Как стало ясно из главы 5, представления древних атомистов о мире, состоящем из элементарных частиц, движущихся в абсолютной пустоте, противоречили физической картине, сложившейся в XIX веке. В представлении ученых, мир был заполнен сплошным однородным невидимым веществом, эфиром, в котором двигались частицы.
Световые волны считались эффектом от вибраций эфира, подобно тому как звуковые волны возникают вследствие вибрации воздушной или водной среды. Тот факт, что воздух и вода не являются сплошными и однородными средами, а состоят из крошечных атомов, не представлял проблемы, так как уравнения звуковых волн можно вывести из законов ньютоновской механики материальной точки, применив их к дискретной среде. Майкл Фарадей, как и Ньютон до него, допускал, что эфир тоже может состоять из частиц. Более того, вспомним, что Джеймс Клерк Максвелл не предполагал наличия эфира, делая вывод о существовании электромагнитных волн, и что никому так и не удалось получить данные, подтверждающие присутствие эфира во Вселенной. Эфир никак не проявлял себя ни теоретически, ни в ходе экспериментов.
Что касается остальных разделов физики, та успешность, с которой ньютоновские законы механики и всемирного тяготения описывали движение, будь то движение планет или падающих яблок, свидетельствовала об универсальном характере этих законов. А наблюдение в свете звезд тех же спектральных линий, которые можно увидеть в лабораториях на Земле, доказывало, что в основе их появления лежат одни и те же вселенские законы.
При этом, поскольку свет является электромагнитной волной, можно сделать вывод, что и уравнения Максвелла универсальны. Однако из этих уравнений нельзя вывести механизм возникновения наблюдаемых узколинейчатых спектров. А в довершение всего в рамках волновой теории света нельзя объяснить спектр черного тела и фотоэффект.
Что касается корпускулярной природы атомов, мы выяснили, что многие ученые продолжали сомневаться в ней из-за косвенного характера лежащих в ее основе данных.
В следующих разделах я кратко обобщу революционные физические открытия, совершенные за период с 1900 года до конца Второй мировой войны — 1945 года, делая особый упор на их космологической значимости. Более детальные объяснения можно найти в моей книге «Бог и атом».
Специальная теория относительности
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, и это спровоцировало коренной переворот в наших представлениях о пространстве, времени и материи. Альберту Майкельсону и Эдварду Морли не удалось эмпирически подтвердить ожидаемые различия в скорости света, связанные с движением Земли сквозь гипотетический эфир. Хотя Эйнштейн и не упомянул их результаты в своей работе, вероятно, он был осведомлен о них. Однако, вместо того чтобы сослаться на какие-либо результаты наблюдений, Эйнштейн выдвинул сугубо теоретический постулат, хотя стоит помнить, что его теория в конечном итоге основывалась на наблюдаемых явлениях, в частности на электричестве и магнетизме.
Электромагнитные волны, математическое описание которых выводилось из уравнений Максвелла, распространяются в вакууме с точной скоростью с, определенно нарушая тем самым принцип относительности Галилея, который, как мы узнали из главы 2, утверждает, что все скорости относительны. Таким образом, скорость источника света, движущегося относительно наблюдателя, должна была бы увеличивать или уменьшать скорость света, давая результат, отличный от с. Однако это не допускалось уравнениями Максвелла, а эксперименты Майкельсона и Морли этого не подтвердили.
Относительность времени и пространства
Но Эйнштейн не был готов поставить крест на принципе относительности. Итак, он задался вопросом: каковы будут последствия того, что принцип относительности действует, а скорость света в вакууме всегда равна c? На основе двух этих аксиом Эйнштейн доказал среди прочего, что временные и пространственные промежутки между двумя событиями не постоянны. То есть два наблюдателя, системы отсчета которых движутся друг относительно друга, получат при измерениях разные значения времени и расстояния.
Другими словами, время и пространство не абсолютны, хотя именно это подсказывает нам здравый смысл. С точки зрения наблюдателя, часы, движущиеся относительно него, замедляют свой ход (замедление времени), а любой объект, движущийся относительно наблюдателя, сожмется в направлении своего движения (сжатие Лоренца — Фицджеральда). Это не значит, что они действительно делают это. Часы не замедляют свой ход, а объекты не сжимаются для наблюдателя, находящегося на них. Только внешним наблюдателям из других систем отсчета кажется, будто происходят такие странные вещи.
Среди революционных открытий Эйнштейна разрушение привычных представлений о времени было, пожалуй, наиболее принципиальным. Ничто не кажется столь универсальным, столь абсолютным, как время. Тем не менее специальная теория относительности подвергла сомнению ряд наших глубочайших интуитивных ощущений, связанных со временем. Не существует такого временного момента, который можно было бы определить как настоящее. Не существует прошлого или будущего, общего для всех точек пространства. Два события, разделенные расстоянием, нельзя рассматривать как объективно одновременные во всех системах отсчета.
Замедление времени имеет значение только для часов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, или для проведения высокоточных: измерений с помощью атомных часов. Поэтому в повседневной жизни эти эффекты никто не замечает. Однако теория Эйнштейна подтверждается множеством экспериментов, проведенных за минувшее столетие. В этих экспериментах применялись высокоэнергетические частицы, движущиеся с субсветовыми скоростями, а также проводились измерения при небольших скоростях с помощью атомных часов. Сегодня любой человек со смартфоном или системой спутниковой навигации GPS в автомобиле полагается на теорию Эйнштейна, которая, как мы вскоре увидим, должна учитывать также общую теорию относительности.
В обычной жизни нам нет нужды беспокоиться об относительности времени, поэтому важно не делать глобальных философских или метафизических умозаключений, исходя из ограниченного объема данных, которые человек получает из повседневной реальности.
Философы и богословы не раз вводили понятие метафизического времени, куда больше похожего на то, что мы ощущаем в привычной жизни, однако эти версии не имеют никакого отношения к научным наблюдениям, равно как и не имеют рациональной основы за пределами области спекулятивного богословия. Научные модели в равной степени предполагают, что время по определению — это то, что измеряют часы, и оно относительно.
Определение времени и пространства
До недавних пор ход времени отмечали хорошо знакомые закономерности, такие как день, ночь и фазы Луны или, с большей точностью, видимые движения определенных звезд. Древние вавилоняне определили, что секунда составляет 1/86400 суток. При составлении современных календарей мы все еще опираемся на астрономическое время и используем григорианский календарь, введенный в 1582 году, длительность года в котором составляет 365,2425 дня (см. главу 2). С развитием науки длительность секунды несколько раз пересчитывали, чтобы сделать эту единицу измерения более пригодной для лабораторных расчетов.
