4

4

Формальный аппарат для новой теории был взят в готовом виде из математических выкладок, сделанных, как уже отмечалось, Г. А. Лоренцом в Лейдене. В знак своего уважения к труду предшественника Эйнштейн назвал уравнения новой механики «преобразованиями Лоренца». В математическую форму, найденную голландцем, было вложено, однако, теперь новое физическое содержание. О новизне этого содержания свидетельствовал, между прочим, тот незаурядный факт, что на протяжении всех тридцати страниц своей работы Эйнштейну не пришлось сделать ни одной библиографической ссылки, ни одной цитаты. Величайшей смелости переворот, порывающий с вековыми привычками человеческой мысли, совершился! Величины пространства и времени в уравнениях новой механики, написанных Эйнштейном, стали зависимыми от состояния движения, от скорости относительного перемещения тел. Все предметы на движущейся материальной «площадке» оказываются и взаправду уменьшившимися (точнее, сплющившимися вдоль оси движения). Быстрота «течения времени», ход часов соответственно замедляется.

Но все это принципиально в корне отличается от тех фиктивных «сокращений» и «замедлений» по Лоренцу — Фицджеральду, о которых говорилось раньше. Те эффекты, которые искал Лоренц, должны были разыгрываться в эфире и в абсолютных (не существующих в природе) пространстве и времени. Явления, же изменения длин и времен, открытые Эйнштейном, имеют совершенно иной физический смысл. Они возникают в процессе движения каждого тела лишь по отношению к тем материальным «площадкам», которые покоятся относительно данной.

Разберем этот вопрос более подробно, учитывая, что именно здесь находится «сердце» новой механики Эйнштейна и ключ к ее пониманию.

Во-первых, существенно то, что законы эйнштейновской механики управляют движением не изолированных тел (существующих лишь в крайней абстракции), а предметов, движущихся относительно друг друга, то есть механически между собой связанных. Уже одно это обстоятельство делает картину мира, рисуемого теорией относительности, более точным снимком, слепком с объективной действительности, нежели картина мира ньютоновской механики. И, во-вторых, это позволяет рассеять сомнения, возникающие порой при начальном ознакомлении с эйнштейновской теорией. Подлинно ли реальны «релятивистские»[18] эффекты пространства и времени? Не являются ли только кажущимися те изменения длин и времен, с которыми имеет дело теория? Ведь они возникают в зависимости от «точки зрения» и исчезают при перемене этой последней?

Ответ ясен: бесспорно, все указанные изменения вполне реальны, но они касаются не одного изолированного материального предмета, а возникают в рамках связи двух или большего числа тел. Неверно, другими словами, утверждать, что равномерно и прямолинейно перемещающееся. тело укорачивается вследствие факта своего движения. Но будет правильно сказать, что в системе двух взаимно-перемещающихся тел все пространственные размеры[19] (и все интервалы времени) меняются в зависимости от того, к какой из двух «площадок» соотносится движение.

В природе, кстати говоря, можно найти немало примеров величин, чье реальное значение возникает лишь в рамках взаимосвязи тел. Вот, скажем, угловой поперечник лунного диска на небе. Этот поперечник (как и сам диск) существует лишь постольку, поскольку Луна «просматривается» с какого-то другого небесного тела (будь, то с Земли или с ракеты-звездолета). Чем ближе подлетит ракета к земному спутнику, тем большую часть ее неба займет лунный диск. И все это будет происходить совершенно независимо от того, находятся или нет на ракете пассажиры с их зрительными приборами, ощущениями и т. д. Или возьмем полные затмения Солнца (зависящие от случайного совпадения угловых диаметров солнечного и лунного дисков на земном небе). Никто не сомневается, что затмения реально происходят и происходили на Земле и тогда, когда на ней не было ни людей, ни живой материи. С другой же стороны, если бы расстояния между небесными телами в системе Солнце — Земля — Луна были иными, тогда затмения[20] вообще стали бы невозможными!

Все, что сказано о реальности изменений углового поперечника материальных предметов, в еще более широком смысле верно и для таких коренных форм бытия материи, как «собственные» размеры и временные интервалы движущихся тел.

Итак, вместо «единого» пространства и «единого» времени, распростертых вне и над материей, налицо столько объективно-реальных «пространств» и столько «времен», сколько существует движущихся материальных тел! В рамках этой новой картины изменился немедленно и закон сложения скоростей тел. Стало невозможным складывать скорости так просто, как складывается, скажем, скорость лестницы эскалатора со скоростью пешехода, шагающего по ней. Закон сложения скоростей в новой механике оказался более сложным, чем в старой. Скорость света при этом заняла особое положение: постоянной[21] и не суммируемой с другими скоростями величины. Она расшифровалась, кроме того, как предельная скорость в области равномерных и прямолинейных перемещений тел.

Весь клубок противоречий, столь безнадежно запутавшийся к концу столетия, оказался после этого приведенным в полную ясность. Странный результат опыта Физо, например, расшифровался в совершенном согласии с новой формулой сложения скоростей: если произвести расчет по этой формуле, то скорость света (в движущейся воде) относительно трубы как раз получится на 40 процентов большей, чем та же скорость по отношению к воде. Нулевой результат опыта Майкельсона точно так же получал исчерпывающее объяснение: отсутствие запаздывания в точке встречи двух световых пучков обязано тут не чему иному, как замедлению хода часов и «сплющиванию» отрезков пути, проходимого лучом света вдоль линии движения Земли. Это «сокращение» длины пути и замедление течения времени как раз и обеспечивают единовременный приход двух пучков света к точке финиша.

Скорость же света во всех случаях остается постоянной.

Разъясняя своим читателям этот последний закон, Эйнштейн отмечал, что двигаться с быстротой света, согласно новой механике, могут только волны (и частицы) самого света. Быстрота всех прочих материальных объектов может лишь неограниченно приближаться к этой скорости, но никогда ее не достигать. (Тело, движущееся со скоростью света, «сплющилось» бы в «блин» с нулевой толщиной — случай, немыслимый в реальности! Время для такого тела остановилось бы вовсе — положение, опять-таки говорящее о недостижимости быстроты света.)

Все эти обстоятельства, к слову сказать, сразу же заставляли вспомнить о воображаемом случае, над которым задумывался в юношеские годы Эйнштейн. Речь идет о фотоаппарате, мчавшемся вслед за световыми лучами с тою же скоростью (относительно Земли), что и свет. Мысленный этот опыт приводил, помнится, к абсурду, и причина, как стало ясно теперь, та, что означенный опыт противоречит новой механике. Движение со скоростью света невозможно. И больше того: с какой бы быстротой ни мчался вдогонку за светом фотоаппарат (или человеческий глаз), свет по отношению к нему будет двигаться всегда с одной и той же скоростью — 300 тысяч километров в секунду. Это вытекает из правила сложения скоростей новой механики, или — что то же самое — из закона независимости скорости света от взаимного перемещения источника и приемника. Но здесь же вступает в свои права и принцип относительности, то есть закон независимости хода физических событий от состояния движения «площадки». В самом деле. Если бы по отношению к фотоаппарату, нагоняющему световые волны, быстрота света оказалась уменьшившейся, то это означало бы, что законы световых явлений выполняются по-разному на разных движущихся «площадках». Скорость света зависела бы тогда, скажем, от быстроты ракеты-звездолета, несущей с собой фотоаппарат или любой другой приемник световых лучей! «Интуитивно, — вспоминал Эйнштейн — мне казалось ясным с самого начала, что все должно совершаться по тем же законам» (то есть независимо от того, движется приемник света вслед за светом или покоится на Земле). «Можно видеть, что в этом парадоксе уже содержится зародыш будущей теории относительности…»

Действительно, это было так, и великая теория облекла в научную плоть и кровь то, что смутно угадывалось в дни юности ученого.

Оба закона природы — принцип относительности и закон постоянства скорости света — гармонично согласовывались друг с другом, образовав гранитный фундамент теории. Математически это нашло выражение также и в том, что законы электромагнитного поля (уравнения Максвелла) оказались в рамках новой механики, полностью сохраняющими свою форму при любом переходе от одной равномерно перемещающейся «площадки» к другой. Строгое математическое доказательство этого обстоятельства Эйнштейн считал одним из самых важных достижений своей теории…

И в самом деле, это означало, что постулат относительности великого Галилея, осознанный в XVII веке только для механических явлений, оказывался теперь распространенным и на процессы электромагнетизма (а в принципе и на все физические процессы, происходящие в природе).

Повергнув вековые кумиры абсолютного пространства и абсолютного времени, новая механика, таким образом, отнюдь не погрузила картину мира в хаос зыбкой и текуче-неопределенной «относительности». Как уже говорилось, само название «принцип относительности» не вполне удачно в том смысле, что оттесняет главную суть дела, а именно: независимость законов протекания физических событий от состояния движения «площадки». Этот последний момент составлял основное стихийно-материалистическое ядро классической механики Галилея — Ньютона, и этот же аспект приобрел еще большее значение в новой механике Эйнштейна. В рамках этой последней откристаллизовались и впрямь, как будет видно, новые, еще более глубокие и объективно-всеобщие закономерности, поднимающие бесконечное познание на новую, более высокую ступень. В этом смысле теория относительности с равным правом могла быть названа «теорией абсолютности» и так именно, полушутя-полусерьезно, и называл ее иногда в беседах сам Эйнштейн.

Новая механика, как также было ясно, не «отменяла» старую, но включала ее в себя в качестве частного случая (для скоростей, значительно меньших, чем скорость света). Все инженерные и практические расчеты, делаемые на основе классической механики, получали, таким образом, свое законное место. Лишь при убыстрении тел до скоростей, приближающихся к 300 тысячам километров в секунду, — технике пришлось рано или поздно вступить в эту диковинную область! — классически-механические расчеты должны были отпасть, уступив место механике теории относительности, механике Альберта Эйнштейна.

«…Остается несомненным, — записал в 1908 году Ленин, — что механика[22] была снимком с медленных реальных движений, а новая физика есть снимок с гигантски быстрых реальных движений…»

Среди вскрытых этой физикой новых всеобщих закономерностей и связей особый интерес вызвала формула зависимости между массой тела и его скоростью. По мере того как предмет начинает двигаться быстрее, масса его растет, утверждает эта формула. Когда скорость достигает половины быстроты света, прирост еще сравнительно невелик: полпроцента от величины «массы покоя». Но дальше — больше, и предмет, мчащийся со скоростью, исчисляемой 99 1/2 процента от быстроты света, имеет массу уже в сто раз большую, чем в состоянии покоя! (При дальнейшем приближении к предельной скорости света масса, как говорят в математике, ассимптотически стремится к бесконечности.)

Столь диковинное поведение массы, как оказывалось далее, находится в прямой связи с другою, выведенной из новой механики, закономерностью. Речь шла о формуле пропорциональности между массой любого тела и содержащейся в нем полной энергией.

Е = тс²

Так выглядело это знаменитое и предельно простое соотношение, в котором знаком Е обозначена энергия, т — масса (для состояния относительного покоя), а с² — постоянный множитель, численно равный квадрату скорости света. Петр Николаевич Лебедев в Москве пятью годами раньше осуществил опыт, из которого вытекала справедливость этой формулы для частного случая массы и энергии света. Эйнштейновская механика распространила ее на все виды материи. О чем говорила эта формула?

Тот факт, что бытие материи немыслимо вне движения и что всякий прирост количественной меры материи должен идти вровень с приростом количественной меры ее движения (и обратно), — эти положения анализировались философским методом диалектического материализма еще задолго до Эйнштейна.

Формула Е = mc² облекла эти положения в плоть и кровь.

Количественная мера материи в любой ее физической форме — масса — оказалась пропорционально связанной с количественной мерой движения — энергией.

Непредвиденной была тут не столько пропорциональность связи, сколько гигантская величина множителя пропорциональности: 910²⁰ (в системе единиц сантиметр-грамм-секунда). Это значило, что в крупице любого вещества, даже находящегося в состоянии относительного покоя, незримо таится «дремлющая», скрытая энергия, равная двадцати с лишним триллионам калорий на грамм вещества.

Зародыш нового века — века внутриатомной энергии — скрывался в этой формуле.

Специальному ее разбору была посвящена четвертая и последняя из статей Эйнштейна, опубликованных в 1905 году в берлинских «Анналах». Название этой статьи звучало так: «Зависит ли инертность тела от содержания в нем энергии?» Для ее изложений понадобилось только три страницы журнального текста. В дни, когда заканчивалась работа над этой статьей, в открытке, посланной одному из друзей по «веселой академии», Конраду Габихту, он писал: «…Я пришел к выводу, что масса является мерилом всей содержащейся в телах энергии. Заметным образом убыль массы в связи с выделением энергии должна наблюдаться у радия… Утверждение это весьма занятно и подкупающе. Однако вопрос о том, не смеется ли тут надо мной и не водит ли меня за нос господь бог, остается пока открытым…»

Спустя немного времени Вальтер Кауфман в Мюнхене известил о новом подтверждении им закона зависимости массы от скорости на опыте с быстрыми электронами, полученными в трубочке с солью радия.

Это подводило надежную базу и под формулу Е=mc² — формулу атомной эры.