В повседневной жизни все предметы стремятся к покою. Точнее, все, кроме Луны и планет; вероятно, это одна из причин, по которой эти тела в древности считались особыми, находящимися под управлением ангелов или богов.
Однако любое наше ощущение покоя иллюзорно. В приводившемся примере с подбрасыванием мячика в летящем самолете вы в конце концов сможете почувствовать, что ваш самолет движется, когда попадете в зону турбулентности. Но даже когда самолет стоит на поле аэродрома, он не находится в покое. Аэропорт вместе с Землей движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, движется со скоростью около 200 км/с вокруг центра Галактики, и т. д.
Галилей закрепил это в своем знаменитом утверждении, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, находящихся в состоянии равномерного движения, то есть движущихся по прямой с постоянной скоростью. (Покоящиеся наблюдатели просто особый случай, когда скорость равна нулю.) Утверждая это, он имел в виду, что не существует эксперимента, который можно было бы провести над таким объектом, чтобы определить, что он не покоится. Когда вы поднимаете глаза к небу и видите там летящий самолет, несложно понять, что он движется относительно вас. Но не существует эксперимента, который можно было бы провести на земной поверхности или на самолете, чтобы с его помощью понять: земля, на которой вы стоите, движется относительно самолета или наоборот.
Хотя кажется странным, что для понимания этого фундаментального факта о нашем мире потребовалось так много времени, следует признать, что он противоречит большей части нашего опыта. Большей части, но не всему опыту целиком. На примере шаров, скатывающихся по наклонной плоскости, Галилей наглядно продемонстрировал, что сдерживающая сила трения, заставляющая все предметы в конце концов приходить в состояние покоя, которую философы прошлого считали фундаментальной для нашего мира, на самом деле вовсе не фундаментальна, а лишь маскирует собой подлинную реальность. Галилей заметил, что когда шар скатывается по одной поверхности, а затем поднимается по другой вверх, то он в конце достигает той же высоты, с которой начинал движение. Рассмотрев шары, закатывающиеся вверх по плоскостям разного наклона, он показал, что чем меньше наклон, тем дальше приходится катиться шару, чтобы достичь первоначальной высоты. Отсюда он заключил, что, если наклон уменьшить до нуля, шары будут вечно катиться с постоянной скоростью.
Осознание этого факта имело огромное значение; оно принципиально изменило многое в наших представлениях о мире. Нередко его называют просто законом инерции, на нем основан закон движения Ньютона, который связывает наблюдаемое ускорение объекта с величиной внешней силы. После того как Галилей понял, что для поддержания движения тела с постоянной скоростью не требуется никакой силы, Ньютон смог сделать естественный следующий шаг и сказать, что для изменения скорости тела необходима сила.
После этого между небесами и Землей не стало принципиальных различий. Скрытая реальность, лежащая в основе движения привычных повседневных предметов, сделала очевидным, что в нескончаемом движении астрономических объектов нет ничего сверхъестественного, и подготовила сцену для Ньютонова закона всемирного тяготения, еще более снизив роль в космосе ангелов или других сущностей.
Таким образом, открытие Галилея сыграло принципиальную роль в становлении физики, в превращении ее в ту науку, которую мы знаем сегодня. Но не менее принципиальным было и блестящее объединение Максвеллом электрической и магнитной сил, создавшее математическую базу, на которой строится вся современная теоретическая физика.
* * *
Альберт Эйнштейн, начиная свой научный путь в этой богатой интеллектуальной обстановке, быстро распознал в окружающем ландшафте глубокую непроходимую пропасть: Галилей и Максвелл никак не могли быть правы одновременно.
Двадцать с лишним лет назад, когда моя дочка была совсем маленькой, я впервые задумался над разрешением парадокса, с которым пытался справиться молодой Эйнштейн, и хороший пример буквально свалился мне на голову, когда я вез малышку в машине.
Галилей показал, что, пока я веду машину безопасно и с постоянной скоростью, не допуская резких ускорений, законы физики в нашей машине должны быть неотличимы от тех же законов физики, измеренных в лабораториях физического института, куда я ехал на работу. Скажем, если у дочки на заднем сиденье была игрушка, то она могла подбросить ее в воздух и поймать без всяких неожиданностей. Интуитивные навыки, наработанные ее телом в играх дома, ничуть не хуже служили ей и в машине.
Однако поездка в машине не усыпляла девочку, как это происходит со многими маленькими детьми, а, напротив, возбуждала и тревожила ее. Во время той поездки ее затошнило и в конце концов вырвало, причем рвотные массы полетели по траектории, прекрасно описанной Ньютоном, с начальной скоростью, скажем, в пятнадцать миль в час; эта чудесная параболическая траектория закономерно завершилась на моем затылке.
Представим, что моя машина в тот момент подъезжала к светофору с относительно небольшой скоростью, скажем, в десять миль в час. Тогда наблюдатель на тротуаре, видевший все это, заметил, что рвотные массы ребенка летят со скоростью 25 миль в час: скорость машины относительно наблюдателя (10 миль в час) плюс скорость масс (15 миль в час), а их траектория при движении к моему (на этот раз движущемуся) затылку опять же хорошо описывалась бы Ньютоном уже при этой более высокой (25 миль в час) начальной скорости.
Пока все в порядке. Однако здесь есть проблема. Теперь, когда моя дочь стала старше, она обожает водить машину. Представим себе, что она едет следом за машиной приятеля, одновременно разговаривая с ним по сотовому телефону (при помощи гарнитуры, для безопасности), и хочет сказать ему, что нужно повернуть направо, чтобы попасть туда, куда они вместе едут. Она говорит по телефону, и электроны в нем скачут туда-сюда, порождая электромагнитную волну (в микроволновом радиодиапазоне). Волна проходит до сотового телефона ее приятеля со скоростью света (на самом деле она, быть может, успевает подняться до спутника, а затем ее излучают оттуда вниз, но забудем пока про эти сложности), и тот, вовремя получив информацию, успевает сделать нужный поворот.
Итак, что в этой ситуации измерит стоящий у дороги наблюдатель? Здравый смысл подсказывает, что радиосигнал должен двигаться от машины моей дочери до машины ее приятеля со скоростью света, которую можно было бы измерить прибором в машине моей дочери (обозначим эту скорость c), плюс скорость машины.
Но здравый смысл обманчив именно потому, что основывается на повседневном опыте. В обычной жизни мы не измеряем время, за которое свет, или микроволновое излучение, перемещается из одного угла комнаты в другой или из одного телефона в другой неподалеку. Если бы здравый смысл был здесь применим, то наблюдатель на обочине измерил бы (при помощи сложного оборудования), как прыгают туда-сюда электроны в телефоне моей дочери, и увидел бы, как излучается микроволновый сигнал; этот сигнал двигался бы со скоростью c плюс, скажем, 10 миль в час.
Однако великий триумф Максвелла заключался в том, что ему удалось показать: скорость электромагнитных волн, излученных колеблющимся зарядом, можно вычислить, просто измерив величину электрической и магнитной сил. Следовательно, если для наблюдателя на обочине дороги волны двигались бы со скоростью c плюс 10 миль в час, то значения электрической и магнитной сил для него отличались бы от значений, наблюдаемых моей дочерью, для которой волны двигались бы со скоростью c.
