В 1638 году Галилей из Пизы (один из первых «крутых ребят» в физике) придумал, как вычислить скорость света. Эксперимент выглядел следующим образом: Галилей стоял на холме со светильником, а его помощник со своим светильником уходил далеко-далеко и взбирался на другой холм. Они сигналили друг другу светильниками – то закрывали шторку, то открывали. Каждый раз, когда Галилей видел, что помощник открывает или закрывает шторку, он делал то же самое со своим светильником – и наоборот. Галилей надеялся, что если холмы будут достаточно далеко, можно будет измерить скорость света. Ни о какой точности речи не было, но Галилей все равно молодец, потому что хорошо придумал и к тому же пришел к весьма занятному выводу: скорость света либо бесконечна, либо чертовски велика.
В следующие несколько столетий физики несколько раз оценивали скорость света с большей точностью, но мы не будем мучить вас сложными вычислениями или детальными описаниями хитроумных экспериментальных установок. Достаточно сказать, что чем дальше, тем сильнее хотелось физикам пролить свет на свет. Несколько ученых, в том числе Альберт Эйнштейн, предположили, что неважно, стоишь ты или двигаешься, когда измеряешь скорость света, – величина ее от этого не меняется. Они были правы.
Сейчас считается, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду. В дальнейшем мы не будем сыпать цифрами, а просто договоримся называть скорость света с – от латинского слова celeritas, что значит «быстрота». Измерить ее при помощи кухонного таймера и рулетки не получится. Чтобы вычислить с настолько точно, нужны атомные часы на атомах цезия‑133. Научное сообщество договорилось определять секунду как ровно 9 192 631 770 характерных времен излучения сверхтонкого перехода в цезии‑133. Может показаться, что это излишне все усложняет, но на самом деле так гораздо проще[5]. То есть секунда, как и размер вашей шляпы, – величина, которую мы определяем, опираясь на материальные данные: очень много физиков могут сделать себе очень много цезиевых часов, и поскольку все атомы цезия ведут себя одинаково, все эти часы будут отмерять одинаковое время.
Итак, мы нашли крайне неординарный способ определения секунды – но как это поможет измерить скорость света? Скорость – это отношение расстояния ко времени, например, километры в час, а поскольку мы уже определили секунду, у нас есть некая точка опоры. Осталось всего-навсего определить метр. Казалось бы, в этом нет ничего сложного: ведь метр у нас ровно метр длиной. Берешь портновскую линейку, и дело с концом. Только вот сколько это – метр?
С 1889 по 1983 год, если человек хотел точно узнать собственный рост, ему нужно было поехать во Францию, в Международное бюро мер и весов в городе Севре, пойти в хранилище, взять там платиновый эталон метра и измерить себя. Это не только хлопотно (и противозаконно, если заблаговременно не попросить разрешения, не забыв сказать «пожалуйста» и «спасибо»), но и, как правило, крайне неточно. Большинство материалов, в том числе и платина, при нагревании расширяются. При старой системе в жаркую погоду метр оказывался чуточку длиннее, чем в холодную.
Так вот, вместо того чтобы пользоваться эталоном метра, мы берем часы, которые точно отмеряют секунды, и определяем метр как 1/299 792 458 долю того расстояния, которое проходит свет за одну секунду. Чтобы окончательно расставить все по местам, поясню, что мы только что сделали. Мы сказали: «Скорость света мы знаем точно, и она постоянна. Но вот с метрами выходит некоторая путаница, и сейчас мы ее проясним». Все эти сложности означают, что мы можем задать метр через скорость света и секунду и что теперь все пользуются одной и той же системой измерения.
Однако не забывайте, что главное – то, что скорость света не бесконечна. Не понимаете, от чего тут приходить в восторг? Тогда приготовьтесь к взрыву философической бомбы: если скорость света не бесконечна, значит, мы вечно смотрим в прошлое. Сейчас, когда вы читаете эту книгу, которая находится в 30 сантиметрах от ваших глаз, вы видите ее такой, какой она была примерно миллиардную долю секунды назад. Солнечному свету требуется около восьми минут, чтобы дойти до Земли, так что если пять минут назад наше светило взорвалось, у нас нет никакой возможности узнать об этом[6]. Когда мы смотрим на звезды в нашей Галактике, свету требуется сотни и даже тысячи лет, чтобы дойти до нас, так что отнюдь не исключено, что некоторых из звезд, которыми мы любуемся, уже не существует.
I. Почему нельзя определить, с какой скоростью плывет корабль в тумане?
Ни в одном эксперименте не была получена частица, которая двигалась бы со скоростью больше скорости света[7].
Позвольте представить вам Рыжего по прозвищу Ржавый, бродячего физика, отвергнутого обществом из-за нетривиальных гигиенических стандартов, принятых среди людей его круга. Рыжий сумел «позаимствовать» платиновый эталон метра из Международного бюро стандартов (хотя это и не очень точный эталон, бродячему физику сгодится и он) и нашел где-то кучу атомов цезия, из которых можно сделать цезиевые часы.
Рыжий развлекается тем, что весь день напролет швыряет свои пожитки[8] вдоль движущегося вагона. Каждый раз он измеряет расстояние, которое пролетает узелок, и время, которое уходит на то, чтобы его пролететь. Поскольку скорость – это отношение расстояния ко времени, которое уходит на то, чтобы его пройти (километры в час), Рыжий может достаточно точно вычислить скорость узелка.
После утомительного дня, посвященного метанию узелка, Рыжий ложится спать, а просыпается он в своем частном товарном вагоне. Поскольку окон в товарных вагонах нет, а поезд едет по ровному участку дороги, Рыжий, приоткрыв дверь и обнаружив, что поезд движется, чувствует себя несколько дезориентированным. Не знаю, замечали ли вы, что даже в машине иногда не знаешь, едешь или стоишь, если не глядеть в окно.
Скорее всего, не замечали. Вероятно, вы не замечали и того, что если стоишь на экваторе, то движешься со скоростью больше 1600 километров в час относительно центра Земли. А сама Земля движется вокруг Солнца еще быстрее – со скоростью 108 800 километров в час. А Солнце движется со скоростью примерно в 800 тысяч километров в час относительно центра галактики Млечный Путь, который, в свою очередь, несется по Вселенной со скоростью свыше полутора миллионов километров в час.
Нас интересует то, что вы (или Рыжий) не замечаете, что поезд (Земля, Солнце, галактика) движется, не говоря уже о том, насколько быстро, если движение происходит плавно и равномерно.
Галилей использовал этот довод, когда доказывал, что Земля движется вокруг Солнца. Большинство его современников считали, что если бы Земля летела вокруг Солнца, мы бы как-то ощущали это движение, а если нет, значит, она неподвижна.
«Ерунда!» – говорил на это Галилей. Он сравнил движение Земли с движением корабля по спокойному морю. При таких обстоятельствах моряк не может сказать, плывет корабль или стоит неподвижно. Этот принцип известен как «принцип относительности Галилея» (не путать со специальной теорией относительности Эйнштейна, с которой мы познакомимся в самом ближайшем времени).
Согласно Галилею (и Исааку Ньютону, и в конечном итоге Эйнштейну), нет буквально никакого эксперимента, который в поезде, движущемся прямолинейно и равномерно, привел бы к иным результатам, чем если бы вы сидели неподвижно. Вспомните, как вы ехали в машине и швырялись в братишку фантиками, пока родители не грозились «немедленно развернуться и поехать домой, если ты не прекратишь обижать брата, негодник!». Хотя машина при этом ехала со скоростью 80 километров в час, а то и больше, вы бросали фантики в точности так же, как если бы машина стояла на месте. Нравится вам это или нет, а все эти шалости были не чем иным, как простейшим физическим опытом. С другой стороны, все это справедливо, только если скорость и направление машины/поезда/планеты/галактики в точности (или почти-почти совсем) постоянны. Вы бы это почувствовали в полной мере, если бы родители выполнили свою угрозу и ударили по тормозам.
