Еще в юности Эйнштейн пытался представить себя пассажиром поезда, который мчится со скоростью света, и пытался понять, что должен видеть такой пассажир в зеркале, считая скорость света постоянной для пассажира (дальнейшие рассуждения, как ни странно, почти не зависят от того, соглашается ли кто-либо еще с этим условием). Может ли, рассуждал Эйнштейн, пассажир увидеть какие-то изображения в зеркале (свое собственное лицо или последний вагон поезда) и что он видит в действительности? Для получения изображения необходимо, чтобы луч света отразился от объекта (лица пассажира, последнего вагона и т. п.) и вернулся назад, а это представляется невозможным, поскольку сам поезд движется со скоростью света, а эта скорость (по определению) является предельной для всех объектов. Конечно, можно предположить, что в таком зеркале вообще ничего не отражается, но такой ответ противоречит здравому смыслу, который Эйнштейн всегда считал критерием истины, и поэтому такое решение он отвергал сразу.
Для понимания проблемы мы должны задуматься над тем, что видит наблюдатель, находящийся на платформе, мимо которой несется наш фантастический поезд. Наблюдатель может определить, что поезд движется со скоростью света (не забывайте, что эксперимент мысленный!), но пассажир не может видеть наблюдателя в зеркале. Для этого вновь необходимо, чтобы отраженный луч света догнал поезд и зеркало, т. е. двигался с немыслимой удвоенной скоростью света).
Размышляя над такими задачами более десяти лет, Эйнштейн пришел к некоторым выводам, которые противоречили интуитивному восприятию, но стали основой специальной теории относительности. Вообще говоря, еще до Эйнштейна многие выдающиеся ученые уже понимали, что существующая в классической науке парадигма абсолютного времени должна быть существенно пересмотрена. Среди них в первую очередь следует отметить великого французского математика и теоретика Жюля-Анри Пуанкаре, в трудах которого еще за три года до публикации первой работы по теории относительности Эйнштейн наткнулся на знаменитую фразу: «…абсолютное пространство не существует… как не существует и абсолютное время». Многие ученые ощущали наличие этой весьма серьезной проблемы физики, но для ее решения потребовались гений и упорство Эйнштейна.
Основные идеи теории относительности могут быть сформулированы легко и точно, но проблема заключается в том, что их трудно «перевести» на язык повседневного опыта по двум важным причинам. Во-первых, описываемые теорией эффекты просто не могут происходить в привычном нам мире, где скорости движения объектов (тех же поездов) всегда существенно меньше скорости света. Во-вторых (что, кстати, значительно важнее), соображения здравого смысла привели Эйнштейна к выводу, что окружающая нас реальность (увы?!) несколько «сюрреалистична». Начнем с простого определения, которое прекрасно известно даже офицерам дорожной полиции: скорость равна пройденному расстоянию, деленному на время. Определяя радаром скорость вашей машины в 100 км/час, полицейский вполне здраво исходит из того, что ваша машина проходит в час расстояние в 100 километров. Мы все соглашаемся с этим простым, кажущимся самоочевидным определением скорости, поскольку в нашем мире расстояние и время являются абсолютными величинами, т. е. ни один час не длится больше другого, а все километровые участки на шоссе равны друг другу и даже уже размечены соответствующими указателями или столбиками.
Давайте попробуем, подобно Эйнштейну, задуматься над смыслом определения скорости (скорость равна отношению расстояния к времени) в мире, где расстояние и время больше не являются абсолютными величинами, т. е. не фиксированы точно. Не смущайтесь, если вам ничего не приходит в голову, так как сам Эйнштейн позднее писал: «…сформулировав себе этот ошеломляющий вопрос, я на несколько дней впал в состояние полной растерянности».
Представление об относительности движения вот уже несколько веков является одним из основополагающих принципов физики и, в сущности, является достаточно простым и очевидным. Например, если вы находитесь в поезде, который плавно отходит от перрона с постоянной скоростью, то у вас есть только одна возможность определить эту скорость (или даже просто убедиться, что поезд движется вообще), а именно – выглянуть в окно. Вспомните, о чем постоянно твердят телевизионные клипы с рекламой дорогих автомобилей: «…Наша машина движется так мягко, плавно и спокойно, что Вы совершенно не чувствуете ее скорости!». Авторы рекламы совершенно правы, ведь каждый из нас испытывал странное ощущение в момент отправления поезда, когда вдруг начинает казаться, что поезд стоит, а платформа медленно отплывает назад (похожее чувство возникает и в автомобиле при медленном и плавном наборе скорости).
А теперь вернемся к пассажиру, который едет в железнодорожном вагоне со скоростью света и смотрит в зеркало. В соответствии с описанным выше принципом относительности, он должен видеть свое изображение, поскольку весь этот маленький, замкнутый мир (поезд, пассажир, зеркало) движется равномерно. Если воображаемый поезд движется плавно и бесшумно, а окна в купе зашторены, то пассажир может и не догадываться о движении, пока не отодвинет штору и не выглянет наружу. Такое объяснение удовлетворяло всех (включая и Эйнштейна), поскольку оно согласуется с основополагающим постулатом относительности всякого движения, который стоит сформулировать еще раз: скорость движения системы можно определить только относительно какого-либо внешнего объекта.
***
Однако стоит вспомнить, что в мысленном эксперименте Эйнштейна участвует также и наблюдатель на платформе, мимо которого мчится поезд. Он тоже замечает зеркало в руке пассажира, но с его точки зрения скорость света внутри поезда вдвое превышает обычную (она складывается из скорости света при движении от зеркала к пассажиру + равная световой скорость самого поезда относительно платформы). Неужели он прав? Эйнштейн ответил на вопрос отрицательно, тем самым сразу преступив границы здравого смысла приводимых выше доводов. Он продолжал рассуждать именно логически, исходя по-прежнему из того, что скорость определяется отношением пройденного расстояния к времени. Для сохранения справедливости этой формулы (и для пассажира, и для наблюдателя, несмотря на очевидную разницу в системах отсчета) Эйнштейн предложил рассмотреть еще одну возможность, которую до него в физике никто не принимал всерьез, а именно – ввести одновременное изменение времени и расстояния! Эти два параметра, являющиеся абсолютными в привычном нам мире малых скоростей, в системах с околосветовыми скоростями начинают существенно изменяться, что и позволило Эйнштейну не только сохранить фундаментальный принцип относительности движения (скорость по-прежнему осталась равной отношению расстояния ко времени), но и одновременно получить из него новые, поразительные закономерности и следствия. Главное соотношение осталось неизменным, но для его «спасения» пришлось пожертвовать фундаментальными представлениями о пространстве и времени при описании движения с очень высокими скоростями.
В своей первой работе 1905 г. по специальной теории относительности Эйнштейн выдвинул два основных принципа: 1) скорость света не зависит от того, является ее источник неподвижным или движущимся, и 2) скорость света не зависит от системы отсчета и является одинаковой как для неподвижного наблюдателя (наблюдателя на платформе), так и для движущегося с любой скоростью (пассажира проезжающего мимо платформы поезда). Иными словами, эта скорость не связана с тем, лежите вы в шезлонге на пляже или находитесь на борту космического корабля, выходящего на околоземную орбиту. Она представляет собой некий общий и непреодолимый предел скорости движения всех объектов. Речь идет, строго говоря, не о скорости волн видимого света (покрывающих всего около 2% всего диапазона электромагнитного излучения), а о скорости всех волн этого излучения (от «бешеных», высокоэнергетических гамма-квантов до «ленивых» и слабых радиоволн).
Постоянство скорости света проявляется, прежде всего, в том, что ни одно из космических событий не доходит до Земли мгновенно, немедленно и сразу. Когда рентгеновский телескоп регистрирует чудовищный по масштабам взрыв и образование черной дыры, «атакующей» огромный сектор звездного пространства, мы понимаем, что электромагнитным волнам пришлось пробежать огромное расстояние, так что воспринимаемый нами сигнал отстает от события на миллиарды лет. Именно поэтому понятие «одновременности событий» должно как-то включать в себя время в качестве отдельной переменной. Сочетание таких подходов позволяет перейти к более сложным мысленным экспериментам.