Относительность времени

Если в движущейся системе скорость света в разных направлениях одинакова, как и скорость других объектов, это подтверждает принцип относительности. Но в то же время сама скорость света — абсолютна (наблюдатель вне системы также буде видеть ее одинаковой). Все это кажется логическим противоречием.

Однако если опыт все это подтверждает, то, чтобы снять противоречие, мы вынужденно приходим к заключению, что картины (моменты происходящих событий), наблюдаемые в самой движущейся системе и со стороны, будут выглядеть различно.

Представим себе поезд длинной в 5400000 километров, который движется прямолинейно равномерно со скоростью в 240000 километров в секунду.

Пусть в некоторый момент времени в середине поезда зажглась лампочка. В переднем и заднем вагонах есть автоматические двери, которые открываются в тот момент, когда на них падает свет. Что увидят люди в поезде и что увидят люди на платформе?

Люди, сидевшие в середине поезда, увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью — 300000 км/с, то через 9 секунд (2700000 : 300000) он дойдет одновременно до заднего и переднего вагонов, и обе двери откроются одновременно.

Что же увидят люди на платформе? Относительно станции свет также распространяется со скоростью 300000 километров в секунду. Но задний вагон идет навстречу лучу света. Поэтому свет встретится с задним вагоном через 2700000 / (300000 + 240000) = 5 секунд. Передний же вагон луч света должен догонять, и поэтому достигнет его лишь спустя 2700000 / (300000 - 240000) = 45 секунд.

Итак, людям на платформе покажется, что двери в поезде откроются не одновременно. Сперва откроются задние двери, и лишь спустя 45 - 5 = 40 секунд откроются передние. (В дальнейшем эти рассуждения будут несколько уточнены).

Таким образом, два совершенно сходных события — открытие передних и задних дверей поезда — окажутся для людей в поезде одновременными, а для людей на платформе — разделенными промежутков времени в 40 секунд.

Попытаемся вдуматься, почему полученный результат кажется нам столь нелепым, несмотря на то, что он находится в полном согласии с опытными фактами.

Но сколько бы мы ни думали, нам не удастся найти логическое противоречие в том, что два явления, происшедшие для людей в поезде одновременно, для людей на платформе оказались разделенными промежутком времени в 40 секунд. Единственное, что мы сможем сказать себе в утешение, — это то, что наши выводы противоречат "здравому смыслу".

Но вспомним, как "здравый смысл" человека средних веков сопротивлялся факту вращения Земли вокруг Солнца! Ведь весь повседневный опыт говорил средневековому человеку с непреложной достоверностью, что Земля покоится, а Солнце движется вокруг нее.

Так называемый здравый смысл являет собой не что иное, как простое обобщение наших представлений и привычек, сложившихся в повседневной жизни. Это определенный уровень понимания, отражающий уровень опыта.

Вся трудность понять и осмыслить то, что нам на платформе будут представляться неодновременными два события, происходящие в поезде одновременно, связана с тем, что мы никогда не двигались со скоростью, даже отдаленно приближающейся к баснословной скорости 240000 километров в секунду. Нет ничего удивительного в том, что, когда физики сталкиваются с такими скоростями, они наблюдают факты, весьма отличные от тех, к которым мы привыкли в повседневной жизни.

Неожиданный результат опыта Майкельсона, поставивший физиков перед этими новыми фактами, заставил их пересмотреть, даже вопреки "здравому смыслу", такие, казалось бы, очевидные и привычные представления, как одновременность двух событий.

Когда наука сталкивается с несоответствием существующих представлений с новыми данными опыта, она пересматривает сложившиеся представления, поднимая наши знания на более высокую ступень.

Мы считали, что два одновременных события являются одновременными в любой лаборатории. Опыт привел нас к иному выводу. Выяснилось, что это верно лишь в том случае, когда лаборатории покоятся друг относительно друга. Если же две лаборатории движутся друг относительно друга, то события, одновременные в одной из них, должны быть признаны разновременными в другой. Понятие одновременности становится относительным, оно имеет смысл лишь при указании, как движется лаборатория, где эти события наблюдаются.

Проведем аналогию с относительностью угловых величин. Пусть угловое расстояние между двумя звездами при наблюдении с Земли оказалось равным нулю, так как обе звезды попали на общую прямую. В повседневной жизни мы никогда не придем к противоречию, считая это утверждение абсолютным. Иное дело, если покинуть пределы солнечной системы и наблюдать те же две звезды с какой-либо другой точки пространства. Угловое расстояние в этом случае окажется уже отличным от нуля.

Тот очевидный для современного человека факт, что две звезды, которые совпадают при наблюдении с Земли, могут не совпадать при наблюдении из других точек пространства, показался бы нелепым человеку средних веков, представлявшему небо в виде купола, усыпанного звездами.

Допустим, что задан вопрос: а как на самом деле, — отвлекаясь от всяких лабораторий, — являются ли два события одновременными или же нет? К сожалению, этот вопрос имеет не больше смысла, чем вопрос: а как на самом деле, — отвлекаясь от точек, из которых ведется наблюдение, — находятся на одной прямой или же нет? В том то и дело, что как нахождение на одной прямой связано не только с положениями двух звезд, но и с точкой, из которой они наблюдаются, так и одновременность связана не только с обоими событиями, но и с лабораторией, в которой производится наблюдение за этими событиями.

Пока мы имели дело со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы не могли обнаружить относительность понятия одновременности. И лишь изучая движения, обладающие скоростями, сравнимыми со скоростью света, мы вынуждены были пересмотреть понятие одновременности.

Аналогично этому люди вынуждены были пересмотреть понятия верха и низа, когда стали путешествовать на расстояния, сравнимые с размерами Земли. До этого представление о плоской Земле, конечно, не могло привести ни к какому противоречию с опытом.

Правда, мы не имеем возможности перемещаться со скоростями, близкими к скорости света, и на своем личном опыте наблюдать те парадоксальные с точки зрения старых представлений факты, о которых мы только что говорили. Но благодаря современной технике эксперимента мы можем с полной достоверностью обнаружить эти факты в ряде физических явлений.

Итак, время постигла та же судьба, что и пространство! Слова "в одно и то же время" оказались столь же мало значащими, как и слова "в одном и том же месте". Промежуток времени между двумя событиями, так же как и пространственное расстояние между ними, требует указания той лаборатории, по отношению к которой это утверждение делается.

Открытие факта относительности времени представляет собой глубокий переворот в воззрениях человека на природу. Оно было сделано в 1905 году А. Эйнштейном.

Учение об относительности времени и вытекающие из него следствия именуются обычно теорией относительности. Ее не следует путать с принципом относительности движения.

Из относительности времени следует предел скорости

До второй мировой войны самолеты летали со скоростью, меньшей скорости звука, а теперь построены и "сверхзвуковые" самолеты. Радиоволны распространяются со скоростью света. Но нельзя ли поставить перед собой задачу — создать "сверхсветовую" телеграфию, чтобы передавать сигналы со скоростью еще большей, чем скорость света? Это оказывается невозможным.

В самом деле, если бы можно было осуществить передачу сигналов с бесконечной скоростью, то мы получили бы возможность устанавливать однозначным образом одновременность двух событий. Мы говорили бы, что эти события произошли одновременно, если бы бесконечно быстрый сигнал о первом событии приходил одновременно с сигналом о втором событии. Таким образом, одновременность получила бы абсолютный характер, не зависящий от движения той лаборатории, к которой относится это утверждение.

Но поскольку абсолютность времени опровергается опытом, мы заключаем, что передача сигналов не может быть мгновенной. Скорость передачи действия из одной точки пространства в другую не может быть бесконечной, другими словами — не может превышать некоторой конечной величины, называемой предельной скоростью. Эта предельная скорость совпадает со скоростью света.

В самом деле, согласно принципу относительности движения, во всех движущихся друг относительно друга (прямолинейно и равномерно) лабораториях законы природы должны быть одинаковы. Утверждение, что никакая скорость не может превышать данного предела, есть также закон природы, и поэтому значение предельной скорости должно быть совершенно одинаково в различных лабораториях. Этим же свойствами, как мы знаем, отличается и скорость света.

Таким образом, скорость света — это не просто скорость распространения некоего явления природы. Она играет важную роль предельной скорости.

Физик прошлого не мог додуматься до того, что в мире существует предельная скорость, что факт ее существования можно доказать. Более того, если бы даже он в своих опытах наткнулся на наличие в природе предельной скорости, он не мог быть уверен, что это закон природы, а не следствие ограниченности экспериментальных возможностей, которые могут быть устранены в процессе дальнейшего развития техники.

Принцип относительности показывает, что существование предельной скорости лежит в самой природе вещей. Рассчитывать, что прогресс техники даст возможность достичь скоростей, превышающих скорость света, столь же смешно, как полагать, что отсутствие на земной поверхности точек, разделенных расстоянием свыше 20000 км, есть не географический закон, а ограниченность наших знаний, и надеяться, что по мере развития географии удастся отыскать на Земле точки, еще более удаленные друг от друга.

Скорость света потому и играет такую исключительную роль в природе, что она является предельной скоростью для распространения чего бы то ни было. Свет либо опережает всякое другое явление, либо, в крайнем случае, доходит с ним одновременно.

Если бы Солнце раскололось на две части и образовало бы двойную звезду, то, конечно, изменилось бы и движение Земли.

Физик прошлого, не знавший о существовании в природе предельной скорости, предположил бы, что изменение в движении Земли произошло бы мгновенно вслед за раскалыванием Солнца. Между тем свету понадобилось бы восемь минут, чтобы дойти от расколовшегося Солнца до Земли.

Следовательно, изменение в движении Земли тоже начнется лишь спустя восемь минут после того как расколется Солнце, и до этого момента Земля будет двигаться так, как если бы Солнце не раскололось. Да и вообще ни одно событие, происшедшее с Солнцем или на Солнце, не окажет никакого влияния ни на Землю, ни на ее движение до истечения этих восьми минут.

Конечная скорость распространения сигнала, разумеется, не лишает нас возможности устанавливать одновременность двух событий. Для этого надо только учесть время запаздывания сигнала, как это обычно и делается.

Однако такой способ установления одновременности уже вполне совместим с относительностью этого понятия. В самом деле, чтобы вычесть время запаздывания, мы должны будем разделить расстояние между местами, в которых произошли события, на скорость распространения сигнала. С другой стороны, не следует забывать, что само место в пространстве — понятие тоже весьма относительное.

Предположим, что в нашем поезде с зажигающейся лампочкой испортился механизм автоматических дверей, и люди в поезде заметили, что передняя дверь открылась на 15 секунд раньше, чем задняя. Люди на станционной платформе увидят, что, наоборот, задняя дверь открылась на 40 - 15 = 25 секунд раньше. Таким образом, то, что для одной лаборатории произошло раньше, для другой может произойти позже.

Однако сразу возникает мысль, что такая относительность понятий "раньше" и "позже" все же должна иметь свои пределы. Так, вряд ли можно допустить (с точки зрения какой бы то ни было лаборатории), что ребенок родился раньше своей матери.

На Солнце образовалось пятно. Через восемь минут это пятно увидел астроном, наблюдающий за Солнцем в телескоп. Все, что сделает астроном после этого, будет абсолютно позже, чем появилось пятно, — позже с точки зрения любой лаборатории, где наблюдают солнечное пятно и астронома. Напротив, все, что произошло с астрономом раньше, чем за восемь минут до возникновения пятна (так, чтобы световой сигнал об этом событии пришел бы на Солнце до появления пятна), произошло абсолютно раньше.

Если же астроном, например, надел очки в момент, лежащий между этими двумя границами, то временное соотношение между появлением пятна и надеванием очков астрономом не будет уже абсолютным.

Мы можем двигаться относительно астронома и пятна так, чтобы в зависимости от скорости и направления своего движения видеть астронома, надевающего очки раньше, позже или одновременно с появлением пятна.

Таким образом, принцип относительности показывает, что временные соотношения между событиями бывают трех типов: абсолютно раньше, абсолютно позже и "не раньше и не позже", точнее — раньше или позже, смотря по тому, из какой лаборатории наблюдаются эти события.