Принцип относительности

В основе специальной теории относительноѓсти лежат два простых свойства, имеющих, однако, глубокие корни. Одно из них, как уже упоминалось, касается света; мы будем обсуждать его более подробно в следующем разделе. Другое является более абстрактным. Оно связано не с каким-либо конкретным физическим законом, а относится ко всем законам физики. Это принцип относительности, который базируется на простом факте: всегда, когда речь идет об абсолютной велиѓчине или о векторе скорости (величине скоѓрости тела и направлении движения тела), следует точно указать, кто или что выполняет измерения. Важность этого утверждения легѓко понять на примере следующей ситуации. Представим себе, что Джордж, одетый в космический скафандр с прикрепленной к нему красной сигнальной лампочкой, паѓрит в абсолютной темноте абсолютно пустоѓго космического пространства, вдали от всех планет, звезд и галактик. С точки зрения Джорджа, он находится в полной неподвижѓности, в однородном безмолвном мраке Всеѓленной. Вдалеке Джордж замечает слабеньѓкий мерцающий зеленый огонек, который постепенно приближается к нему. В конце концов он приближается так близко, что Джордж видит лампочку, прикрепленную к скафандру другого космонавта, Грейс, коѓторая медленно проплывает мимо него. Проѓлетая мимо, она машет ему рукой, Джордж отвечает тем же, и она медленно удаляется. С той же достоверностью история могла быть рассказана и Грейс. Начало рассказа будет таким же: Грейс в полном одиночестве, в неѓобъятном безмолвном пространстве. Вдали Грейс замечает мерцающий красный огонек, который постепенно приближается к ней. Наконец огонек подходит достаточно близѓко, чтобы Грейс могла увидеть, что это ламѓпочка, прикрепленная к скафандру другого космонавта, Джорджа. Он медленно проплывает мимо и, поравнявшись с ней, машет ей рукой. Грейс отвечает, и он растворяется во мраке.

Эти две истории описывают одну и ту же ситуацию с двух различных, но равноправных точек зрения. Каждый наблюдатель считал себя неподвижным и воспринимал друѓгого как движущегося. Обе эти точки зреѓния понятны и оправданы. Поскольку между двумя космонавтами существует симметрия, с фундаментальных позиций нет оснований утверждать, что один из них 'прав', а другой 'неправ'. У каждого одинаковые основания считать себя правым.

Этот пример демонстрирует сущность принципа относительности, которая состоит в том, что понятие движения относительѓно. Мы можем говорить о движении тела только по отношению к какому-то другому телу. Таким образом, утверждение 'Джордж движется со скоростью 10 км/ч' не будет иметь смысла до тех пор, пока мы не укажем тело для сравнения. Утверждение 'Джордж движется со скоростью 10 км/ч относительѓно Грейс' имеет смысл, поскольку теперь мы указали Грейс в качестве точки отсчета. Как показывает наш пример, это последѓнее утверждение эквивалентно утверждению 'Грейс движется со скоростью 10 км/ч отноѓсительно Джорджа (в противоположном наѓправлении)'. Другими словами, не существуѓет понятия 'абсолютного' движения. Движеѓние относительно.

Ключевым моментом в этой истории является то, что ни Джорджа, ни Грейс не толкали, не тянули, не прилагали к ним сил и не оказывали на них какого-либо другого воздействия, которое могло бы наѓрушить безмятежное состояние свободного равномерного движения, в котором они пребывали. Таким образом, более точная форѓмулировка говорит, что свободное движение имеет смысл только относительно других объектов. Это важное уточнение, поскольѓку если действуют силы, они могут изменить скорость наблюдателей - величину скороѓсти и/или направления движения, и эти изѓменения могут быть зафиксированы. Наприѓмер, если бы за спиной Джорджа был реактивный ранцевый двигатель, Джордж наверѓняка бы почувствовал, что он движется. Это чувство является внутренним. Если бы ранцевый двигатель работал, Джордж бы знал, что он движется, даже если бы его глаза были закрыты, и он не мог проводить сравѓнение с другими объектами. Даже без этих сравнений он не мог бы уже утверждать, что был неподвижен, а 'остальной мир двигался мимо него'. Движение с постоянной скоростью относительно, а движение с непоѓстоянной скоростью, или, иными словами, с ускорением - нет. (Мы вернемся к этоѓму вопросу в следующей главе, когда будем обсуждать ускорение и общую теорию отноѓсительности Эйнштейна.)

Помещение этих событий во мрак пуѓстого космического пространства облегчает понимание за счет отсутствия таких привычных объектов, как улицы и здания, которым мы обычно, хотя и не совсем оправданно, присваиваем статус 'неподвижных'. Однако тот же принцип применим и к земным услоѓвиям: с ним приходится сталкиваться и в поѓвседневной жизни1). Представим, например, что уснув в поезде, вы проснулись как раз в тот момент, когда мимо по параллельному пути проходит другой поезд. Вид из окна полностью закрыт этим поездом, который не дает вам видеть другие объекты, и в течеѓние какого-то времени вы не будете знать, кто движется - ваш поезд, другой или оба сразу. Конечно, если ваш поезд покачивается или постукивает на стыках рельсов, или если он меняет направление движения на повоѓроте пути, вы почувствуете, что движетесь. Но если движение будет плавным, если скоѓрость поезда будет оставаться постоянной, вы будете наблюдать только относительное движение двух поездов, и не сможете утверждать наверняка, который из них движется.

Сделаем еще один шаг. Представим, что вы едете в таком поезде, и опустили шторы, так что окна теперь полностью закрыты. При отсутствии возможности видеть что-лиѓбо за пределами купе и при абсолютно постоѓянной скорости движения поезда у вас не буѓдет никакой возможности определить, двиѓжетесь вы или нет. Купе вокруг вас выглядит совершенно одинаково независимо от того, стоит ли поезд или мчится с большой скороѓстью. Эйнштейн формализовал эту идею, коѓторая на самом деле восходит еще к Галилею, провозгласив, что ни вы, и никакой другой путешественник, не сможете провести в закрытом купе эксперимент, который позволил бы определить, движется поезд или нет. Здесь опять работает принцип относительѓности, поскольку любое свободное движение относительно, оно приобретает смысл тольѓко при сравнении с другими объектами или наблюдателями, которые также совершают свободное движение. У вас нет возможноѓсти определить состояние вашего движения без прямого или косвенного сравнения с каѓким-либо 'внешним' телом. Понятия 'абсоѓлютного' равномерного движения попросту не существует, такое движение приобретает физический смысл только при сравнении.

В действительности Эйнштейн понял, что принцип относительности означает больѓшее: законы физики, каковы бы они ни были, должны быть абсолютно одинаковы для всех наблюдателей, совершающих равномерѓное движение. Если бы Джордж и Грейс не просто парили в одиночестве в пространѓстве, а проводили бы одинаковые серии эксѓпериментов на своих космических станциѓях, результаты, полученные ими, были бы одинаковы. Напомним еще раз, что каждый из них абсолютно убежден, что его или ее станция находится в покое, хотя станции и совершают относительное движение. Если все используемое ими оборудование одинаѓково, и нет никаких различий в условиѓях экспериментов, они будут в полностью симметричных условиях. Аналогично, законы физики, которые каждый из них будет выводить из результатов экспериментов, такѓже будут идентичны. Ни сами наблюдатели, ни проводимые ими эксперименты не будут подвержены никакому влиянию, т. е. никоим образом не будут зависеть от равномерного движения. Именно эта простая концепция устанавливает полную симметрию между таѓкими наблюдателями и составляет содержаѓние принципа относительности. Вскоре мы используем всю мощь этого принципа.

Б. Грин