В 1896 году, когда Эйнштейну было всего 17 лет, он вообразил следующий мысленный эксперимент. Допустим, ровно в полдень мы начали удаляться от башенных курантов со скоростью света. Если мы обернемся и посмотрим на них, то стрелки как будто застынут на отметке «полдень», поскольку свет, отразившийся от них в этот момент, будет лететь с той же скоростью, что и мы. Останавливается ли время, когда летишь со скоростью света? Эйнштейн задумался, как будет при этом выглядеть луч света, летящий рядом. В таком случае он увидел бы неподвижные волны электрических и магнитных полей, напоминающие борозды на обычном поле; они не будут двигаться относительно наблюдателя. Если лететь с той же скоростью, что и волна, то волна покажется неподвижной. Но такая стационарная волноподобная конфигурация электрических и магнитных полей в вакууме не допускалась максвелловскими уравнениями поля. Картина, которую мы бы увидели из иллюминатора воображаемой фотонной ракеты, казалась невозможной. Эйнштейн понял, что ситуация парадоксальна, а значит, он где-то ошибается. Ему потребовалось девять лет, чтобы догадаться, как исправить эту ошибку.
Эйнштейн действовал очень оригинально. В 1905 году он решил принять два постулата.
1. Движение относительно. Эффекты физических законов должны выглядеть одинаково для любого наблюдателя, находящегося в равномерном движении (это движение с постоянной скоростью в одном и том же направлении, без поворотов).
2. Скорость света в вакууме постоянна. Скорость света c должна получаться одинаковой, если ее измерит любой наблюдатель, находящийся в равномерном движении.
Два этих постулата лежат в основе специальной теории относительности Эйнштейна. Она называется теорией относительности, поскольку «движение относительно» (первый постулат), и специальной – потому что касается только равномерного движения. Первый постулат вы испытываете на себе. Доводилось ли вам летать на пассажирском самолете со скоростью 800 км/ч (по прямой, без поворотов), когда шторки в салоне опущены и можно посмотреть какой-нибудь плохой фильм? Вам кажется, что вы сидите, как будто и не взлетали. В летящем самолете вы находитесь словно в состоянии покоя. Прямо сейчас мы летим вокруг Солнца со скоростью 30 км/c, но нам кажется, что мы никуда не движемся. Первый постулат теории относительности: важны лишь относительные движения, и абсолютный эталон неподвижности определить невозможно. Закон тяготения Ньютона соответствует этому постулату. Согласно этому закону, ускорение (изменение скорости) двух материальных точек зависит от расстояния между ними и никак не связано со скоростями самих этих частиц. Следовательно, Солнечная система была бы устроена одинаково, если бы Солнце оказалось неподвижным, вокруг него вращались бы планеты, либо если бы все это хозяйство летело как одно целое на скорости 100 000 км/c. C точки зрения Ньютона оба случая равноценны. Невозможно поставить в Солнечной системе такой гравитационный эксперимент, который бы показал, движется эта система или нет. На самом деле она движется, вращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/c. Теория Ньютона подчиняется первому постулату, и Эйнштейн считал, что уравнения Максвелла также должны ему подчиняться. Все законы физики должны подчиняться этому постулату.
Второй постулат непростой. Он означает, что если я измерю скорость пролетающего мимо меня луча света, то она должна составить 300 000 км/c. Но если кто-то другой пронесется мимо меня на скорости 100 000 км/c и измерит скорость того же луча света, она также должна составить 300 000 км/c, а не 200 000 км/c, как мы могли бы предположить. Он должен увидеть луч света, летящий со скоростью 300 000 км/c, то есть с такой же скоростью, которую измерил бы я. Это безумие!
Да, здравый смысл здесь отсутствует. Скорости должны складываться. На самом деле, парадокс обретает смысл, только если часы у второго наблюдателя идут с иной скоростью, нежели у меня, и измеренные нами расстояния также отличаются. Примечательно, что Эйнштейн просто поверил в два этих постулата, а здравый смысл отбросил за ненадобностью. В шахматной партии мы бы назвали подобный шаг «отличный ход» (обозначается!!) – подобный ход может обеспечить мат сопернику спустя 17 ходов. Эйнштейн предположил, что два его постулата верны, решил доказать теоремы на основе мысленных экспериментов, выводимых из этих постулатов, и посмотреть, что получится. Если потом сверить эти теоремы с наблюдениями – и наблюдения их подтвердят, то, значит, и сами постулаты верны. Это было поразительно. Никто и никогда ранее не делал ничего подобного. Постулаты Эйнштейна поддавались опровержению[25]. Если бы эйнштейновские теоремы привели его к выводам, которые противоречили бы наблюдениям, то теория тем самым была бы опровергнута. Если бы теоремы согласовывались с наблюдениями, то самих постулатов мы, конечно бы, при этом не доказали, но нашли бы факты в их пользу.
Почему Эйнштейн поверил во второй постулат? Потому, что скорость света в уравнениях Максвелла являлась постоянной и была связана с соотношением магнитных и электрических сил, которые можно измерить в лаборатории. Максвелл вычислил, что волны света распространяются в вакууме со скоростью около 300 000 км/c. Если бы вы зафиксировали луч света, летящий с другой скоростью – например, 200 000 км/c, – то могли бы логически заключить, что движетесь со скоростью 100 000 км/c, вообще понять, что движетесь. Это противоречило бы первому постулату. В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили знаменитый эксперимент, при котором пытались измерить скорость Земли, вращающейся вокруг Солнца, по отражению солнечных лучей от установленных в лаборатории зеркал. Фактически они измеряли разницу скоростей света относительно своей лаборатории для лучей, летящих параллельно и перпендикулярно вектору скорости Земли. Они добились достаточной чувствительности эксперимента для измерений на скорости 30 км/c, с которой Земля движется вокруг Солнца. Удивительно, но скорость Земли у них получилась нулевой, как если бы Земля была неподвижной, а лучи света относительно их лаборатории летели бы во всех направлениях с одинаковой скоростью. Но именно такой результат они и должны были получить в соответствии со вторым постулатом Эйнштейна. Измеренная вами скорость света всегда будет одинакова, независимо от того, движется Земля или нет. Следовательно, если вы верите во второй постулат, то могли бы спрогнозировать, что Майкельсон и Морли зафиксируют в своем эксперименте нулевую скорость.
Итак, Эйнштейн решил поверить в два
