Понятие макросистемы

Господствовавшие в то время в физике представления о пространстве и времени были освящены вековыми традициями. Считалось само собой разумеющимся, что евклидова геометрия дает полное описание свойств пространства. Разработанные математиками новые геометрические системы не нашли еще применений вне самой математики и имели чисто теоретическое значение. Свойства времени считались совершенно независимыми от свойств пространства; такие понятия, как, например, одновременность удаленных событий, ни у кого, кроме философов, не вызывали сомнений, и никому не приходило в голову, что они могут подвергнуться критике и даже изменению.

Правда, в своих попытках теоретически осмыслить новые опытные факты некоторые физики применяли различного рода преобразования пространства и времени, необычные со старой, классической точки зрения, но они носили у них характер формальных, чисто математических построений, лишенных реального физического смысла. На такой точке зрения стоял Лоренц, по существу открывший новый принцип относительности. Французский математик Пуанкаре, пришедший почти одновременно с Эйнштейном к тем же результатам, также был далек от того, чтобы придавать своим формулам конкретный физический смысл. Лишь Эйнштейн проявил достаточную научную смелость и сделал решающий шаг.

Основное утверждение Эйнштейна сводится к тому, что отрицательный результат опыта Майкельсона объясняется не какими-то эффектами, вроде лоренцова сокращения, и не особыми свойствами эфира (существовала гипотеза о том, что эфир полностью или частично увлекается движущимися сквозь него телами), а тем, что свойства пространства и времени таковы, что скорость света есть величина  не   относительная, а   абсолютная.

Этот постулат постоянства скорости света находится в непримиримом противоречии как с принципом относительности Галилея, так и со всеми нашими привычными представлениями о скорости. Мы настолько привыкли к закону сложения скоростей, что всякое от него отступление готовы считать полнейшим абсурдом. Для пассажира, отставшего от поезда и пытающегося его догнать, поезд движется медленнее, чем для неподвижных наблюдателей этой сцены. Но, согласно постулату Эйнштейна, два наблюдателя, измеряющие скорость света от одного и того же источника, получат одинаковый результат, как бы быстро друг относительно друга они ни двигались. Один из них может двигаться навстречу свету, другой -- догонять этот же самый свет; все равно, для каждого из них скорость света равна 300 000 км/сек.

Однако классический закон сложения скоростей подтвержден множеством точнейших измерений. Значит, скорость света составляет какое-то исключение? А если измерять скорость, лишь немного отличающуюся от скорости света? Будет ли она относительной? Такие опыты были поставлены. Измерялась скорость света в движущейся жидкости. Как известно, в прозрачных средах свет распространяется медленнее, чем в пустоте, в соответствии с показателем преломления среды. Опыты эти показали, что здесь скорость света оказывается уже относительной, т. е. зависит от того, неподвижна жидкость или движется. Однако классический закон сложения скоростей оказался здесь все-таки нарушенным -- с изменением скорости жидкости скорость света менялась меньше, чем ей положено. Оказываемся, что чем выше скорость тела, чем ближе она к скорости света, тем больше она теряет свою относительность. Скорость же света совсем не относительна. Можно добавить, что теория относительности приводит к выводу о невозможности движения со скоростью большей, чем скорость света. Таким образом, привычный нам классический закон сложения скоростей оказывается справедливым лишь для сравнительно медленных движений; для больших скоростей он требует поправок. С точной формой закона сложения скоростей мы в свое время познакомимся.

В основу теории относительности Эйнштейн положил принцип относительности, совпадающий по своей формулировке с принципом относительности Галилея. Отличие состоит, во-первых, в том, что он теперь распространяется не только на механические, но и на электромагнитные и вообще на все физические явления, и, во-вторых, в делении физических величин на относительные и абсолютные. То, что скорость света переходит из разряда относительных величин в разряд абсолютных, приводит к необходимости пересмотра всей классификации.

Всех аксиом теории относительности мы перечислять не будем; за исключением постулата постоянства скорости света они довольно обычны и не могут вызвать особых возражений. Так, например, пространство считается однородным, т. е. все его точки и все направления признаются равноправными, и т. д. Геометрия пространства остается евклидовой. Как мы вскоре убедимся, новые геометрические идеи находят в теории относительности, тем не менее, самое непосредственное, хотя и несколько неожиданное, применение.

Дальнейшее построение теории относительности можно и нужно проводить чисто дедуктивным, логическим путем, извлекая различные следствия из сформулированных постулатов. Среди них необычен лишь один -- постулат постоянства скорости света. Этого, однако, оказывается достаточно, чтобы в значительной степени «перевернуть» привычные нам представления об окружающем мире, подобно тому как изменение всего лишь одной геометрической аксиомы привело к новой, неевклидовой геометрии.

Необычность, а порой и парадоксальность многих выводов теории относительности создает определенные трудности в ее изучении. После своего возникновения она была воспринята далеко не сразу. Но под давлением все возрастающего потока подтверждений ее противники один за другим вынуждены были складывать оружие. Новые идеи были восприняты; последующие годы превратились в настоящий триумф теории относительности. Эйнштейн из скромного инженера превратился во всемирно известного ученого, получил кафедру в Берлинском университете. Когда же на Германию надвинулась мрачная тень гитлеризма и Эйнштейн вынужден был покинуть родину, целый ряд институтов, университетов и академий мира предложили ему свои кафедры. Эйнштейн уехал в Америку, где и прожил до конца своих дней. Он скончался в 1955 году, в том самом году, когда исполнилось пятьдесят лет его детищу -- теории относительности.

В настоящее время теория относительности является необходимой составной частью физики. Ее значение возрастает буквально с каждым днем. С некоторыми ее применениями мы в дальнейшем познакомимся. Нельзя не отметить также глубокого познавательного, философского значения этой теории. После ее появления сразу же стало ясно, что вызванные ею глубокие изменения в физической картине окружающего нас мира нельзя понять без должного философского анализа ее основ. Хотя в задачу настоящей книги и не входит полное выяснение этой стороны дела, на некоторых относящихся сюда вопросах нам все же придется остановиться.