Принцип относительности

В основе специальной теории относительно¬сти лежат два простых свойства, имеющих, однако, глубокие корни. Одно из них, как уже упоминалось, касается света; мы будем обсуждать его более подробно в следующем разделе. Другое является более абстрактным. Оно связано не с каким-либо конкретным физическим законом, а относится ко всем законам физики. Это принцип относительности, который базируется на простом факте: всегда, когда речь идет об абсолютной вели¬чине или о векторе скорости (величине ско¬рости тела и направлении движения тела), следует точно указать, кто или что выполняет измерения. Важность этого утверждения лег¬ко понять на примере следующей ситуации. Представим себе, что Джордж, одетый в космический скафандр с прикрепленной к нему красной сигнальной лампочкой, па¬рит в абсолютной темноте абсолютно пусто¬го космического пространства, вдали от всех планет, звезд и галактик. С точки зрения Джорджа, он находится в полной неподвиж¬ности, в однородном безмолвном мраке Все¬ленной. Вдалеке Джордж замечает слабень¬кий мерцающий зеленый огонек, который постепенно приближается к нему. В конце концов он приближается так близко, что Джордж видит лампочку, прикрепленную к скафандру другого космонавта, Грейс, ко¬торая медленно проплывает мимо него. Про¬летая мимо, она машет ему рукой, Джордж отвечает тем же, и она медленно удаляется. С той же достоверностью история могла быть рассказана и Грейс. Начало рассказа будет таким же: Грейс в полном одиночестве, в не¬объятном безмолвном пространстве. Вдали Грейс замечает мерцающий красный огонек, который постепенно приближается к ней. Наконец огонек подходит достаточно близ¬ко, чтобы Грейс могла увидеть, что это лам¬почка, прикрепленная к скафандру другого космонавта, Джорджа. Он медленно проплывает мимо и, поравнявшись с ней, машет ей рукой. Грейс отвечает, и он растворяется во мраке.

Эти две истории описывают одну и ту же ситуацию с двух различных, но равноправных точек зрения. Каждый наблюдатель считал себя неподвижным и воспринимал дру¬гого как движущегося. Обе эти точки зре¬ния понятны и оправданы. Поскольку между двумя космонавтами существует симметрия, с фундаментальных позиций нет оснований утверждать, что один из них «прав», а другой «неправ». У каждого одинаковые основания считать себя правым.

Этот пример демонстрирует сущность принципа относительности, которая состоит в том, что понятие движения относитель¬но. Мы можем говорить о движении тела только по отношению к какому-то другому телу. Таким образом, утверждение «Джордж движется со скоростью 10 км/ч» не будет иметь смысла до тех пор, пока мы не укажем тело для сравнения. Утверждение «Джордж движется со скоростью 10 км/ч относитель¬но Грейс» имеет смысл, поскольку теперь мы указали Грейс в качестве точки отсчета. Как показывает наш пример, это послед¬нее утверждение эквивалентно утверждению «Грейс движется со скоростью 10 км/ч отно¬сительно Джорджа (в противоположном на¬правлении)». Другими словами, не существу¬ет понятия «абсолютного» движения. Движе¬ние относительно.

Ключевым моментом в этой истории является то, что ни Джорджа, ни Грейс не толкали, не тянули, не прилагали к ним сил и не оказывали на них какого-либо другого воздействия, которое могло бы на¬рушить безмятежное состояние свободного равномерного движения, в котором они пребывали. Таким образом, более точная фор¬мулировка говорит, что свободное движение имеет смысл только относительно других объектов. Это важное уточнение, посколь¬ку если действуют силы, они могут изменить скорость наблюдателей — величину скоро¬сти и/или направления движения, и эти из¬менения могут быть зафиксированы. Напри¬мер, если бы за спиной Джорджа был реактивный ранцевый двигатель, Джордж навер¬няка бы почувствовал, что он движется. Это чувство является внутренним. Если бы ранцевый двигатель работал, Джордж бы знал, что он движется, даже если бы его глаза были закрыты, и он не мог проводить срав¬нение с другими объектами. Даже без этих сравнений он не мог бы уже утверждать, что был неподвижен, а «остальной мир двигался мимо него». Движение с постоянной скоростью относительно, а движение с непо¬стоянной скоростью, или, иными словами, с ускорением — нет. (Мы вернемся к это¬му вопросу в следующей главе, когда будем обсуждать ускорение и общую теорию отно¬сительности Эйнштейна.)

Помещение этих событий во мрак пу¬стого космического пространства облегчает понимание за счет отсутствия таких привычных объектов, как улицы и здания, которым мы обычно, хотя и не совсем оправданно, присваиваем статус «неподвижных». Однако тот же принцип применим и к земным усло¬виям: с ним приходится сталкиваться и в по¬вседневной жизни1). Представим, например, что уснув в поезде, вы проснулись как раз в тот момент, когда мимо по параллельному пути проходит другой поезд. Вид из окна полностью закрыт этим поездом, который не дает вам видеть другие объекты, и в тече¬ние какого-то времени вы не будете знать, кто движется — ваш поезд, другой или оба сразу. Конечно, если ваш поезд покачивается или постукивает на стыках рельсов, или если он меняет направление движения на пово¬роте пути, вы почувствуете, что движетесь. Но если движение будет плавным, если ско¬рость поезда будет оставаться постоянной, вы будете наблюдать только относительное движение двух поездов, и не сможете утверждать наверняка, который из них движется.

Сделаем еще один шаг. Представим, что вы едете в таком поезде, и опустили шторы, так что окна теперь полностью закрыты. При отсутствии возможности видеть что-ли¬бо за пределами купе и при абсолютно посто¬янной скорости движения поезда у вас не бу¬дет никакой возможности определить, дви¬жетесь вы или нет. Купе вокруг вас выглядит совершенно одинаково независимо от того, стоит ли поезд или мчится с большой скоро¬стью. Эйнштейн формализовал эту идею, ко¬торая на самом деле восходит еще к Галилею, провозгласив, что ни вы, и никакой другой путешественник, не сможете провести в закрытом купе эксперимент, который позволил бы определить, движется поезд или нет. Здесь опять работает принцип относитель¬ности, поскольку любое свободное движение относительно, оно приобретает смысл толь¬ко при сравнении с другими объектами или наблюдателями, которые также совершают свободное движение. У вас нет возможно¬сти определить состояние вашего движения без прямого или косвенного сравнения с ка¬ким-либо «внешним» телом. Понятия «абсо¬лютного» равномерного движения попросту не существует, такое движение приобретает физический смысл только при сравнении.

В действительности Эйнштейн понял, что принцип относительности означает боль¬шее: законы физики, каковы бы они ни были, должны быть абсолютно одинаковы для всех наблюдателей, совершающих равномер¬ное движение. Если бы Джордж и Грейс не просто парили в одиночестве в простран¬стве, а проводили бы одинаковые серии экс¬периментов на своих космических станци¬ях, результаты, полученные ими, были бы одинаковы. Напомним еще раз, что каждый из них абсолютно убежден, что его или ее станция находится в покое, хотя станции и совершают относительное движение. Если все используемое ими оборудование одина¬ково, и нет никаких различий в услови¬ях экспериментов, они будут в полностью симметричных условиях. Аналогично, законы физики, которые каждый из них будет выводить из результатов экспериментов, так¬же будут идентичны. Ни сами наблюдатели, ни проводимые ими эксперименты не будут подвержены никакому влиянию, т. е. никоим образом не будут зависеть от равномерного движения. Именно эта простая концепция устанавливает полную симметрию между та¬кими наблюдателями и составляет содержа¬ние принципа относительности. Вскоре мы используем всю мощь этого принципа.

Б. Грин