Представьте себе, что вы заперты в кают-компании корабля, расположенной под палубой. Кают-компания какая‐то странная: летают бабочки, на столе большая миска с водой, где плавают рыбки, к потолку подвешена бутылка, из которой в стоящий под ней сосуд капает вода. Корабль покоится, он еще пришвартован. Итак, вы видите, что в миске плавают рыбки, бабочки с равными скоростями носятся под потолком в разных направлениях, из бутылки, поднимая брызги, капает в сосуд вода. Теперь представьте, что корабль отошел от причала и движется с постоянной скоростью по удивительно тихому морю. Вы не сможете заметить разницу: в кают-компании ничего не изменится.

Этот мысленный эксперимент описал Галилей в 1632 году, отстаивая взгляд Коперника на устройство Солнечной системы. Противники Коперника утверждали, что если бы Земля вращалась вокруг Солнца, то люди, несомненно, почувствовали бы это. Корабль Галилея демонстрирует частный случай теории относительности – так называемой “специальной” теории относительности. Согласно общей теории относительности все законы физики вне зависимости от того, движетесь вы или нет, остаются неизменными. Это утверждение легко понять, но трудно принять. А вот специальная теория относительности соответствует только системам отсчета, движущимся с постоянной скоростью. Иначе говоря, такие системы либо покоятся, либо двигаются в одном и том же направлении с постоянной скоростью. Ускорение в специальной теории относительности не учитывается.

Хотя из‐за строгих ограничений “специальный” пример Галилея кажется надуманным, понять основную мысль легко, поскольку в повседневной жизни мы ощущаем на себе действие принципа относительности. Например, пассажиры высокоскоростного поезда “Синкансэн” не летят по проходу со скоростью триста двадцать километров в час, а комфортно сидят на своих местах. Они могут соревноваться в стрельбе из лука, испечь бретонский торт, передать сообщения по радио – законы физики будут действовать так же, как если бы люди стояли на земле.

Основа принципа относительности – это представление о том, что ни одна из систем отсчета не имеет преимуществ по отношению к другой. Если кто‐то стоит на станции и видит проходящий на большой скорости поезд, то логичным образом для него все выглядит так, будто поезд и все его пассажиры движутся в определенном направлении. Однако тому, кто сидит в поезде, представляется, что станция удаляется от него в противоположном направлении. На самом деле обе эти интерпретации справедливы. Нет возможности выяснить, какая из них “правильная”. Поскольку законы физики действуют совершенно одинаково и для пассажира поезда, и для человека на станции, ни один эксперимент не может определить, кто на самом деле покоится, а кто движется. Все зависит от вашей собственной системы отсчета.

К 1905 году принцип относительности давно и прочно вошел в физику. Эта идея принадлежит не Эйнштейну. Его специальная теория относительности отличается от корабля Галилея тем, что он включил в рассмотрение свет.

Звуковые волны не могут существовать без чего‐то колеблющегося, например воздуха или куска дерева. Без воды нет волн на воде. Для физика начала XX столетия волна – это по определению возмущение, распространяющееся в некоторой среде. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц, однако к концу XIX столетия все поменялось: согласно общепринятому представлению свет был волной. Джеймс Клерк Максвелл доказал, что свет, являющийся частью спектра электромагнитных волн, есть комбинация электрического и магнитного полей. Более того, в экспериментах свет ведет себя как волна: он преломляется и отражается, его частоту можно измерить. Отсюда делался вывод, что свет, как и все другие волны, должен распространяться через некую среду. Эта неизвестная субстанция получила название “эфира”.

Чтобы соответствовать наблюдаемой реальности, свойства эфира должны были быть очень странными. Прежде всего, он должен заполнять всю Вселенную, иначе свет далеких звезд не дошел бы до Земли. Кроме того, эфир не должен влиять ни на что внутри него, то есть быть невероятно разреженным и прозрачным, но при этом настолько жестким, чтобы свет мог распространяться по нему с невероятной скоростью. Многое в физике конца XIX века было связано с поисками эфира. Он был совершенно неуловим.

Считалось, что одна из возможностей доказать существование эфира – это зарегистрировать изменения в скорости света. Точно так же, как если бы Земля двигалась в воде или в воздухе, при движении нашей планеты через эфир должен возникать “эфирный ветер”, дующий в направлении, противоположном направлению ее вращения. Рассуждали так: против ветра свету распространяться труднее, чем при попутном ветре. Основываясь на этой идее, американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в 1887 году поставили свой знаменитый эксперимент. Расщепив луч света надвое, они направили одну его часть в направлении вращения Земли, а другую – перпендикулярно первой. Несмотря на все их усилия, ни малейшего различия в скоростях распространения лучей обнаружить не удалось.

Ни один из многочисленных экспериментов по обнаружению эфира успехом не увенчался. Что‐то очевидно не сходилось. Однако для ученых конца XIX – начала XX века эфир был реальностью, такой же, как воздух. Мысль о том, что свет может распространяться без среды – через ничто, – казалась нелепой.

К 1905 году Эйнштейн стал скептически относиться к возможности существования эфира. В июньской статье, названной “К электродинамике движущихся тел”, он без всякого сожаления от него отказался. “Введение «светоносного эфира» окажется… излишним”[116][117], – писал он, расставаясь, как со старым пальто, с научным знанием, накопленным за двести лет.

Статья Эйнштейна строится всего на двух основополагающих принципах. Все остальное следует из этих непреложных истин. Первая – это принцип относительности: законы физики одинаковы во всех системах отсчета, движущихся без ускорения. И вторая: скорость света, распространяющегося в пустом пространстве, неизменна. Эта скорость равна 299 792 458 метров в секунду, или 670 616 629 миль в час. Или, если так вам больше нравится, можно говорить, что за год свет проходит расстояние, равное одному световому году. С достаточной точностью скорость света была известна с конца 1800‐х годов. Эйнштейн рискнул предположить, что эта скорость неизменна независимо от движения источника света. Другими словами, скорость света постоянна во всех системах отсчета.

Вернемся в поезд, движущийся с постоянной скоростью, и бросим мяч в проход между сиденьями вагона. Мы увидим, что мяч летит с той скоростью, с какой мы его бросили. Однако для человека, стоящего на платформе и с интересом наблюдающего через окно мчащегося поезда, какой ерундой мы там занимаемся, скорость мяча окажется совсем другой. Он увидит, что скорость мяча равна сумме скорости поезда и скорости, с которой мы бросили мяч. То же самое произойдет, если бросить через вагон обломок Большого сфинкса или просто разговаривать в вагоне: для человека, стоящего на платформе, порождаемые звуковые волны распространяются со скоростью, равной сумме скорости звука и скорости идущего поезда.

До Эйнштейна считалось, что и свет ведет себя так же. Но если бы это утверждение было верно, то, направив луч лазера вдоль вагона или зажигая в вагоне фонарь, мы увидели бы, что в нашей системе отсчета луч продвигается вперед со скоростью света, тогда как для человека на станции к скорости света надо было бы еще прибавить скорость поезда.

Эйнштейн считал, что постоянство скорости света – закон природы. Тогда, в отличие от всего остального, свет распространяется с одинаковой скоростью как для пассажира в поезде, так и для человека на станции. Он был в этом уверен в той же мере, как и в том, что справедлив принцип относительности и что его теория должна основываться на этих двух постулатах.

Эйнштейн пришел к такому выводу еще до 1905 года. Однако, к сожалению (он сам признается в этом в июньской статье), два этих принципа “на первый взгляд казались несовместимыми”[118], и поэтому он потратил “почти год на бесплодные размышления”[119]. Но как‐то погожим днем Эйнштейн отправился навестить своего друга Микеле Бессо и рассказал ему об этой проблеме. “Я уже готов сдаться”[120], – пожаловался он. Однако после разговора с Бессо все встало на свои места – и Эйнштейн понял, в чем дело. На следующий день он снова пришел к Бессо и, даже не поздоровавшись, сообщил: “Спасибо тебе. Я до конца во всем разобрался”[121].

И это было действительно так. Прошло пять недель, и в конце июня Эйнштейн отправил статью в журнал. Разговаривая с Микеле, он понял, что если события происходят одновременно в одной системе отсчета, то совсем не обязательно, что и в другой системе отсчета это одновременные события. Если человек в один и тот же момент видит две молнии, это значит, что он стоит на равных расстояниях от тех мест, где произошли вспышки и свет от каждой вспышки достигает его в одно и то же время. Но если человек стоит в том же месте, но находится в поезде, едущем по направлению к месту, где произошла одна из вспышек, свет от нее достигнет его раньше, чем свет от другой. Одна вспышка произойдет раньше другой. Согласно принципу относительности оба вывода верны. Истинной одновременности не существует. Можно сказать, что одновременность – понятие относительное.

Эйнштейн понял, что это означает отсутствие абсолютного времени. Позднее он сформулирует так: “Нет единой для всего мира хронологии событий”[122]. В каждой системе отсчета время свое. Новый взгляд на время позволил Эйнштейну свести воедино свои два принципа, и это привело к неожиданным последствиям.

Эйнштейн показал, что если время относительно, то относительно и пространство. Представьте себе двух человек со своим набором синхронизированных часов у каждого. Один едет в поезде, а другой стоит на станции. Предположим, что у пассажира поезда есть сверкающий золотой прут. Чтобы измерить длину этого невероятного прута, пассажиру достаточно воспользоваться линейкой. С точки зрения покоящегося на платформе человека, прут движется. Чтобы измерить его длину, ему придется предпринять более сложные действия. Сначала ему потребуется определить, где находятся два конца прута в определенный момент времени. Зная положения конца и начала прута, он может отметить флажками эти точки и измерить расстояние между ними. Здравый смысл подсказывает нам, что у этих двух человек результаты измерений совпадут. Оказывается, нет. Покоящемуся человеку сверкающий прут кажется короче, чем тому, кто движется в поезде с прутом в руках. Дело в том, что у человека на станции другое представление об одновременности, чем у пассажира поезда. Пассажир будет утверждать, что покоящийся человек определил положения концов прута не одновременно, а в разные моменты времени. Это явление известно как релятивистское сокращение длины.

Другое противоречащее здравому смыслу следствие специальной теории относительности называется “замедлением времени”. Представьте себе, что пассажир поезда избавился от прута, заменив его двумя зеркалами. Одно зеркало он прикрепил к полу, а другое – к потолку вагона. Луч света по очереди отражается от каждого из зеркал. Пассажир поезда видит, что луч движется вверх и вниз вдоль прямой линии. Но для человека на платформе движение луча происходит по зигзагообразной траектории. С его точки зрения, луч проходит вверх до зеркала на потолке по диагонали, ведь за время прохождения луча зеркало немного сдвинулось вперед вместе с поездом. И вниз к зеркалу на полу луч движется тоже по диагонали, поскольку и оно, в свою очередь, несколько сдвинулось вперед. Таким образом, человеку на станции кажется, что луч проходит расстояние большее, чем то, которое измеряет пассажир поезда. Но согласно теории относительности Эйнштейна скорость света одинакова для обоих наблюдателей. Остается только одна возможность: для покоящегося человека время течет медленнее, чем для пассажира поезда.

Чем быстрее движется поезд, тем большее расстояние между полом и потолком должен проходить луч. Можно сформулировать это иначе: чем быстрее движется поезд, тем медленнее течет время. В поезде пассажиры стареют медленнее, растения дольше прорастают, атомы распадаются с меньшей скоростью. На Земле эффекты, связанные со специальной теорией относительности, едва заметны, они становятся значимыми только при очень больших скоростях.

Июньская статья Эйнштейна необычна не только из‐за новых и сложных для восприятия выводов, но еще и потому, что в ней он вообще никого и ничего не цитирует. В то время многие из содержащихся в статье идей уже носились в воздухе. Например, Джордж Фицджеральд и Хендрик Лоренц независимо друг от друга предсказали эффект сокращения длины, тогда как Анри Пуанкаре поставил под сомнение концепцию абсолютного времени. Но все эти результаты лишь залатывали дыры в концепции эфира. К новой, удивительной картине мира Эйнштейн пришел один – или почти один. “В заключение, – писал он, – отмечу, что мой друг и коллега Бессо явился верным помощником при разработке излагаемых здесь проблем и что я обязан ему за ряд ценных указаний”[123][124].

Окончив статью, Эйнштейн две недели не вставал с постели, в то время как Марич проверяла и перепроверяла написанное мужем[125].