Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Пока речь идет об одновременности событий, происходящих в одной точке, все спокойно, теория относительности совершенно не нарушает классических представлений. Но как только анализируется понятие одновременности двух событий, удаленных друг от друга, положение меняется.

Следуя за Эйнштейном, примем, что максимальная скорость передачи информации хотя и очень велика (300 тысяч км/сек), но все же конечна. Тогда, чтобы сигнал о событии A дошел в точку (xB; yB; zB), принципиально необходим некоторый промежуток времени. И любое из событий B1, В2, B3… в точке (xB; yB; zB), которое произошло в момент времени, попадающий в этот промежуток, принципиально не может быть причинно связано с событием A. Какое из этих событий одновременно с A? Можно ли все их считать одновременными? Это явно нехорошо. Нужно выбрать какое-то одно событие B и объявить его одновременным с A. Но какое?

Невольно очень хочется сказать: «Ну, ясно, какое событие одновременно с A. То, которое произошло в тот же момент времени». Даже понимая, что эта фраза абсолютно бессодержательна, все равно хочется ее сказать. Очень трудно отрешиться от привычного наивного представления, что время есть нечто абсолютное, ни от чего не зависящее, само собой понятное, что-то такое, о чем не стоит вообще говорить.

И может быть, главный барьер для понимания теории Эйнштейна именно в том, что трудно отбросить привычные, обыденные представления.

Так все же какое событие из всего бесконечного ряда событий (B1, В2, B3…), которые не могут быть причинно связаны с событием A, объявить одновременным с A?

Эйнштейн предлагает единственно возможное в новой ситуации определение одновременности. Почему оно «единственно возможное?»

Легко увидеть, что определение одновременности, по Эйнштейну, приводит к следующему рецепту проверки часов на синхронность (по определению, синхронные часы — это часы, одновременно показывающие одинаковое время).

Нужно обратить внимание на введенное мимоходом понятие о синхронности часов.

Пусть в точках A и B некоторой инерциальной системы K находятся двое часов. Из точки A в момент t1A (по часам A) посылается световой сигнал в точку B. Здесь он мгновенно отражается и возвращается в точку A в момент t2A (по тем же часам A). Если в момент прихода сигнала в точку B часы B показывали время

tB = (t1A + t2A)/2,

часы A и B синхронны.

Можно показать, что если бы определить «одновременность» не так, как это сделал Эйнштейн, то оказалось бы, что часы B нужно считать синхронными с A в том случае, когда в момент прибытия светового сигнала в B они показывают, допустим, не 9.00, а, скажем, 9.15 (или 8.45). Но подобные определения синхронных часов противоречат нашему представлению об изотропности пространства. Действительно, с одной стороны, мы полагаем, что свет идет от A к B такое же время, как и от B к A. А с другой стороны, определяя время пути по синхронным часам B и A, мы получим, что от A к B луч шел 3.15, а назад, от B к A, — 2.45. Поэтому-то определение Эйнштейна — единственно возможное.

Мы задержались на всех этих тонкостях не только потому, что «одновременность» — центральное понятие теории относительности.

Надо честно признать, что даже весьма обрывочный анализ, прерываемый постоянными просьбами принять на веру то или иное утверждение, — даже этот анализ, который с трудом заслуживает чести называться анализом, весьма утомителен. Но, пожалуй, самый лучший способ показать, что такое настоящая наука, — это заставить хотя бы слегка соприкоснуться с ней, ибо тогда хотя бы в слабой степени можно представить, какого напряжения интеллекта требуют выводы, которые потом кажутся чуть ли не очевидными.

Автор снова рассуждает.

Точно так же можно очень долго объяснять, сколько сил, выдержки, энергии и мужества необходимо боксеру на ринге, но человек, который попробовал хотя бы минуту боксировать просто с тенью, все поймет без лишних слов.

Возвращаясь на наш «ринг», следует предупредить, что сейчас читателю будет нанесен еще один удар. Мы убедимся, что одновременность событий — понятие относительное. События, одновременные в одной инерциальной системе, неодновременны в другой.

Но прежде чем в этом убедиться, стоит сделать одно замечание общего характера.

Эйнштейн «не виноват», что одновременность событий и соответственно время оказываются относительными понятиями, — просто так устроен мир.

А до Эйнштейна вообще не подозревали, что такие понятия, как «одновременность», «время», «длина», нужно строго определять. Поэтому в чисто психологическом отношении теория относительности не меньший переворот, чем по своему физическому содержанию.

Очень точно характеризовал положение вещей Л. И. Мандельштам:

«То, что понятие одновременности нуждается, как указал Эйнштейн, в определении, а не дано свыше, — это шаг, который взять обратно не сможет никто».

Надо ясно представлять, что в постулатах и основных понятиях теории Эйнштейна нет никакого противоречия с логикой. Теория может противоречить фактам, это другой вопрос. Но пока все опытные данные самой разнородной природы великолепно подтверждают теорию относительности.

Вспомним теперь пример, разобранный в предыдущей главе. В центре равномерно движущегося вагона произошла световая вспышка.

Относительность одновременности — один из центральных пунктов теории относительности.

В системе отсчета, связанной с поездом, сигналы достигли передней и задней стенок вагона одновременно.

В системе, связанной с полотном дороги, эти события неодновременны.

Этот «странный» вывод совершенно правилен. А весь пример очень ясно показывает относительность одновременности.

Но любопытно вот что. Вряд ли у кого-либо при чтении возникла мысль, что, пока не было четкого понятия одновременности событий (все равно какого — классического или по Эйнштейну), наш разговор был бессодержателен.

Утверждение «два события одновременны или неодновременны» имеет смысл только тогда, когда есть понятие одновременности. А оно не дается свыше, оно не априорно. Мы сами формулируем его, причем, повторяю, эта формулировка навязывается нам реальным, окружающим нас миром.

Можно привести еще много иллюстраций относительности понятия одновременности, но мы ограничимся только одним известным примером, предложенным самим Эйнштейном.

По железной дороге идет поезд[68]. В его начало и конец ударяют молнии, которые поражают и поезд и полотно дороги. Нам надо установить, одновременны ли удары молний или нет. Наблюдатель в поезде заявит, что удары одновременны, если прибор (скажем, фотоэлемент); находящийся точно в середине поезда, зафиксировал приход световых сигналов от обеих молний в один и тот же момент.

Наблюдатель на полотне заявит, что удары молний были одновременными, если сигналы зафиксированы в один и тот же момент прибором, который находился точно посредине тех следов на земле, которые оставили молнии.

Классический пример, иллюстрирующий относительность одновременности. Кстати, он довольно труден.

Нам не очень интересно, как именно построен опыт, но, чтобы избавиться от возможных недоумений, предположим, что существует два комплекта приборов: в поезде и на полотне железной дороги. Причем любой из этих приборов срабатывает только тогда, когда оба световых сигнала приходят к нему в один и тот же момент (допустим, внутри приборов есть так называемые схемы совпадений).

После ударов молний мы проверяем обе серии приборов и смотрим, какой именно сработал. Если сработал прибор строго посередине поезда, то, по определению, удары молний одновременны в системе отсчета «поезд».

В серии приборов, стоявших на земле, естественно, «щелкнет» тот прибор, который находится на полотне точно против середины поезда. Но пока световые сигналы от молний добирались до приборов, прошло какое-то время, и поезд успел проехать некоторое расстояние. Его середина окажется не против той точки на полотне, что находится посередине между следами от удара молний по полотну дороги, а ближе к «передней» отметке!