не усложненные трением, и небесные тела движутся согласно законам природы. До Ныотона считали, что постоянство их движения требует особого объяснения, - например, с привлечением особой силы. И только Ньютон понял, что вопрос ставился неправильно. Сама скорость вовсе не требует объяснения, а вот изменение скорости - ускорение - это как раз то, что необходимо объяснить.

Роль ускорения

Понятие ускорения является самым основным. Оно обозначает быстроту изменения скорости. Скорость изменяется не только тогда, когда возрастает или убывает, но и когда изменяется ее направление. Ускорение отсутствует лишь тогда, когда тело движется прямолинейно с одной и той же скоростью, а само ускорение является мерой отклонения движения тела от такого стандартного движения. В наши дни, когда транспорт может плавно двигаться, нам стало легче понять, что скорость не играет роли. Чтобы налить чашку чая у себя дома за столом, конечно, требуется минимум искусства. И чтобы налить такую же чашку чая в реактивном самолете, плавно летящем со скоростью 1000 км/час, требуется ничуть не больше искусства - это действие ничем не отличается от предыдущего. Совершенно не существенно, что в одном случае мы движемся относительно Земли, а в другом - нет. Итак, первое великое открытие Ньютона, которое мы можем назвать его принципом относительности, состоит в том, что скорость не играет никакой роли. Выражаясь точнее, все, что происходит в каком-то ящике, не зависит от скорости этого ящика, если только она постоянна. Это можно проверить в вагоне-ресторане. Если поезд идет плавно, то в вагоне так же просто налить чашку чая, как и в реактивном лайнере, но если поезд либо резко затормозит, либо будет поворачивать, либо подскакивать на пересечении путей, то нам уже понадобится гораздо больше ловкости, иначе чай окажется пролитым.

Следовательно, как только скорость перестает быть постоянной, как только возникают ускорения, появляется нечто новое. Как вычисляют ускорение? Проще всего это сделать, если изобразить скорость стрелкой, направленной в ту же сторону, что и движение, причем длина стрелки изображает величину скорости. Если теперь сравнить стрелки скоростей, взятые в какой-то один момент времени и секундой позже, совместив начала этих стрелок, то новая стрелка, соединяющая концы первой и второй стрелок скоростей, будет изображать ускорение. Когда поезд наращивает скорость, ускорение имеет одинаковое направление со скоростью. Однако ничуть не менее важен случай, когда поезд сворачивает по дуге. Величина скорости остается при этом постоянной, но стрелка, изображающая скорость, меняет свое направление. Легко видеть, что стрелка, соединяющая концы двух стрелок скоростей, взятых в очень близкие моменты времени, направлена под углом, более или менее близким к прямому (90°) по отношению к направлению скоростей. Другими словами, в этом случае ускорение перпендикулярно скорости.

Чтобы объяснить существование ускорения, вводят понятие силы. Сила - это необходимое условие для появления ускорения. Такое заключение нас едва ли удивит. Возьмите в руки бечевку с привязанным на конце камнем и попробуйте кружиться. Чтобы камень все время оставался на одном расстоянии от вас, вам необходимо подтягивать его с какой-то силой. Ваш камень будет двигаться по кругу, а значит, его ускорение будет направлено под прямым углом к его пути. Следовательно, ускорение будет направлено к вам, и ваша сила, приложенная к камню (через посредство бечевки), является той самой силой, которая вызвала появление ускорения, удерживающего камень на его орбите.

Другой пример, но уже в космических масштабах, - движение Земли вокруг Солнца (рис. 1). Тот, кто полагает, что для поддержания движения требуется какое-то воздействие, будет искать его в том направлении, в каком движется Земля. Но если смотреть в этом направлении, то нельзя увидеть ничего примечательного: просто каждый раз на глаза будут попадаться все новые объекты. Если же посмотреть под прямым углом к направлению скорости, т. е. в направлении ускорения Земли, то мы будем всегда видеть одно и то же, а именно Солнце, которое без сомнения должно играть весьма существенную роль. Другими словами, просто заменив вопрос "чем обусловлена скорость движения Земли"? вопросом "чем обусловлено ускорение Земли?", мы перестав ем гоняться за собственной тенью и обнаруживаем Солнце, - безусловно, самого важного из наших астрономических соседей. Таким образом, нам понадобился всего один шаг (посредством изменения вопроса), чтобы перейти от незнания причины движения Земли к естественной мысли, что орбита Земли имеет свой строго определенный вид благодаря Солнцу. Подобным же образом Ньютон объяснил движение Луны вокруг Земли, доказав, что ускорение Луны всегда направлено к Земле, которую поэтому можно считать причиной движения Луны.

Рис. 1. Стрелки, касательные к орбите, указывают направление скорости движения Земли в четырех положениях. Перпендикулярные им стрелки, указывающие на Солнце, дают направление ускорения

Единство физики

Из наших простых рассуждений следует еще один вывод. Много говорят о специализации науки и об ее узких разделах, но только что упомянутые совершенно фундаментальные опыты и наблюдения явлений природы указывают на единство физики.

Когда пишут учебники или принимают экзамены в университете, физику для удобства разбивают на такие разделы, как механика или динамика (наука о силах), оптика (наука о свете) и т. д., но это деление в высшей степени искусственно, и его не следует превращать в догму. Наверное, нельзя даже придумать такого опыта, который был бы чисто механическим или чисто оптическим, - мы всегда имеем дело с сочетанием нескольких областей физики. Например, когда Ньютон обнаружил, что в динамике важнейшую роль играет ускорение, а ускорение Земли направлено в сторону Солнца, он исходил из сочетания динамики и оптики. Ускорение - главная динамическая характеристика движения Земли по ее орбите - направлено туда, где мы видим Солнце, т. е.: речь идет о простейшем и очень важном оптическом наблюдении. Значит, мы доказали важную роль ускорений для механики, по существу, из оптических наблюдений - отметив то направление, откуда приходят к нам солнечные лучи. Мы все время будем руководствоваться этим уроком, говорящим о единстве физики, и тогда мы с неизбежностью придем к идеям эйнштейновской теории относительности и сможем избежать тех заблуждений, из-за которых физика в конце XIX века погрязла было в трясине.