Читать интересную книгу Реникса (второе издание) (с илл.) - Александр Китайгородский

Уже в гимназии прошлого века учили, что движение представляется разным с разных точек зрения. Поэтому с чепуховыми рассуждениями, забывающими про невозможность описать движение, не указав систему отсчета, приходится сталкиваться довольно редко.

Но в XX веке физикам пришлось с недоверчивостью отнестись к утверждениям, которые на первый взгляд носят совершенно невинный характер. Казалось бы, что надо добавлять к фразе: «Событие А произошло одновременно с событием Б», или: «Событие А произошло на 10 секунд раньше события Б». Кажется, совершенно очевидно: в одно время так в одно время; раньше так раньше. Не зависят же такие суждения от того, где находится и что делает наблюдатель?!

Оказывается, зависят. И чтобы это доказать, Альберту Эйнштейну пришлось с исключительной придирчивостью отнестись к, казалось бы, элементарно простым и очевидным суждениям о времени.

Впервые в истории науки отчетливо прозвучало требование докапываться до смысла утверждения, выясняя, что же оно означало бы, будучи воплощенным в опыте.

Положим, в середине огромного вагона зажигается электрическая лампочка. Свет от нее падает на фотореле, установленные в передней и задней (по ходу и против хода движения) дверях вагона и автоматически их открывает (пример из книжки Л. Ландау и Ю. Румера, Что такое теория относительности). Реле отрегулированы так, чтобы двери открывались одновременно.

Ага, значит, можно говорить — одновременно.

Можно, но с добавлением — одновременно для наблюдателя в вагоне. А вот для наблюдателя, который находится на платформе, две двери откроются в разное время.

Арифметика несложная. Возьмем фантастические цифры, чтобы вычисления были более яркими. Длина вагона 5400000 километров, а скорость поезда, в котором и наш вагон, 240000 километров в секунду. В основе расчета лежит закон природы, установленный опытом Майкельсона: свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью 300000 километров в секунду, при этом скорость света одинакова по отношению к любому наблюдателю.

Для наблюдателя в вагоне время, которое затратит свет на то, чтобы добраться как до передней двери, так и до задней, равно 9 секундам (разделите 2700000 на 300000). Для наблюдателя на платформе скорость света та же самая. Но задняя дверь идет навстречу лучу. С ней свет встретится через 5 секунд (разделите те же 2700000 на сумму скоростей света и вагона). Напротив, луч догоняет переднюю дверь и доберется до нее через 45 секунд (делим ту же длину на разность скоростей света и вагона). Итак, передняя дверь откроется на 40 секунд позже задней.

Результат кажется поразительным. И все же он строгое следствие опытных фактов. Может быть, кто-либо из физиков до Эйнштейна приходил к такому выводу, но отворачивался от него, считая более вероятным посомневаться в опытах Майкельсона, нежели согласиться с выводом, противоречащим вере (именно вере, а не знанию) в абсолютность времени.

Эйнштейн преподнес естествоиспытателям первый урок правильного обращения с суждениями о мире. Утверждения имеют смысл лишь тогда, когда они сами или их следствия могут быть в принципе подвергнуты опытной проверке. Утверждение, что между событиями прошло столько-то секунд, может быть проверено не вообще, а лишь при указании расположения и движения наблюдателя.

Итак, строго говоря, сказать «прошло пять секунд» — значит ничего не сказать. Чтобы фраза была осмысленной, надо добавить: «…с точки зрения такого-то наблюдателя». Но все же с утверждениями о промежутках времени дело обстоит не совсем так, как с недоговоренными фразами (вроде: «Дерево видно под углом 30 градусов»), с которых мы начали этот раздел.

Недоговоренные фразы, в которых забыта относительность пространства (то есть необходимость указания, от какого места и в каком направлении отсчитываются расстояния), не несут никакой информации и полностью бесполезны.

Что же касается фразы «прошло пять секунд», то в житейской практике она имеет полный смысл. Ведь относительность промежутка времени мы способны заметить лишь в том случае, когда речь идет о явлениях, протекающих по отношению к наблюдателю со скоростями, близкими к скорости света.

Хотя время относительно, как и пространство, но при малых скоростях предположение об абсолютности времени никак не противоречит опыту.

Отсюда мораль: в утверждении об абсолютности времени заключена солидная доля истины. Лишь для быстрых движений начинает ощущаться ошибочность этого простого положения.

Мы уже повторяли много раз, что последующее развитие науки не отменяет закона природы, а может лишь ограничить область его применения. Если эти модели и гипотезы хорошо объясняют некий класс явлений, то нельзя безжалостно списывать их со счетов тогда, когда они окажутся беспомощными в описании более широкого класса явлений. Не следует шельмовать их обидными словами и тем более не стоит обвинять их авторов в глупости и ошибках. Раз модель явления приносит пользу при описании действительности, значит она содержит в себе элемент истины, то есть она, иными словами, в какой-то степени отражает мир.

Теория относительности ярким образом проиллюстрировала относительность истины и заблуждения. За этим первым уроком вскоре последовал и второй. Материалом для него послужила физика атома.

Картина строения атома была нарисована в первой четверти нашего века. В центре атома находится крошечное ядро. Около ядра движутся электроны. В каком-то смысле атом напоминает планетную систему. Физики иллюстрировали свои статьи наглядными рисунками, на которых ядра и электроны фигурировали в виде круглых телец. Зрительным образом электрона или ядра служила твердая горошинка.

Много особенностей в поведении вещества объясняла такая нехитрая модель. Ясно, что она содержала в себе долю истины. Но только долю, и, как оказалось позже, небольшую.

Представление об электронах как о горошинках было таким простым, таким ясным и наглядным, к нему так быстро привыкали, что нокаут, нанесенный этой модели открытием дифракции электронов, воспринялся очень болезненно.

Сейчас та ситуация в какой-то степени кажется странной. Сменой вех в понимании времени физики должны были быть подготовлены к необходимости сопрягать слова и дела. Описывать любое явление они должны были таким образом, чтобы их утверждения могли быть проверены на опыте в принципе, а значит, не должны были описывать детали в строении атома, будто атом ничем в принципе не отличается от сложного механизма, состоящего из рычагов и шарикоподшипников. А они это сделали. И в этом их просчет.

Конструктор может описать форму, размеры, вес, цвет и прочие свойства каждой детали своего детища. Но ведь заранее ясно, что полностью такая программа невыполнима для атома.

Если законен подход к атому как к любой машине, то почему бы не спросить: какого цвета электрон? Вопрос как будто правильно поставлен. Но на самом деле он бессмыслен. Дело в том, что цветность связана с движениями электрона. Следовательно, понятие цвета к электрону неприменимо. Говорить о цвете электрона столь же бессмысленно, как рассуждать о слаженности футбольной игры одного-единственного игрока, тренирующегося на поле.

Уже на этом примере становится ясно, что суждения, вполне содержательные по отношению к большим предметам, могут стать бессмысленными в отношении микрочастиц.

Казалось бы, вполне осмысленная фраза: «Электрон прошел через отверстие в экране в таком-то направлении и, проходя через отверстие, имел такую-то скорость».

До того как было обнаружено на опыте, что все частицы обладают волновыми и корпускулярными свойствами, ни у кого не возникло сомнения, что этими словами можно описывать поведение электрона с тем же успехом, как, скажем, поведение маленькой горошинки.

Но на рубеже второй четверти нашего века было показано, что поток электронов, проходящих через отверстия в экране, создает интерференционную картину так же, как и свет.

Это касается всех элементарных частиц. У более сложных и тяжелых частиц волновые свойства становятся тем менее заметными, чем больше их масса. Когда речь идет о больших молекулах, разговор на уровне горошинок становится оправданным.

Напомним, что интерференционные картины возникают лишь в волновых процессах и демонстрируют их в школе с помощью водяной ванны. Волны на воде складываются по простому закону: если в какую-нибудь точку обе волны приходят в фазе гребня, они усиливают друг друга, а если впадина одной волны накладывается на; гребень другой, то в этом месте будет ровная водяная поверхность. Впрочем, не будем описывать школьные уроки. Бросьте в пруд близко друг от друга два камня и изучайте законы сложения волн.

Поведение водяных волн превосходно моделирует интерференцию света или потока электронов. Представьте себе экран с двумя близкими отверстиями. Волна доходит до плоскости экрана, проникает сквозь отверстия, и за экраном отверстия сами становятся источниками круговых волн. На другом экране — приемнике — возникает картина из чередующихся темных и светлых полос. Светлые там, где волны усиливают друг друга, а темные в тех местах, куда они приходят в противоположных фазах.