В эйнштейновских статьях было сравнительно мало математических расчетов и много логического анализа. Приводимые в них доводы выглядели несокрушимыми, а парадоксальные выводы возникали с какой-то поразительной легкостью. Наверное, не скоро в истории появится гений, способный создать подобные шедевры научной мысли в течение лишь одного года…
Глава 2. Все в мире относительно…
С развитием науки представление людей о пространстве существенно менялось. Всего шесть-семь веков назад различие между «верхом» и «низом» казалось одним из самых коренных свойств пространства. Именно поэтому учение о шарообразности Земли долгое время воспринималось как величайшая нелепость. Ведь присущий каждому «здравый смысл» исключал возможность существования антиподов, которые вынуждены были выходить «вверх ногами».
Ю. И. Соколовский. Секреты сверхсветовых скоростей
Можно сказать, что теория относительности начинается с рассмотрения различных систем отсчета. Для нас нынешних словосочетания «система отсчета» или «система координат» – простые и эмоционально нейтральные, а какие, однако, бури страстей вызывали они в истории науки!
Выражения «система отсчета» и «система координат» часто употребляются как синонимы, поскольку в физике назначение системы отсчета состоит в конкретном способе наделения точек пространства-времени координатами. Проще всего представить эту систему в виде трех линеек, скрепленных нулями перпендикулярно друг другу, и часами, установленными в точке взаимного пересечения.
Проводим на листе бумаге прямую, размечаем ее на равные единицы длины, скажем сантиметры, ставим жирную начальную точку, включаем секундомер – и наша система приходит в действие. Любая точка, движущаяся произвольным образом по прямой, всегда будет «просчитываться» нами в определенной точке пространства, в определенный момент времени. Конечно, мы сконструировали самую примитивную систему отсчета, но использовали при этом самые настоящие принципы построения поисковых систем, позволяющих найти любой объект в любой точке пространства и в любой момент времени.
Вообще говоря, движение всегда следует рассматривать относительно такой системы отсчета, в которой оно оказывается наиболее простым. При описании движения надо стремиться поместить начало отсчета в наиболее удобную, часто даже недостижимую для наблюдения точку. Если мы будем внимательно наблюдать за звездным небом, то даже невооруженным взглядом заметим, что некоторые звезды движутся среди неподвижных звездных россыпей. Это – планеты, по-древнегречески – странники, вращающиеся вместе с Землей вокруг Солнца.
Однако так думали далеко не всегда – тысячелетиями древние астрономы считали, что все обстоит полностью наоборот: Солнце и планеты вращаются вокруг Земли. Были, конечно, философы, которые догадывались об истинном положении дел, например эллин Аристарх Самосский и его ученики, но их мысли надолго затерялись в глубине веков.
Великий польский астроном Николай Коперник показал, что движение планет описывается значительно проще, если считать наше дневное светило центром «солнечной карусели». Тогда можно было бы представить, что вокруг Солнца вращаются все планеты, «прикрепленные» к нему радиус-векторами.
Долгие наблюдения с помощью специальных астрономических инструментов, наиболее известными из которых были трикветрум, параллактический инструмент, гороскопий для определения угла наклона эклиптики, квадрант особой конструкции и гномон, позволили Копернику выдвинуть революционную теорию.
В первом труде, написанном приблизительно в 1516 году и посвященном гелиоцентрической картине мира, Коперник дал предварительное изложение своего учения, пока еще представляя его в виде умозрительной гипотезы. К началу тридцатых годов XVI века работа над созданием новой теории и ее оформлением в труде «Об обращениях небесных сфер» была в основном закончена.
К тому времени почти полтора тысячелетия просуществовала система устройства мира, предложенная древнегреческим ученым Клавдием Птолемеем. Она заключалась в том, что Земля неподвижно покоится в центре Вселенной, а Солнце и другие планеты вращаются вокруг нее. Положения теории Птолемея считались незыблемыми, поскольку хорошо согласовались с учением католической церкви.
Наблюдая движение небесных тел, Коперник пришел к выводу, что теория Птолемея неверна. После тридцати лет упорнейшего труда, долгих наблюдений и сложных математических расчетов он доказал, что Земля – только одна из планет, и что все планеты обращаются вокруг Солнца.
Николай Коперник (1473–1543)
Великий астроном, положивший начало созданию новой схемы строения Вселенной. В книге, вышедшей в свет в 1543 г., в самый день его смерти, Коперник высказал предположение о том, что центром Вселенной является не Земля, а Солнце. Согласно этой точке зрения планетная система была, в сущности, Солнечной системой.
Коперник считал, что человек воспринимает движение небесных тел так же, как и перемещение различных предметов на Земле, когда он сам находится в движении. Наблюдателю кажется, что Земля неподвижна, а Солнце движется вокруг нее. В действительности же это Земля движется вокруг Солнца и в течение года совершает полный оборот по своей орбите.
Мы начали разговор с обсуждения понятия «относительность» и сразу же оказались среди довольно необычных систем отсчета, но самое интересное еще впереди и связано оно с исследованиями великого итальянского физика и астронома Галилео Галилея. Галилей внес настолько серьезный вклад в физику, что считается отцом экспериментального раздела этой науки. Он жил через сто лет после Коперника и активно пропагандировал его гелиоцентрическую (солнцецентральную) систему отсчета.
С 1606 года Галилей начал серьезно заниматься астрономией. В июле 1609 ему удалось построить один из первых линзовых телескопов в виде оптической системы, состоящей из набора выпуклых и вогнутых линз. С помощью этого принципиально нового астрономического устройства, получившего впоследствии название «подзорная труба Галилея», ученый начал систематические астрономические наблюдения, в ходе которых сделал много важных открытий для различных небесных тел. Поэтому Галилея по праву считают основоположником оптической наблюдательной астрономии.
На протяжении всей последующей жизни он непрерывно усовершенствовал свою подзорную трубу и в конце концов «построил себе прибор в такой степени чудесный, что с его помощью предметы казались почти в тысячу раз больше и более чем в тридцать раз ближе, чем при наблюдении простым глазом». Самые известные трубы Галилея имели более чем тридцатикратное увеличение, позволяя предметно исследовать лунные пейзажи – горные цепи, кратеры и «моря».
С этих выдающихся научных открытий начался постоянный конфликт великого ученого и церковных мракобесов, ведь в то время даже мысли о том, что Луна похожа на Землю и имеет на первый взгляд сходный ландшафт, считались глубокой крамолой, опровергающей абсурдные религиозные догмы, основанные на учении Аристотеля о Земле – центре мироздания. Еще больше масла в огонь религиозного фанатизма подлило наблюдение Галилеем четырех спутников Юпитера и вращения Солнца вокруг своей оси, окончательно похоронив фантасмагорическую космогонию Аристотеля. На основании множества наблюдений Галилей сделал единственно правильный вывод о том, что осевое вращение свойственно практически всем небесным телам, и гелиоцентрическая система мира Коперника безусловна верна.
Галилей начал смело пропагандировать учение Коперника, а между тем в 1616 году церковные мракобесы окончательно определились в своем отношении к этому величайшему достижению человеческого разума, признав его ложность и вопиющую ересь. Жемчужина человеческого знания, книга Коперника «Об обращении небесных сфер» была включена в перечень запрещенных книг и подлежала немедленному сожжению вместе со своими владельцами.
