Разные системы отсчета

Эйнштейн не спрашивал, как совершать шаманский переход из одного состояния сознания в другое, но он задавался вопросом, как связывать наблюдения, производимые в одной физической системе, с наблюдениями в другой. Еще в детстве Эйнштейн задавал себе удивительные вопросы. Его интересовало, смог ли бы он видеть себя в зеркале, если бы двигался со скоростью света. Он думал: если я нахожусь на Земле и смотрю в зеркало, то вижу самого себя. Свет, который отражает мое лицо в зеркале и приносит мне обратно зеркальное отражение, двигается с определенной скоростью – скажем, с. Но могу ли я видеть себя, если двигаюсь со скоростью света? Чтобы я увидел себя в зеркале, должно случиться что-то необычное, поскольку свет может быть больше не способным меня догонять. Чтобы я видел себя в зеркале, двигаясь со скоростью света, должно происходить нечто странное… быть может, что-то будет искривлять пространство и время? Сегодня мы знаем, что его подозрения были верны.

Помните, что говорилось в предыдущей главе о разных системах отсчета в физике? Помните человека, стоящего на земле, в одной системе отсчета и другого человека в поезде в другой системе отсчета? Еще одним примером двух разных систем отсчета могут служить два способа смотреть на событие, происходящее в ускорителе частиц. Представьте себе двухкилометровую трубу, которая используется для ускорения частиц. Представьте себе, что эта труба свернута в кольцо, – в физике такие ускорители используются для того, чтобы разгонять частицы и сталкивать их друг с другом, чтобы выяснить, из чего они состоят. Помещая частицу в один конец ускорителя, вы можете ускорять ее в кольцевой трубе, пока она не достигнет двух третей скорости света.

Рис. 22.1. Ускоритель частиц (двухкилометровая кольцевая труба).

Стоя на земле в начале трубы ускорителя, вы находитесь в «закрепленной» системе отсчета. В этой системе вы способны измерять частицу, которая почти ничего не весит. Когда ускоритель разгоняет частицу, то, спустя короткое время и пройдя примерно два километра, частица, при измерении из вашей закрепленной системы отсчета, кажется вам весящей почти в два раза больше, чем вначале! С вашей точки зрения, пройдя два километра, она набрала много веса. С вашей точки зрения, частица прошла два километра.

Теперь давайте сменим систему отсчета и будем двигаться вместе с частицей, подобно тому как мы двигались вместе с поездом. Как вы думает, насколько далеко прошла частица в ее системе отсчета, с ее собственной точки зрения? Меньше десяти сантиметров! С ее точки зрения – то есть с точки зрения кого -то двигающегося со скоростью частицы – все относительно спокойно. Фактически, кажется, как будто частица пролетела меньше десяти сантиметров и ее вес не увеличивался. Она определенно не пролетела два километра!

Даже хотя Эйнштейн был еще ребенком, когда задумывался о том, что бы происходило, если бы он двигался очень быстро вместе с мчащимися частицами, он был прав. При приближении к скорости света с пространством и временем происходят необычные вещи. Сегодня мы знаем, что если бы вы были способны лететь с постоянной скоростью вместе с частицей, то могли бы лучше понимать и видеть, что, с ее точки зрения, окружающий мир сжимается, в то время как вы и она сохраняете примерно те же самые размеры и вес. Если вы двигаетесь вместе с частицей, то внешний мир сжимается, хотя для тех, кто находится на земле, мир остается тем же самым, а частица меняется.

Эйнштейн рассматривал проблему соотнесения измерений одного и того же события, производимых в разных системах отсчета. Он открыл, как соотносить размер частицы, который вы измеряете стоя на земле снаружи ускорителя, с размером, измеряемым при движении вместе с частицей в ускорителе. Его ответ был назван «преобразованием Лоренца» – это математическая формула, которая объясняет, как вещи изгибаются, деформируются и преобразуются, как то, что в одной системе отсчета выглядит как два километра, в другой составляет меньше десяти сантиметров. Это преобразование показывает, как пространство и время одной системы отсчета соотносятся с пространством и временем другой, и как пространство и время расширяются и сокращаются, когда вы двигаетесь между системами отсчета.