Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

2. Движение всегда и только со скоростью с, и тогда уж (вот она, надменность света!) с одной и той же скоростью относительно всех наблюдателей. В нашей Вселенной с такой скоростью путешествуют два явления: электромагнитные волны в пустоте и гравитационные волны (которые еще встретятся нам на следующих прогулках). Свет в повседневном смысле слова – это электромагнитные волны в некотором интервале длин волн. Поскольку слово «свет» намного короче, чем словосочетание «электромагнитная волна», часто говорят «свет», имея в виду электромагнитные волны в целом. В терминах же фундаментальных составляющих материи – элементарных частиц – со скоростью света обречены распространяться все те из них, у кого нулевая масса покоя, а из известных нам частиц это только фотоны («частицы света», окружающие нас повсюду) и глюоны (переносчики сильного ядерного взаимодействия, которые, однако, не распространяются свободно по Вселенной).

У света нет POV

Важное следствие: нет (не может быть!) наблюдателя, движущегося со скоростью света. У света нет того, что в кино и на телевидении называют POV (point of view, «точка восприятия»). Это тот самый гипотетический наблюдатель, размышление о котором озадачивало юного Эйнштейна: каким образом этот наблюдатель воспринимал бы свет? Видел ли бы он себя в зеркале, держа это зеркало в руке? Отвечать на эти вопросы, как оказалось, не требуется, потому что такого наблюдателя не существует. Вопрос, который мы задали чуть выше, о том, как выглядела бы световая ракета с точки зрения всех остальных наблюдателей и как выглядел бы мир с борта такой ракеты, не нуждается в ответе, потому что это вопрос о том, чего не бывает в принципе.

Километр времени – около 3,3 микросекунды

Наличие максимальной и абсолютной скорости – часть «системы», определяющей, как связаны между собой материя, энергия и движение. Скорость c = 299 792,458 км/с – это нечто большее, чем скорость некоторого конкретного явления: это мировая постоянная, выражающая неотъемлемое качество нашей Вселенной и во многом определяющая, как эта Вселенная устроена. Она, кстати, дарит нам некоторую (не побоюсь сказать, вселенскую) общность со всеми, кто, быть может, живет на какой-нибудь планете в далекой-далекой галактике: нам несложно объяснить им, с какой скоростью Земля вращается вокруг Солнца. Все, что требуется, – это сообщить тамошним ученым, какую долю от скорости света она составляет (примерно 0,0001). Они сами, давая интервью своим журналистам, переведут это в понятные для их публики единицы. Работает это, конечно, потому, что c – одна на всех. Заодно c – еще и способ перевода единиц измерения времени в единицы измерения пространства. Имея дело с пространством-временем, пользоваться разными единицами измерения для разных направлений в нем удобно в той же степени, как измерять длину и ширину в метрах, а высоту в футах (как быть, если вы наклонили шкаф?!). Километр времени – это время, за которое свет преодолевает один километр (поэтому 300 000 километров времени – это около 1 секунды). Чаще, впрочем, измеряют не время в километрах, а, наоборот, расстояния в годах, днях, минутах или секундах; эти расстояния называют для ясности световыми годами, днями, минутами и секундами. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за год; световая минута – расстояние, которое свет проходит за минуту; и так далее. Все, что требуется, – это умножить скорость света на выбранную продолжительность времени[88].

Движение, энергия и масса. Гамма-фактор вторгся в выражение для энергии движения и не дает разогнаться; он зависит от скорости движущегося тела в сравнении с абсолютной скоростью c: крайне слабо откликается на малые скорости движения, но сходит с ума, когда скорости приближаются к скорости света. Это поведение отражается и на энергии движения. Появление там гамма-фактора следует из тех же двух фундаментальных принципов, приведенных ранее в главе. В рассуждениях имеется важный промежуточный шаг, для начала устанавливающий наличие энергии во всяком покоящемся теле; ее количество выражается Самой знаменитой формулой всех времен E = mc2. На следующем шаге удается вывести, какова полная энергия движущегося тела, и тогда разность между энергией движущегося и покоящегося тела и дает его энергию движения; она и в самом деле содержит гамма-фактор и поэтому сходит с ума вместе с ним, но при малых скоростях с высокой точностью совпадает с тем, что было известно Ньютону. Речь здесь всегда идет об энергии тела «самого по себе» – покоящегося или движущегося, но не вступающего во взаимодействия с другими телами. В мире Ньютона в этом качестве фигурирует только энергия движения, но из постулатов Эйнштейна вытекает еще и наличие энергии у покоящегося тела! Основной способ выведения следствий из фундаментальных положений – математика, часто в соединении с мысленным экспериментом. Один мысленный эксперимент мы проделали с велосипедом (который вполне мог быть и ракетой, пролетающей мимо космической базы; во всех таких рассуждениях не имеет никакого значения, как физически реализовать ту или иную конфигурацию, если она в принципе возможна). Сходным образом из двух постулатов выводится знание об энергии. Выводится, точнее говоря, из постулатов и очень общих высказываний об устройстве Вселенной – законов сохранения.

С ньютоновских времен про энергию движения (vis viva, «живую силу», как ее называли тогда и иногда называют и теперь) было известно, как она зависит от скорости – тем самым способом «эм-вэ-квадрат-пополам». Ответ на вопрос, почему именно так, а не иначе, можно давать или экспериментально, или теоретически, или соединяя рассуждения и наблюдения, но в любом случае главное в том, что полная энергия сохраняется, если для энергии движения использовать выражение mv2/2, а не какое-то другое. Но это для малых скоростей, в непосредственно окружающем нас ньютоновском мире. Эйнштейн задался вопросом о том, каким должно быть выражение для энергии, если она сохраняется в мире, где есть абсолютная скорость и где работает принцип относительности. Энергия должна сохраняться в любой череде событий, причем для всех наблюдателей независимо от их (равномерного) движения относительно системы, в которой эти события происходят.

Рис. 5.7. Эквивалентность массы и энергии следует из абсолютности скорости света, принципа относительности и законов сохранения. В рассуждениях используется ящик с лампой, излучающей свет в двух противоположных направлениях. Слева: картина с точки зрения