7. О здравом смысле

В этой книге, особенно в предыдущей главе, мы привели доводы, убедительно говорящие о том, что все инерциальные наблюдатели должны считаться равноценными, и притом не только с позиций механики, как это обнаружил еще Ньютон, но и в отношении законов света. Отсюда следует, в частности, что скорость света одинакова во всех направлениях и не зависит от движения наблюдателя, если только тот находится в покое или движется по инерции.

Как мы уже подчеркивали раньше, этот вывод совершенно очевиден, если мы условимся измерять расстояние методами радиолокации. Тогда, чтобы найти расстояние до цели, мы измеряем время, а именно половину того времени, которое пройдет между испусканием и обратным приемом радиоимпульса. Хотя мы ничуть не ошибемся, если будем описывать это расстояние непосредственно с помощью времени, все исследователи по привычке умножают последнее на совершенно условное (а потому совершенно произвольное) число, именуемое скоростью света, просто для того, чтобы выразить расстояние в метрах, милях, футах и пр., а не в секундах. Кроме того, принцип единства физики требует, чтобы системы, равноправные с точки зрения всех внутренних механических экспериментов, были одинаковы и с точки зрения вообще любых внутренних экспериментов.

Все это просто с неизбежностью приводит к принципу относительности Эйнштейна: все инерциальные наблюдатели физически равноправны, и не может существовать такого внутреннего эксперимента, в результате которого обнаружится хотя бы какое-нибудь различие между этими инерциальными наблюдателями. Иными словами, этот принцип гласит, что нет никаких оснований отдать предпочтение скорости какого-нибудь самолета, если наблюдатель не выглядьь вает в окошко и если самолет летит без ускорения.

Думая об этом великом принципе физики на шестидесятом году его существования, невозможно не удивляться, как люди вообще могли когда-то думать иначе. И это ничуть не умаляет грандиозного достижения Эйнштейна, - напротив, если, привыкнув к нему, мы уже не можем представить себе, как все было без него, то это свидетельствует о поистине огромном прогрессе нашего мышления.

Несмотря на почти полную очевидность для нас этого принципа относительности, первоначально он встретил довольно холодный прием. Такие случаи часто бывают в физике, когда делается логически неизбежный шаг, к которому принуждает нас эксперимент, и при этом рушатся понятия, которые мы долго лелеяли. В случае принципа относительности таким понятием было время. Как выяснится в следующей главе, принцип относительности изменил понятие времени настолько, что, казалось, оно стало противоречить здравому смыслу.

Наш повседневный жизненный опыт

Отвлечемся ненадолго от принципа относительности и подумаем, что следует понимать под здравым смыслом и следует ли ожидать противоречий между здравым смыслом и физикой. Здравый смысл - это то чудовищное количество опыта, которое мы приобретаем в наши юные годы и из которого мы извлекаем великое множество сведений о мире, в котором живем, и об окружающих нас предметах. Хотя, возможно, в нем содержится кое-что от инстинкта, но в основном здравый смысл - это концентрат опыта. Но тот опыт, который мы накапливаем, черпается, естественно, из нашего повседневного окружения, с помощью тех вещей и веществ, которые у нас под рукой, У нас не возникает никаких "здравых" представлений о поведении газа при температуре в миллион градусов, потому что в обыденной жизни такая штука нам не лопядается. Точно так же у нас не возникает ни малейшего представления о том, как должен выглядеть мир, если мчаться по шоссе со скоростью 100 000 км/сек - просто потому, что с нами этого не случается.

И в тоже время здравый смысл служит отличным путеводителем среди тех явлений, на которых он основан, т. е. явлений обыденной жизни. Дело физики - пойти дальше этого, создать и применить приборы, обогащающие наш опыт и позволяющие познать те предметы и те условия, с которыми мы обычно не сталкиваемся. Поэтому можно ожидать, что когда физик при изучении более обширного круга явлений, чем тот, на котором основан здравый смысл, задумается о своих результатах, то представления здравого смысла окажутся либо применимыми, либо не применимыми к ним. Если окажется, что они применимы, то это просто значит, что, расширив круг изучаемых явлений, физик не вышел за пределы того, что было заключено в более узком круге. Если же он по-настоящему выйдет из этого круга, то, естественно, нельзя ожидать, что он сможет продолжать опираться на "здравый смысл". Более того, здравый смысл будет тогда плохим советчиком, и с ним труднее будет приспособиться к новым условиям, чем без него.

Однако к новым условиям всегда можно приспособиться. Люди по своей натуре понятливы, а это равносильно тому, что их ум гибок. Встретившись однажды вплотную с новыми условиями, человек может разобраться в них, приобрести от них новые знания, точно так же, как учат новый язык. Исторически случилось так, что мощь, достаточную для того, чтобы помочь нам вырваться за рамки применимости здравого смысла, физические приборы обрели к концу XIX и в первые годы XX в. Тогда впервые были получены результаты, явно противоречащие нашему повседневному опыту, приобретенному в иных, прежних условиях, и это привело к мучительным поискам и сомнениям.

Теперь мы знаем, что все это было напрасно, что чем глужбе проникают наши приборы, тем более странным кажется открывающийся перед нами мир и тем сильнее и явственнее отличается он от привычного нам мира. Современный физик, по выражению Льюиса Кэррола (Льюис Кэррол (литературный псевдоним английского математика Чарлза Латуиджа Доджсона) - автор знаменитых детских книг о приключениях Алисы в стране чудес и в зазеркалье, на которых воспитывалось много поколений англичан. - Прим. перев), приучен каждый день до завтрака поверить по крайней мере в две невероятные вещи. Иначе говоря, удивительно как раз то, что молекулы газа ведут себя до такой степени подобно биллиардным шарам, а вовсе не то, что поведение электронов так мало похоже на поведение тех же биллиардных шаров. Возвращаясь теперь к эйнштейновскому принципу относительности, укажем, что суть его состоит в распространении ньютоновского понятия относительности на всю физику. Все инерциальные системы равнозначны, в любом смысле слова. Речь идет уже не только о наливании чая, одинаковом как в реактивном самолете, так и за домашним столом, но в том, что, поглядев в зеркало в реактивном самолете, вы увидите то же самое, что вы видите, взглянув в зеркало у себя дома.

Мое индивидуальное время

Если двигаться с постоянной скоростью, то не изменится ни оптика, ни механика, ни физика вообще. Но оказывается, и мы докажем это в следующей главе, что представление о времени с точки зрения здравого смысла несовместимо с принципом относительности, если признать тот факт, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах. Необходимо освободиться от прежних представлений о времени, хотя эти представления становятся серьезным злом лишь тогда, когда мы имеем дело с очень большими скоростями - лишь незначительно меньшими, чем скорость света. Однако в принципе затруднения возникают при всех скоростях. Мы твердо знаем, что если у вас и у меня есть часы, на которых стоит уважаемая фабричная марка и которые мы сверили друг с другом (синхронизировали), то независимо от того, что будете делать вы, а что - я, наши часы будут всегда показывать одинаковое время. Однако это утверждение основано на опыте, относящемся к очень узкому кругу явлений, если судить с позиций физики в целом. Ведь ни вы, ни я никогда не будем путешествовать с действительно большими скоростями. Поэтому мы должны учитывать возможность (но не более), что эта постоянная синхронность ваших и моих часов сохранится, лишь пока мы будем двигаться медленно. Думать, будто наши часы должны показывать одинаковое время, когда мы будем двигаться со скоростями, близкими к световой, только потому, что они показывали одинаковое время, пока мы оба перемещаемся с небольшой скоростью, - явная бессмыслица. Значит, нам следует привыкнуть к мысли, что время - дело индивидуальное. Иначе говоря, мое время - это то, что показывают мои часы.

Время - это то, что измеряется часами. Это и есть здравый взгляд на вещи. Величины, подобные времени и результатам любых других физических измерений, не существуют сами по себе, абстрактно. Какой смысл говорить о чем-то, пока мы не уточнили, как это измерять? Если мы не хотим нести бессмыслицу, говоря о какой-то величине, то прежде всего нужно задать метод ее измерения. Значит, приступая к изучению природы времени без предубеждений и имея в виду, что в повседневной жизни мы по существу не могли узнать, что происходит со временем, когда мы движемся очень быстро, мы должны быть готовы к тому, что универсальное всеобщее время разобьется на множество индивидуальных времен.

Время "зависит от пути"

Возможность того, что время является индиви-дуальным, а не всеобщим, приводит к вопросу, как "зависит" время от пути. В обыденной жизни мы встречаем два совершенно различных типа величин: одни из них можно назвать зависящими от пути, а другие - не зависящими. Разницу между ними можно описать на примере поездки по холмистой местности (рис. 10). Если мы выехали из одного города, направляясь к другому, и поехали по холмам, поднимаясь и опускаясь по их склонам, и при этом запоминали величины подъемов и спусков на каждой части пути, то полное изменение нашей высоты будет равно просто разности высот над уровнем моря города, в котором мы кончили наш путь, и города, из которого мы выехали. Если бы мы поехали совсем по другой дороге, но держали путь из того же первого города в тот же второй город, то полное изменение высоты на протяжении всего пути было бы тем же самым, что и прежде, так как оно равно просто разности высот, точек начала и конца путешествия. Это - характерный пример величины, не зависящей от пути. Полное изменение высоты не зависит от выбора дороги. Если же, с другой стороны, мы смотрим на спидометр автомашины и измеряем расстояние между этими двумя городами, то от выбора дороги будет зависеть очень многое. В зависимости от того, по какому пути мы поедем, пройденный между этими городами километраж будет каждый раз другим. Значит, километраж - величина, зависящая от пути. Все это кажется очевидным, но суть в том, что все физические величины можно разделить на зависящие и не зависящие от пути.

Рис. 10. Километраж как величина, зависящая от пути

Рассмотрим в поисках не зависящей от пути величины движение дизельного поезда, обслуживающего пригородную одноколейную линию между двумя городами (рис. 11). Если колеса не буксуют (т. е. не скользят по рельсам), то положение колес нашего поезда всегда будет в точности одинаковым, когда он вернется на прежнее место, независимо от того, сколько рейсов взад и вперед он проделал. Тогда, сделав отметку мелом наверху колеса, когда поезд стоял на станции, мы увидим эту отметку также вверху после возвращения поезда назад. Значит, положение колес - величина, не зависящая от пути. Мы можем ей противопоставить зависящую от пути величину, например уровень горючего в баке двигателя, который явно должен зависеть от того, сколько рейсов совершил поезд с момента наполнения бака.

Рис. 11. Колесо каждый раз возвращается в одно и то же положение, когда вагон возвращается на прежнее место, - вращение колеса не зависит от пути (от выбора пути)

К какой бессмыслице в нашей обыденной жизни привело бы смешение зависящих и не зависящих от пути величин, можно увидеть, если предложить, при приличной стоимости проезда в одну сторону, считать стоимость билета в оба конца равной нулю, потому что пассажир вернется в то же место, откуда он уехал. Вероятно, порядок был бы тогда следующим: отправляясь в одну сторону, вы платите за проезд, а возвращаясь, получаете свои деньги обратно. Такая не зависящая от пути оплата проезда была бы ничуть не похожей на наш железнодорожный тариф, связанный с длиной пути. Для физика й математика зависящие и не зависящие от пути величины - это прямо-таки два разных мира.

Решающим шагом в теории относительности было установление зависимости времени от пути - ведь прежде время считалось величиной всеобщей и универсальной, т. е. не зависящей от пути. Конечно, возможность такой зависимости времени от пути обусловлена лишь тем, что оно стало индивидуальным, а не всеобщим. Но в следующей главе мы придем к важному выводу, что сам принцип относительности не допускает независимости времени от пути.