Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг
І Аристотель, і Ньютон вірили в абсолютний час. Інакше кажучи, вони гадали, що можна однозначно виміряти інтервал часу між двома подіями і що результат буде однаковий, хоч би хто вимірював, аби послуговувався добрим годинником. Час був цілком відокремлений і незалежний від простору. Саме в такому підході більшість людей убачала здоровий глузд. Однак нам довелося змінити свою думку про час і простір. Очевидно, наші уявлення, засновані на здоровому глузді стосуються більше до яблук чи планет, тобто до об’єктів, що рухаються більш-менш повільно, і будуть зовсім недоречні щодо речей, які переміщуються зі швидкістю, близькою до світлової.
Те, що світло поширюється зі скінченною, хоч і дуже високою швидкістю, вперше виявив 1676 року данський астроном Оле Кристенсен Ремер. Він спостеріг, що супутники Юпітера, рухаючись навколо своєї планети, з’являються позаду неї не через однакові проміжки часу, як слід очікувати, якщо швидкість руху супутників стала. Земля і Юпітер рухаються навколо Сонця, а тому відстань між ними змінюється. Ремер завважив: що далі ми від Юпітера, то пізніше для нас настають затемнення його супутників. Він пояснив це тим, що світло від супутника іде до нас довше, коли ми перебуваємо далі. Проте результати його вимірювань змін відстані від Землі до Юпітера були не дуже точні, тому й значення швидкості світла, що його обчислив Ремер, становило 140000 миль за секунду, тоді як відоме нам тепер значення — 186000 миль за секунду. Однак досягнення Ремера було видатне, бо він зумів не тільки довести, що світло поширюється зі скінченною швидкістю, а й виміряти її, та ще й за одинадцять років перед публікацією Ньютонових «Математичних основ». Належної теорії поширення світла не було аж до 1865 року. Саме тоді британському фізикові Джеймсу Клеркові Максвелу вдалося поєднати часткові теорії, що ними описували електричну та магнетну сили. Відповідно до рівнянь Максвела, в об’єднаному електромагнетному полі можуть існувати хвилеподібні збурення, що ширяться з фіксованою швидкістю, як-от брижі на поверхні ставка. Якщо довжина (відстань між двома сусідніми гребенями) цих хвиль становить один метр і більше, то такі хвилі тепер називають радіохвилями. Серед коротших хвиль розрізняють мікрохвилі (завдовжки кілька сантиметрів) та інфрачервоні хвилі (завдовжки більш ніж одна десятитисячна сантиметра)[8]. Довжина хвилі видимого світла становить від сорока до вісімдесяти мільйонних сантиметра. Ще коротшу довжину мають хвилі ультрафіолетового, Рентґенового й гама-проміння.
Теорія Максвела передбачила, що і радіохвилі, і світлові хвилі мають поширюватися з певною фіксованою швидкістю. А що теорія Ньютона заперечила ідею абсолютного спокою, то, кажучи про фіксовану швидкість світла, треба було зазначити, відносно чого її виміряно.
З огляду на це з’явилася ідея про існування речовини з назвою «етер», що заповнювала собою все, навіть «порожній» простір. Світлові хвилі мають поширюватися в етері так само, як звукові хвилі в повітрі, а отже їхня швидкість — це швидкість відносно етеру. Спостерігачі, рухаючись із різною швидкістю відносно етеру, бачитимуть, що світло так само приходить до них з різною швидкістю, але швидкість світла щодо етеру залишиться фіксованою. Зокрема, якщо Земля рухається навколо Сонця в етері, то швидкість світла, виміряна в напрямі руху Землі відносно етеру (коли ми наближаємося до джерела світла), має бути вища, ніж швидкість світла, виміряна під прямим кутом до цього руху (коли ми не наближаємося до джерела світла). 1887 року Альберт Майкельсон (який згодом став першим американцем, відзначеним Нобелівською премією з фізики) і Едвард Морлі провели в Кейсівській школі прикладних наук у Клівленді дуже точний експеримент. Вони порівняли швидкість світла, виміряну в напрямі руху Землі, зі швидкістю, виміряною перпендикулярно до нього. На свій превеликий подив, вони виявили, що ці значення однаковісінькі!
З 1887 до 1905 року зроблено кілька спроб (найвідоміша — голандського фізика Гендрика Лоренца) пояснити результат експерименту Майкельсона — Морлі тим, що, рухаючись в етері, об’єкти стискаються, а годинники сповільнюються. Однак 1905 року в своїй знакомитій праці невідомий доти клерк швайцарського патентного бюра Альберт Айнштайн зауважив, що ідея етеру взагалі непотрібна, якщо відмовитися від ідеї абсолютного часу. За кілька тижнів таку саму думку висловив і провідний французький математик Анрі Пуанкаре. Анштайнові аргументи були ближчі до фізики, ніж аргументи Пуанкаре, що розглядав цю проблему як математичну. Зазвичай саме Айнштайна вважають за творця нової теорії, але й ім’я Пуанкаре пов’язують з опрацюванням її значної частини[9].
Засадничий постулат теорії відносності, як її назвали, такий: наукові закони мають бути однакові для всіх спостерігачів, що вільно рухаються, незалежно від їхньої швидкості. Це твердження було справедливе для Ньютонових законів руху, але відтепер його поширили й на теорію Максвела та швидкість світла: всі спостерігачі, хоч з якою швидкістю вони рухаються, матимуть однаковий результат вимірювання швидкості світла. З цього простого принципу випливає кілька значних висновків. Найвідоміші з них, очевидно, еквівалентність маси й енергії, виражена у славнозвісному рівнянні Айнштайна E = mc2 (де Е — енергія, m — маса, c — швидкість світла), і закон, відповідно до якого ніщо не може рухатися швидше за світло. Через еквівалентність енергії й маси енергія, що її набуває об’єкт унаслідок руху, має доповнювати його масу. Інакше кажучи, що більша швидкість руху об’єкта, то важчим він стає. Правда, цей ефект вагомий тільки для об’єктів, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Наприклад, маса об’єкта, що рухається зі швидкістю 10 відсотків від швидкості світла лише на 0,5 відсотка більша від нормальної, тоді як на швидкості 90 відсотків від швидкості світла маса рухомого об’єкта зросте більш як удвічі проти нормальної маси. І що більше швидкість об’єкта наближається до швидкості світла, то хутчіше зростає маса, а отже на подальше прискорення потрібна чимраз більша енергія. Насправді ж об’єкт ніколи не зможе рухатися зі швидкістю світла, бо тоді його маса стала б нескінченно велика, а щоб досягти цього, потрібно була б, з огляду на еквівалентність маси й енергії, нескінченна кількість енергії. Через це всякий нормальний об’єкт, підлягаючи теорії відносності, приречений рухатися зі швидкістю, завжди меншою за швидкість світла. І тільки світло чи інші хвилі, що не мають власної маси, можуть переміщуватися зі швидкістю світла.
Не менш важливе досягнення теорії відносності полягає в тому, що вона докорінно змінила наші уявлення про час
