Сначала будем говорить о законах классической физики (и нашего повседневного опыта) для движения с небольшой скоростью. Представим себе вагон поезда, проезжающий мимо станции. Поезд едет настолько мягко, что внутри вагона движение совсем не чувствуется, и может показаться, что вагон неподвижен. Точно посередине вагона стоит человек, а на платформе – еще один человек. В тот момент, когда движущийся человек оказывается строго напротив неподвижного, он бросает два мяча в разные стороны с одинаковой скоростью. Мячи пролетают полвагона и одновременно ударяются о переднюю и заднюю стенки вагона. Для обоих наблюдателей очевидно, что мячи достигнут стенок одновременно. Наблюдатель в поезде не замечает движения поезда и видит лишь, что два мяча с одинаковой скоростью долетели до стенок. Человек на платформе видит, что задний мяч пролетает меньшее расстояние, потому что задняя стенка вагона его догоняет, а передний мяч пролетает большее расстояние, потому передняя стенка от него убегает. Но он понимает, что относительно него самого передний мяч летит с большей скоростью, потому что скорость броска складывается со скоростью поезда, а скорость заднего мяча уменьшается на скорость поезда. Увеличение и уменьшение скоростей в точности компенсирует уменьшение и увеличение расстояния, так что мячи действительно долетают до стенок одновременно.
Теперь изменим условия эксперимента. Поезд, станция и наблюдатели будут те же, но человек в поезде будет звонить в колокол, а не бросать мячи. Движение звука определяется уже не силой броска, а тем, как звуковые волны распространяются по воздуху. Звук колокола будет лететь вперед и назад со скоростью звука (около 1200 км/ч) и достигнет обеих стенок вагона одновременно. Предположим, что на стенках закреплены микрофоны и лампочки, так что лампочки мгновенно включаются, когда микрофон поймает звук колокола. Человек в поезде не удивится тому, что обе лампочки вспыхнут мгновенно, потому что, как я сказал раньше, поезд идет плавно, так что человек может и не знать о движении поезда.
Человек на станции тоже увидит вспышки лампочек одновременно и, немного подумав, догадается, почему. Потому что воздух в закрытом вагоне движется с той же скоростью, что и поезд, поэтому скорость волны бегущей назад уменьшится, а скорость бегущей вперед увеличится так же, как и скорости мячей.
Еще немного изменим условия эксперимента. Вместо закрытого вагона мы пускаем открытую платформу. Воздух вокруг нее неподвижен, так же, как и человек стоящий на станции, а колокол и стенки платформы движутся. В этом случае звуковые волны побегут не по движущемуся воздуху внутри вагона, а по неподвижному воздуху станции, так что их скорость относительно станции будет одинакова. Но задняя стенка по-прежнему будет набегать на звук, а передняя будет от него убегать, так что, конечно же, задняя лампочка зажжется раньше, чем передняя. Это увидят оба наблюдателя. Для неподвижного это будет очевидно, потому что он понимает, что звук бежит по неподвижному воздуху. Движущийся наблюдатель тоже догадается в чем дело, потому что он будет чувствовать набегающий на него ветер и будет знать, что он движется относительно станции в отличие от предыдущего раза, когда он об этом не догадывался и считал себя и вагон неподвижными.
И вот последний шаг, когда начинается уже теория относительности – заменим звуковые волны световыми. Заменим поезд на звездолет, который летит со скоростью хотя бы в половину от скорости света (около 300 тысяч км/с пополам), а станцию – на планету, на которой по-прежнему стоит неподвижный наблюдатель. Пролетая мимо наблюдателя на планете, человек в звездолете включает фонарь, лучи которого летят к передней и задней стенкам звездолета. Световые волны распространяются сами по себе, что в космическом вакууме, что в воздухе внутри звездолета. Никакой физически ощутимой среды для распространения света не нужно, поэтому первые физики, которые размышляли об этом мысленном эксперименте, представляли себе, что волны света бегут по гипотетическому эфиру, который пронизывает все пространство, но никак не ощущается физически.
Здравый смысл подсказывает, что в нашем эксперименте эфир подобен неподвижному воздуху станции из прошлого примера, и свет достигнет задней стенки звездолета раньше, чем передней. И вот тут-то здравый смысл нас подведет! Неподвижный наблюдатель на планете увидит, что да, задняя лампочка загорится раньше, как и в случае со звуком. А вот движущийся наблюдатель увидит эти же лампочки одновременно, как если бы эфир внутри звездолета двигался вместе с ним.
Но эфир не может одновременно быть неподвижным и двигаться! В этом и состоит парадокс постоянства скорости света, который никак нельзя объяснить классическими уравнениями. Да и вообще нет никакого эфира, как показали последующие эксперименты и теории, а свет и другие электромагнитные волны распространяются по пространству сами по себе, в пустоте создавая волны электрического и магнитного полей.
В нашем эксперименте каждый наблюдатель видит свет так, будто источник света неподвижен относительно него. Для наблюдателя на планете свет распространяется по неподвижному «эфиру» космоса, а для наблюдателя в звездолете – по «эфиру», движущемуся вместе со звездолетом. Хотя здравый смысл подсказывает, что один и тот же свет не может распространяться по-разному.
Вот что означает слово «относительность» в названии теории Эйнштейна. Наблюдатель может описать события только относительно своего собственного состояния – движения или покоя. Другой наблюдатель, движущийся с другой скоростью, увидит те же события по-другому.
И опять современная физика на концептуальном уровне подобна даосской философии Пути и более общей эзотерической доктрине. У каждого свой жизненный путь, более того, каждый видит по-своему не только свой личный путь, но и весь окружающий мир, по которому этот путь пролегает. Нет абсолютной истины, по крайней мере, в рамках земного существования, но есть некий скрытый от человека единый Образ, который питает различные свои представления для разных людей.
Кстати, еще немного про звездолет. Я не написал о еще одной немаловажной подробности. Чтобы наблюдатели увидели, что свет достиг краев звездолета, они должны получить сигналы об этих событиях. А сигналы также распространяются не мгновенно, а со скоростью света. Вот и попробуйте теперь разобраться, кто что увидит.
Волна или частица?
Относительность наших представлений о мире не ограничивается лишь движением. Не только движение объекта зависит от наблюдателя, но сам объект наблюдения может оказаться совершенно разными вещами в зависимости от того, чего мы от него ждем. В современной физике эта особенность называется «корпускулярно-волновой дуализм».
Смысл этой концепции заключается в том, что элементарная частица проявляет себя либо как волна, либо как частица в зависимости от того, какой эксперимент над ней ставят. В экспериментах, где материя рассматривается как собрание отдельных частиц, и измеряются свойства частиц – положение, скорость, количество – частицы ведут себя как частицы – маленькие шарики, имеющие положение, массу и скорость. В других экспериментах, где та же самая материя рассматривается как волна, и измеряются ее волновые свойства – частота, амплитуда, интерференционная картина – та же самая материя ведет себя как волна. Такое странное положение вещей было обнаружено в ходе так называемого «двухщелевого эксперимента», в котором поток электронов пролетал через стенку с одной или двумя щелями.
Для начала вспомним, как ведет себя при прохождении через отверстие поток частиц, и как ведет себя волна. Если мы стреляем из пулемета по щели в стене, то часть пуль пролетает прямо через щель, часть попадает мимо щели и застревает в стенке, а небольшая часть попадает в щель неточно, ударяется о ее край и немного отклоняется от прямой линии. Если за стенкой с щелью стоит еще одна стенка – назовем ее «экран», – то основная часть пуль окажется на экране прямо напротив щели, и по мере удаления от середины количество отклонившихся пуль будет плавно уменьшаться. Если мы изобразим плотность пуль на графике, то он будет иметь вид колокола.
