"Физика – моя профессия" - читать интересную книгу автора (Китайгородский Александр Исаакович)

Первая атака на здравый смыслГлава 7

…где выясняется, что слова «само собой разумеется» надо изгнать из лексикона физики. Попутно автор поставил перед собой задачу объяснить, что значит «объяснить».

Великолепное здание физической науки, воздвигнутое в XIX веке, красовалось недолго. Рухнуло оно в 1905 году. Это был год публикации одного из самых замечательных творений человеческого гения – теории относительности, созданной двадцатипятилетним Альбертом Эйнштейном.

На нескольких десятках страниц при помощи строжайшей математической логики были изложены выводы из двух аксиом. Выводы поразительно неожиданные, они ломали существовавшие дотоле представления, разрушали фундамент физики. Исследование захватывало своей глубиной, поражало необычной придирчивостью к каждому на первый взгляд само собой разумеющемуся утверждению. Было невозможно вырваться из неумолимой логики рассуждений Эйнштейна, которая приводила читающих, несмотря на их внутренний протест, к парадоксальным результатам: выводы были неизбежным следствием двух аксиом.

Удивительно, что каждая из них не была неожиданной для читателя того времени. Эйнштейн лишь первый задумался над тем, к каким следствиям приведут эти две аксиомы вместе.

Взятые из различных областей физики, обе аксиомы впервые встретились в одной статье. Что же это за аксиомы?

Первая из них говорит следующее:

Если два наблюдателя движутся один по отношению к другому прямолинейно и равномерно, то каждый из них находится в совершенно одинаковых условиях.

Как видите, нет способа установить, кто из них движется, а кто покоится на самом деле. Бессодержательно спрашивать, кто находится в «истинном» движении. Нет такого понятия, как абсолютное движение. Движение относительно!

Этот хорошо известный со времен Галилея принцип механики утверждает, что покой нельзя отличить от равномерного прямолинейного движения. И в общем-то хорошо сочетается со «здравым смыслом». Каждый знает по своим ощущениям, что с закрытыми глазами не отличишь покоя от плавного движения корабля или самолета.

Иначе обстоит дело со второй аксиомой. Хотя положение о том, что скорость света оказывается одинаковой для разных наблюдателей вне зависимости от их движения (это и есть вторая аксиома), было в то время физикам известно, оно все же рассматривалось как некий странный опытный факт, в котором еще надо разобраться. Эйнштейн возвел это странное положение дел в ранг аксиомы.

Явление, о котором идет речь, было обнаружено Майкельсоном и Морлеем в 1887 году. Исследователи поставили перед собой задачу сравнить скорость распространения света с востока на запад и с севера на юг. Такое сравнение похоже на сопоставление результатов измерений двух лабораторий – одной, движущейся вместе с нашей планетой, а другой – не участвующей в суточном движении Земли. Опыт показал, что скорость света одинаковая. Результат эксперимента делал непонятным поведение носителя света – всепроникающего невесомого эфира. Различные попытки примирения опыта Майкельсона с физикой XIX века безуспешно продолжались до 1905 года. Эйнштейн разрубил гордиев узел – непонятный факт возводился в принцип, в исходное понятие. Надо было считать это явление фактом, данным нам природой.

Объединение двух аксиом означало совершенно новую формулировку принципа относительности. То, что верно для скорости света, справедливо и для любых других проявлений электромагнетизма. Поэтому, утверждал Эйнштейн, никакими физическими опытами нельзя выделить одну систему из бесконечного числа систем, движущихся равномерно и прямолинейно друг по отношению к другу. Эти системы совершенно равноправны.

К каким же выводам приведут нас эти две аксиомы? Студенты Московского университета приема 2965 года будут, наверное, усваивать эти выводы на практике. Преподаватель попросит Мишу и Петю занять места в двух тождественных ракетах, нажмет нужные рычаги и отправит их в учебное путешествие. Для выяснения сущности теории относительности проще всего поступить следующим образом: космические вагоны надо отправить по одной линии в разные стороны; в каждом вагоне на противоположных боковых стенках следует поместить источник и приемник света. Перед отправлением Миша и Петя тщательно сверяют свои часы и налаживают радиоприемники и передатчики.

Первое задание преподавателя звучит так: измерить по часам время, необходимое для прохождения света от одной боковой стены своего вагона до противоположной. После того как ускоряющие двигатели были выключены и вагоны перешли в режим равномерного движения, студенты приступили к измерению времени.

– Все в порядке, – сообщают они друг другу и преподавателю, – передаем результаты.

Цифры совпадают: вагоны в точности одинаковые, опыты тождественные – иначе и быть не может, – время по часам Миши, измеряемое Мишей, и время по часам Пети, измеряемое Петей, течет одинаково.

Второе задание заключается в измерении того же события, но на чужом корабле. Теперь Миша измеряет время прохождения светового луча в Петином корабле, а Петя определяет время такого же события в Мишином корабле. Измерения, естественно, носят уже другой характер. Мгновения, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени, могут быть сообщены на чужой корабль при помощи радиосигнала. Миша измеряет время между приходами радиосигналов, которые послал Петя, а Петя измеряет интервал времени, который проходит между радиосигналами, посланными Мишей. Теперь Миша измеряет время, идущее по часам Пети, а Петя измеряет время, идущее по часам Миши. Измерения дают другой результат: у обоих студентов получились опять-таки одинаковые цифры (условия измерения полностью симметричны), но цифры оказались несколько большими, чем в первом измерении. Попутешествовав на своих ракетах в разных условиях, студенты устанавливают на опыте следующее. Для наблюдателя, неподвижного по отношению к событию, временно́й интервал события имеет какое-то характерное значение. Движущиеся наблюдатели для этого же события будут получать бо́льшие цифры, и при этом тем большие, чем быстрее они движутся.

Оказывается, время относительно. Результат измерения времени зависит от состояния движения измеряющего по отношению к измеряемому событию.

– Но этот результат эксперимента есть строгое следствие аксиом Эйнштейна, – поясняет Миша Пете (или Петя Мише; мы не будем лишать их симметрии). – Обрати внимание на то, что луч света идет поперек вагона только тогда, когда мы ведем наблюдение за своим лучом.

Наблюдая же за чужим вагоном, каждый из нас двоих отмечает: добираясь от источника до приемника, луч прошел большее расстояние. Оно равно длине гипотенузы некоего треугольника. Одна сторона его – путь, на который переместился чужой вагон, пока свет достигал приемника, а другая – ширина вагона. Но скорость света одинакова для нас обоих. А путь, пройденный лучами, разный. Значит, промежуток времени, за который свет прошел расстояние от источника до приемника в своем вагоне, меньше для своего наблюдателя (свет прошел более короткий путь – поперек вагона), чем для чужого (в чужом вагоне он, нам кажется, прошел по гипотенузе). А это как раз то, что мы с тобой наблюдали, заключает Миша (или Петя).

После этого наша пара спокойно отправляется обедать, нисколько не взволнованная революционностью полученного результата.

Но современникам открытия Эйнштейна принятие этого вывода давалось с большим трудом.

– Время не абсолютно!

– Время зависит от движения наблюдателя!

– Один и тот же процесс протекает с разной скоростью, если наблюдать за ним с разных позиций!

Все эти формулировки одного и того же факта казались необычными, странными, противоречащими здравому смыслу. Особенно неприятно было соглашаться со следствием, вытекающим из симметрии наблюдателей: для каждого из двоих измерения своих событий приводят к меньшим цифрам. Так, Миша сообщает Пете: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 секунды; но Петя сообщает Мише: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 микросекунды. Чтобы парадокс был яснее, его можно сформулировать так: Миша устанавливает, что отстают Петины часы, а Петя – что отстают Мишины часы.

А нельзя ли выяснить, чьи часы отстают на самом деле после того, как Миша и Петя возвратятся из своего учебного путешествия в космос? Сверить, конечно, можно, но это не способ проверки вывода специальной теории относительности, содержание которой мы сейчас излагаем. Изложенный вывод принадлежит только этой теории, которая касается, только случая равномерного прямолинейного движения. При таком движении наблюдатели могут встретиться только один раз, и проверка поведения часов может быть сделана только путем радиоразговоров.

А что все-таки произойдет, если сверить Мишины и Петины часы после их возвращения? Будут ли часы показывать одно и то же время или какие-то уйдут вперед? Оказывается, чтобы дать ответ на этот вопрос, надо точно описать, как происходило движение обоих космонавтов по отношению к звездному небу.

Один случай представляет особенный интерес. Предположим, что из какого-то места ушла в далекое путешествие космическая ракета, а потом через какое-то время вернулась в то же место. Перед отправлением часы на ракете и на космодроме были сверены. Вторая сверка происходит после возвращения ракеты. Можно строго доказать, что больше времени пройдет на часах космодрома. Если путешествие было очень быстрым (близким к скорости света), то на ракете могут пройти годы, в то время как на космодроме пройдут десятилетия и даже столетия.

Но на этих занятных выводах нет возможности останавливаться подробнее. Хотелось лишь подчеркнуть, что строгое физическое рассуждение, основывающееся на бесспорных аксиомах, привело к новым взглядам на такое фундаментальное понятие, как время. Оказалось, что промежуток времени есть относительная величина, то есть с разных точек зрения время одного и того же события оказывается разным.

Ясно, что уже и этого единственного заключения теории относительности вполне достаточно, чтобы возмутить «здравый смысл». Выслушав меня терпеливо, «здравый смысл» вступает в беседу.

– Что за чушь: с одной точки зрения, с другой точки зрения? Это же противоречит здравому смыслу… А на самом деле сколько времени прошло?

– Да нисколько, так спрашивать нельзя.

– Ну, знаете! Как это – нельзя? Вздор!

– Но, позвольте, ведь есть много вещей, про которые спрашивать нельзя. Скажем, ведь вы согласны, что бессмысленно спрашивать, какой город ближе – Ленинград или Париж. Для нас, жителей Москвы, Ленинград ближе Парижа, а население Марселя не сомневается, что Париж у них под боком, а Ленинград далековато.

– Ну, да это совсем другое дело.

– Другое?! Да нет, очень похожее. На вопрос, не имеющий смысла, нельзя дать ответа.

– Но почему вопрос о том, сколько на самом деле прошло времени между выстрелом и попаданием в цель, лишен смысла? Ведь время…

– Да, да, пожалуйста, ведь время… Вы, кажется, хотели сказать, что такое время?

– Ведь время – это… да не спрашивайте про пустяки, всякий знает, что такое время… Ну, в конце концов время – это то, что меряется часами.

– Превосходно, совершенно правильно. Лучшего ответа нам и не надо. С этого ведь я и начал объяснение. Я просил вас только обратить внимание на то, что каждый носит свои часы при себе и о своем времени судит легко. А вот о чужом времени…

– Свое время, чужое… Не влезает мне это в голову. Время одно.

– Уфф! Ну как же одно? У первого путешественника свои часы, а у второго свои, и если они хотят сверить часы, то одному из них надо послать сигнал другому. Ведь я же вам это объяснял: один смотрит, сколько времени заняло событие, по своим часам, а второй – тот, что движется, – посылает сигналы, сколько времени показали его часы в начале и конце события. Так мы и пришли к выводу, что интервал между событиями, измеренный по своим часам, будет больше.

– Вы все про часы, а я про время. Ведь время…

– Ну что, ведь время? Вы же согласились, что время – это то, что измеряется часами.

– Нет и нет, не запутывайте меня, пожалуйста. Я чувствую, что здесь что-то не так. Не укладывается у меня это в голове.

Да, тяжело бороться со здравым смыслом. Но спорить с тем, кто отбрасывает строгую логику рассуждения в угоду безапелляционно принятым «истинам», – это как об стену горохом. Разумеется, выводы теории относительности с изумлением, восторгом и преклонением перед мощью аналитического разума были быстро подхвачены тысячами физиков, которые, проверив логическую нить Эйнштейна, не нашли в ней ни малейшего изъяна.

Но сторонники здравого смысла продолжали негодовать, возмущаться, требовать «других доказательств» еще долгие годы (поразительно, что даже и сейчас изредка слышатся их голоса). А в этих «других доказательствах» недостатка не было. Они появились в совершенно неограниченном числе много времени спустя, когда физики начали работать с частицами, движущимися с околосветовой скоростью.

Я остановился лишь на выводе теории, касающемся промежутков времени. Но столь же строго из основных постулатов теории относительности следовали и другие революционные выводы. Среди них – заключение о возрастании массы частицы с увеличением скорости ее движения и заключение об эквивалентности энергии и массы.

Проще всего было подтвердить на эксперименте возрастание массы частиц. Это уже давно было проделано для электронов. Проверка же закона эквивалентности стала возможной, когда физики занялись ядерными превращениями и уравнение Эйнштейна легло в основу всех расчетов ядерных реакций. В последнюю очередь стала возможной в лабораторных условиях непосредственная проверка сокращения интервала времени для движущейся частицы.

Впрочем, уже много лет никто (за редчайшими исключениями) из физиков не смотрит на эти эксперименты, как на проверку теории. Она получила безоговорочное признание, стала основой будничной работы физиков.

Но значение теории относительности для физики выходило за рамки открытия нового закона природы. Она повлекла за собой постепенное изменение психологии исследователей, работающих в области естествознания. Физики стали крайне осторожно относиться к заверениям здравого смысла. Они начали приучаться ощупывать со всех сторон каждую фразу, претендующую на объективное значение. Они стали бояться слов, пустых слов, под которыми нет ничего. Прочувствовали необходимость удаления из науки даже ничтожных следов аристотелевой атмосферы.

На примере с парадоксом времени физики поняли, что любое понятие, фигурирующее в их уравнениях, должно либо отвечать на вопрос: «А как его измерить?», либо быть связанным с измеряемыми величинами функциональными зависимостями.

Если сказано, каким образом величину можно измерить или вычислить, то к этому добавить больше нечего. Природа объективна, то есть она существует помимо исследователя; а вот физические величины предложены и введены в обиход наблюдателем природы, с тем чтобы как можно лучше ее описывать.

Постепенно, хотя гораздо медленнее, чем шло развитие науки, из учебников начали устраняться пустые определения, бессодержательный набор слов, определения, которые создавали впечатление, что за словом что-то скрывается, что слово имеет внутренний, подлежащий раскрытию смысл.

– Что такое сила? – вопрошал учитель.

– Сила – это физическая величина, измеряемая по растяжению пружины, – отвечал ученик, и совсем неплохо отвечал.

– Да нет, – настаивал учитель, – вы сказали, как измерить силу. А я спрашиваю, что такое сила?

– Сила – это… это натиск, это действие, это причина движения, – мямлил ученик, вспоминая, что написано в учебнике.

– Вот это хорошо, – радовался учитель.

А хорош-то ответ первый. Остальное же – бессодержательные, пустые утверждения.

После урока, преподнесенного теорией относительности, физические построения стали неизмеримо яснее и строже. Схема физического объяснения явления получила четкие черты.

Мне несколько раз приходилось по просьбе Министерства просвещения присутствовать на экзаменах школьников по физике. Когда попадался ученик довольно сильный, я просил разрешения у учителей задать ему несколько вопросов.

– Что произойдет с медным стержнем, если его нагреть?

– Он расширится, – отвечал экзаменующийся, думая, а нет ли в этом простом вопросе подвоха.

– Почему?

– Все тела при нагревании расширяются.

– Превосходно, а почему?

Ученик задумывался.

– Атомы при нагревании движутся быстрее, в результате они как бы расталкиваются, среднее расстояние между ними растет, а значит, и размеры тела возрастут.

– Великолепно, – здесь я делал небольшую паузу, – а скажите, почему атомы движутся быстрее при нагревании?

Замешательство. Молчание. Ученик бросает беспомощные взгляды на учителя, во взоре безмолвный упрек: «Ты же нам про это не говорил». Учитель тоже выбит из седла и духмает: «Принесла тебя нелегкая с каверзным вопросом – почему атомы движутся быстрее! А кто же его знает, почему».

И только один ученик из десяти, недоуменно пожав плечами, отвечал:

– Да ведь убыстрение движения частиц с температурой – это основной закон природы.

Правильно, дорогой! Только этого я от тебя и хотел. Ты правильно понял, что физическая схема объяснения явления заключается в сведении частного к общему, в логическом показе, что данное явление есть частный случай общего закона природы. А общий закон природы – это сегодняшний потолок объяснения. Общий закон природы потому так и называется, что его неоткуда вывести. А раз неоткуда вывести, значит нельзя объяснить. Разумеется, такое положение дел может быть временным, потолок объяснения по мере развития науки имеет тенденцию к возвышению. То, что сегодня выглядит общим законом природы, через несколько лет может оказаться следствием открытого еще более общего закона природы, для которого старый закон – лишь частный случай. Так было с законами движения Ньютона. После открытия Эйнштейна мы смотрим на уравнения Ньютона как на частный случай законов движения при малых скоростях.

Беспримерное свершение Эйнштейна привело и к более глубокому пониманию роли теории в естествознании. Если бы мы ранее спросили физика о том, какова цель теории, то скорее всего он ответил бы, что цель теории – это «выяснить природу явления, получить картину явления, выяснить его механизм, получить наглядное представление о явлении». Я думаю, что сегодня мы услышим этот туманный ответ от меньшинства. На подобный вопрос последует теперь более четкий и, если хотите, более гордый ответ: «Цель теории – предсказывать явления».

Наглядность, модельность представлений о природе, столь высоко ценившаяся в XIX веке, когда физики старались изобразить на бумаге вихревые движения невидимого эфира, «объясняющие» природу света и электричества, оказалась несостоятельной. Теория относительности не предложила вместо похороненного ею эфира новой механической модели, и тем не менее сила и мощь теории были бесспорны – она позволила предугадать ряд важнейших явлений, о возможности наблюдения которых тогда не имели еще ни малейшего представления.

Вдумайтесь в это. Разве это не великолепно, что человеческий разум исключает элемент неожиданности, позволяет предвидеть исход несвершившихся событий! Разве это не та мощь, которая приписывается религией лишь божественной силе! Нет другой цели у естествознания в его стремлении к познанию мира, кроме как предвидение будущего.

Но не одна теория относительности создавала современное физическое мышление. Огромную роль сыграли также потрясающие открытия в мире атомов.