Георгий Гамов - Приключения Мистера Томпкинса

• Название: Приключения Мистера Томпкинса
• Автор: Георгий Гамов
• Издательство: Бюро Квантум
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993

В данную книгу включены два научно-популярных произведения известного американского физика и популяризатора науки — повесть «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», не без юмора повествующая о приключениях скромного банковского служащего в удивительном мире теории относительности, и повесть «Мистер Томпкинс исследует атом», в живой и непринужденной форме знакомящая читателя с процессами, происходящими внутри атома и атомного ядра. Книга предназначена для школьников, студентов и всех, кто интересуется современными научными представлениями.

---

Если u1 и u2 — две подлежащие сложению скорости, то результирующая скорость оказывается равной

(1)

Вы видите из этой формулы, что если обе подлежащие сложению скорости малы (я имею в виду «малы по сравнению со скоростью света»), то вторым членом в знаменателе формулы (1) можно пренебречь по сравнению с единицей и вы получаете классическую теорему сложения скоростей. Если же скорости u1, и u2 не малы, то результат будет несколько меньше арифметической суммы скоростей. Так, в нашем примере с бродягой, бегущим по крышам вагонов мчащегося поезда, u1 = (3/4)c и u2 = (3/4)c и наша формула позволяет найти результирующую скорость F = (24/25) с, которая, как и складываемые скорости, меньше скорости света.

В частности, когда одна из исходных скоростей равна скорости света с, из формулы (1) следует, что результирующая скорость также равна с, независимо от того, какова вторая скорость. Поэтому, складывая любое число скоростей, мы никогда не можем превзойти скорость света.

Возможно, вам будет интересно узнать, что формула (1) была подтверждена экспериментально и действительно было обнаружено, что результирующая двух скоростей всегда несколько меньше их арифметической суммы.

Признав существование верхнего предела скорости, мы можем приступить к анализу классических представлений о пространстве и времени. Свой первый удар мы направим против понятия одновременности, основанном на этих классических представлениях. Когда вы заявляете:

— Взрыв на шахте неподалеку от Кейптауна произошел в тот самый момент, когда в моей лондонской квартире мне на завтрак подали яичницу с ветчиной, — вам кажется, будто вы высказываете вполне осмысленное утверждение. Однако я попытаюсь показать, что в действительности вы не знаете, о чем, собственно, идет речь и, более того, что ваше утверждение, строго говоря, не имеет точного смысла. В самом деле, как бы вы стали проверять одновременность двух событий, происходящих в двух различных местах? Возможно, вы скажете, что такие два события одновременны, если местные часы показывают одно и то же время, но тогда возникает вопрос, как установить часы, разнесенные в пространстве на большое расстояние друг от друга, так, чтобы они одновременно показывали одно и то же время, и мы снова возвращаемся к исходному вопросу.

Поскольку независимость скорости света в пустоте от движения источника или системы, в которой производится измерение, принадлежит к числу наиболее точно установленных экспериментальных фактов, следующий метод измерения расстояний и правильной установки часов на различных наблюдательных станциях следует признать наиболее разумным и, поразмыслив немного, вы согласитесь со мной, что это — единственно приемлемый способ.

Световой сигнал отправляется со станции А и, как только он принимается на станции В, посылается обратно на станцию А. Половина времени (по измерениям, производимым на станции А) между отправлением сигнала и его приемом на станции А, умноженная на скорость света, определяет расстояние между станциями А и В.

Условимся говорить, что часы на станциях А и В установлены правильно, если в момент приема сигнала на станции В местные часы показывали время, равное полусумме показаний часов на станции А в момент отправления и приема сигнала. Применяя этот способ правильной установки часов к двум различным наблюдательным станциям, сооруженным на одной платформе (одном и том же твердом теле), мы получаем столь желанную систему отсчета и обретаем возможность отвечать на вопросы об одновременности событий или временном интервале между двумя событиями, происходящими в различных местах.

Но признают ли одновременными те же события и согласятся ли с оценкой временных интервалов наблюдатели в других системах отсчета? Чтобы ответить на этот вопрос, представим себе две системы отсчета, сооруженные на двух различных платформах (твердых телах), например на двух длинных космических ракетах, летящих в противоположных направлениях каждая со своей постоянной скоростью. Как результаты измерений, производимых в одной системе отсчета, будут соотноситься с результатами аналогичных измерений, производимых в другой системе отсчета? Предположим, что в носовой и кормовой части каждой ракеты находится по наблюдателю и что все четыре наблюдателя хотят прежде всего правильно установить свои часы. Каждая пара наблюдателей, находящихся на борту одной и той же ракеты, может, несколько видоизменив описанный выше способ правильной установки часов, поставить нуль на своих часах в тот момент, когда световой сигнал, посланный из середины ракеты (середина ракеты может быть установлена с помощью мерного стержня), достигнет соответственно носа или кормы ракеты. Таким образом, каждая пара наших наблюдателей устанавливает в соответствии с принятым выше определением критерий одновременности в своей собственной системе отсчета и «правильно» (разумеется, со своей точки зрения) свои часы.

Предположим теперь, что наши наблюдатели решили выяснить, согласуются ли показания часов на борту их ракеты с показанием часов на борту другой ракеты. Например, будут ли часы двух наблюдателей, находящихся на борту различных ракет, показывать одно и то же время, когда ракетам случится пролетать мимо друг друга? Проверить это можно следующим способом. В центре (геометрической середине) каждой ракеты наблюдатели, устанавливают заряженный конденсатор с таким расчетом, что когда ракеты пролетают мимо друг друга, между конденсаторами проскакивает искра и из центра каждой платформы к ее концам (носу и корме) одновременно начинают распространяться световые сигналы. К тому времени, когда световые сигналы, распространяющиеся с конечной скоростью, достигнут наблюдателей, ракеты изменят свое относительное расположение и наблюдатели 2А и 2В окажутся ближе к источнику света, чем наблюдатели 1А и 1В.

Ясно, что когда световой сигнал достигнет наблюдателя 2А, наблюдатель 1B будет позади него и, чтобы достигнуть наблюдателя 1B, световому сигналу понадобится некоторое дополнительное время. Следовательно, если часы наблюдателя 1В поставлены так, что показывают ноль часов ноль минут в момент прихода сигнала, то наблюдатель 2А будет настаивать на том, что часы его коллеги 1В отстают от правильного времени.

Точно так же другой наблюдатель 1А придет к заключению, что часы наблюдателя 2В, до которого световой сигнал дойдет раньше, чем до него, спешат. Поскольку согласно принятому определению одновременности каждый из наблюдателей считает, что его часы поставлены правильно, наблюдатели на борту ракеты А согласятся с тем, что между часами наблюдателей на борту ракеты В имеется различие. Не следует, однако, забывать о том, что наблюдатели на борту ракеты В по точно тем же причинам будут считать, что их часы поставлены правильно, а часы наблюдателей на борту ракеты А рассогласованы.

Поскольку обе ракеты совершенно эквивалентны, разногласия между двумя группами наблюдателей можно разрешить, только если признать, что правы обе группы — каждая со своей точки зрения, но что вопрос о том, кто из них прав, «абсолютно» не имеет физического смысла.

Боюсь что я утомил вас этими длинными рассуждениями, но если вы внимательно следили за ходом моей мысли, то вам должно быть ясно, что как только наш способ пространственно-временных измерений принят, понятие абсолютной одновременности полностью утрачивает смысл и два события, происходящие в различных местах и одновременные с точки зрения одной системы отсчета, разделены конечным временным интервалом с точки зрения другой системы отсчета.

Это утверждение звучит весьма странно, в особенности для тех, кто слышит его впервые, но так ли странно покажется вам, если я скажу, что, обедая в вагоне-ресторане идущего поезда, вы съедаете свой суп и десерт в одной и той же точке вагона-ресторана, но в различных точках железнодорожного полотна, разделенных достаточно большим расстоянием? Между тем утверждение о вашей трапезе в поезде можно сформулировать и так: два события, происходящие в различное время в одной и той же точке одной системы отсчета, разделены конечным пространственным интервалом с точки зрения другой системы отсчета.

Сравнив это «тривиальное» утверждение с предыдущим «парадоксальным» утверждением, вы увидите, что они совершенно симметричны и переходят друг в друга, если слово «временной» заменить на «пространственный» (и наоборот).

В этом и состоит вся суть точки зрения Эйнштейна: если в классической физике время рассматривалось как нечто совершенно независимое от пространства и движения и считалось, что оно «по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно» (Ньютон), то в новой физике пространство и время тесно взаимосвязаны и представляют собой два различных сечения одного однородного «пространственно-временного континуума», в котором разыгрываются все наблюдаемые события. Разделение этого четырехмерного континуума на трехмерное пространство и одномерное время совершенно произвольно и зависит от системы отсчета, в которой производятся наблюдения.