потолком в разных направлениях, из бутылки, поднимая брызги, капает в сосуд вода. Теперь представьте, что корабль отошел от причала и движется с постоянной скоростью по удивительно тихому морю. Вы не сможете заметить разницу: в кают-компании ничего не изменится.
Этот мысленный эксперимент описал Галилей в 1632 году, отстаивая взгляд Коперника на устройство Солнечной системы. Противники Коперника утверждали, что если бы Земля вращалась вокруг Солнца, то люди, несомненно, почувствовали бы это. Корабль Галилея демонстрирует частный случай теории относительности – так называемой “специальной” теории относительности. Согласно общей теории относительности все законы физики вне зависимости от того, движетесь вы или нет, остаются неизменными. Это утверждение легко понять, но трудно принять. А вот специальная теория относительности соответствует только системам отсчета, движущимся с постоянной скоростью. Иначе говоря, такие системы либо покоятся, либо двигаются в одном и том же направлении с постоянной скоростью. Ускорение в специальной теории относительности не учитывается.
Хотя из‐за строгих ограничений “специальный” пример Галилея кажется надуманным, понять основную мысль легко, поскольку в повседневной жизни мы ощущаем на себе действие принципа относительности. Например, пассажиры высокоскоростного поезда “Синкансэн” не летят по проходу со скоростью триста двадцать километров в час, а комфортно сидят на своих местах. Они могут соревноваться в стрельбе из лука, испечь бретонский торт, передать сообщения по радио – законы физики будут действовать так же, как если бы люди стояли на земле.
Основа принципа относительности – это представление о том, что ни одна из систем отсчета не имеет преимуществ по отношению к другой. Если кто‐то стоит на станции и видит проходящий на большой скорости поезд, то логичным образом для него все выглядит так, будто поезд и все его пассажиры движутся в определенном направлении. Однако тому, кто сидит в поезде, представляется, что станция удаляется от него в противоположном направлении. На самом деле обе эти интерпретации справедливы. Нет возможности выяснить, какая из них “правильная”. Поскольку законы физики действуют совершенно одинаково и для пассажира поезда, и для человека на станции, ни один эксперимент не может определить, кто на самом деле покоится, а кто движется. Все зависит от вашей собственной системы отсчета.
К 1905 году принцип относительности давно и прочно вошел в физику. Эта идея принадлежит не Эйнштейну. Его специальная теория относительности отличается от корабля Галилея тем, что он включил в рассмотрение свет.
Звуковые волны не могут существовать без чего‐то колеблющегося, например воздуха или куска дерева. Без воды нет волн на воде. Для физика начала XX столетия волна – это по определению возмущение, распространяющееся в некоторой среде. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц, однако к концу XIX столетия все поменялось: согласно общепринятому представлению свет был волной. Джеймс Клерк Максвелл доказал, что свет, являющийся частью спектра электромагнитных волн, есть комбинация электрического и магнитного полей. Более того, в экспериментах свет ведет себя как волна: он преломляется и отражается, его частоту можно измерить. Отсюда делался вывод, что свет, как и все другие волны, должен распространяться через некую среду. Эта неизвестная субстанция получила название “эфира”.
Чтобы соответствовать наблюдаемой реальности, свойства эфира должны были быть очень странными. Прежде всего, он должен заполнять всю Вселенную, иначе свет далеких звезд не дошел бы до Земли. Кроме того, эфир не должен влиять ни на что внутри него, то есть быть невероятно разреженным и прозрачным, но при этом настолько жестким, чтобы свет мог распространяться по нему с невероятной скоростью. Многое в физике конца XIX века было связано с поисками эфира. Он был совершенно неуловим.
Считалось, что одна из возможностей доказать существование эфира – это зарегистрировать изменения в скорости света. Точно так же, как если бы Земля двигалась в воде или в воздухе, при движении нашей планеты через эфир должен возникать “эфирный ветер”, дующий в направлении, противоположном направлению ее вращения. Рассуждали так: против ветра свету распространяться труднее, чем при попутном ветре. Основываясь на этой идее, американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в 1887 году поставили свой знаменитый эксперимент. Расщепив луч света надвое, они направили одну его часть в направлении вращения Земли, а другую – перпендикулярно первой. Несмотря на все их усилия, ни малейшего различия в скоростях распространения лучей обнаружить не удалось.
Ни один из многочисленных экспериментов по обнаружению эфира успехом не увенчался. Что‐то очевидно не сходилось. Однако для ученых конца XIX – начала XX века эфир был реальностью, такой же, как воздух. Мысль о том, что свет может распространяться без среды – через ничто, – казалась нелепой.
К 1905 году Эйнштейн стал скептически относиться к возможности существования эфира. В июньской статье, названной “К электродинамике движущихся тел”, он без всякого сожаления от него отказался. “Введение «светоносного эфира» окажется… излишним”[116][117], – писал он, расставаясь, как со старым пальто, с научным знанием, накопленным за двести лет.
Статья Эйнштейна строится всего на двух основополагающих принципах. Все остальное следует из этих непреложных истин. Первая – это принцип относительности: законы физики одинаковы во всех системах отсчета, движущихся без ускорения. И вторая: скорость света, распространяющегося в пустом пространстве, неизменна. Эта скорость равна 299 792 458 метров в секунду, или 670 616 629 миль в час. Или, если так вам больше нравится, можно говорить, что за год свет проходит расстояние, равное одному световому году. С достаточной точностью скорость света была известна с конца 1800‐х годов. Эйнштейн рискнул предположить, что эта скорость неизменна независимо от движения источника света. Другими словами, скорость света постоянна во всех системах отсчета.
Вернемся в поезд, движущийся с постоянной скоростью, и бросим мяч в проход между сиденьями вагона. Мы увидим, что мяч летит с той скоростью, с какой мы его бросили. Однако для человека, стоящего на платформе и с интересом наблюдающего через окно мчащегося поезда, какой ерундой мы там занимаемся, скорость мяча окажется совсем другой. Он увидит, что скорость мяча равна сумме скорости поезда и скорости, с которой мы бросили мяч. То же самое произойдет, если бросить через вагон обломок Большого сфинкса или просто разговаривать в вагоне: для человека, стоящего на платформе, порождаемые звуковые волны распространяются со скоростью, равной сумме скорости звука и скорости идущего поезда.
До Эйнштейна считалось, что и свет ведет себя так же. Но если бы это утверждение было верно, то, направив луч лазера вдоль вагона или зажигая в вагоне фонарь, мы увидели бы, что в нашей системе отсчета луч продвигается вперед со скоростью света, тогда как для
