Акт VI. Повторное рассмотрение теоретической ситуации

Эйнштейн сказал себе: «За исключением результата, вся ситуация в эксперименте Майкельсона представляется абсолютно ясной; кажутся понятными все действующие факторы и их взаимосвязь. Но в самом ли деле они понятны? Действительно ли я понимаю структуру ситуации в целом, в особенности в связи с этим критическим результатом?» В это время он часто находился в подавленном состоянии, иногда его охватывало отчаяние, но его направляли очень сильные векторы.

Горячо желая понять, ясна ли ему эта ситуация, он вновь и вновь обращается к существенным моментам эксперимента Майкельсона, особенно к его центральному пункту — измерению скорости света в условиях движения всей экспериментальной установки в критическом направлении. Просто так ситуация не прояснялась. Он чувствовал, что чего-то не хватает, но не мог понять, чего именно, не мог даже сформулировать проблему. Он чувствовал, что эта проблема глубже, чем противоречие между реальным, и ожидаемым результатом Майкельсона.

Он чувствовал, что определенная часть структуры целостной ситуации недостаточно ясна ему, хотя до сих пор она без всяких возражений принималась всеми физиками, в том числе и им самим. Он действовал примерно так. В случае критического движения измеряют время. «Хорошо ли я понимаю, — спросил он себя, — связь, внутреннюю связь между измерением времени и движением? Хорошо ли я понимаю, как в такой ситуации измеряют время?» И для него этот вопрос относился не только к эксперименту Майкельсона, тут были поставлены на карту более фундаментальные принципы.

Акт VII. Позитивные шаги на пути к пониманию

Эйнштейну пришло в голову, что измерения времени предполагают одновременность событий. Что можно сказать об одновременности в случае такого движения? Прежде всего, что означает одновременность событий, которые происходят в разных местах?

Он сказал себе: «Когда два события происходят в одном и том же месте, я ясно понимаю, что означает их одновременность. Например, я вижу, как два мяча попали в одну и ту же цель в одно и то же время. Но... понимаю ли я, что такое одновременность, когда она относится к событиям, происходящим в разных местах? Что значит, когда говорят, что событие, происшедшее в моей комнате, произошло одновременно с другим событием в-каком-то отдаленном месте? Конечно, я могу использовать понятие одновременности для описания событий, происходящих в разных местах, так же как использую era для описания событий, происходящих в одном и том же месте, — но вправе ли я это сделать? Разве первый случай так же ясен мне, как и второй?.. Нет!»

О том, что произошло в мышлении Эйнштейна дальше, мы, к счастью, можем рассказать, используя отрывки из его собственных сочинений1. Они написаны в форме разговора с читателем. То, что Эйнштейн рассказывает здесь читателю, напоминает ход его мышления: «В двух весьма удаленных друг от друга местах А и В нашего железнодорожного полотна в рельсы ударила молния. Кроме того, я утверждаю, что оба эти удара произошли одновременно. Если теперь я спрошу тебя, читатель, имеет ли какой-либо смысл это последнее утверждение, то ты уверенно ответишь мне: «Да». Однако, если я попрошу тебя более точно объяснить мне смысл этого моего утверждения, то после некоторого размышления ты заметишь, что ответ на этот вопрос не так прост, как это кажется на первый взгляд. Через некоторое время тебе, быть может, придет в голову следующий ответ: «Смысл этого утверждения ясен сам по себе и не нуждается в дальнейших объяснениях; однако я должен несколько подумать, получив предложение определить путем наблюдений, происходят ли в данном конкретном случае оба явления одновременно» (с. 541).

Теперь я приведу пример, который Эйнштейн предложил в ходе обсуждения. Предположим, что кто-то употребил слово «горбун». Чтобы это понятие имело какой-нибудь ясный смысл, должен существовать какой-то способ определения того, «есть у человека горб или нет. Если я не могу придумать, как это можно установить, то слово «горбун» для меня не будет обладать реальным смыслом.

Аналогично обстоит дело, — продолжает Эйнштейн, — со всеми физическими утверждениями, в которых играет роль понятие «одновременность». Это понятие существует для физика лишь в том случае, если имеется возможность найти в конкретном случае, соответствует ли действительности это понятие. 

Следовательно, необходимо такое определение одновременности, которое дало бы метод, позволяющий в каждом данном случае решить на основании экспериментов, вспыхивают ли обе молнии одновременно. Пока это требование не выполнено, я как физик (так же как и нефизик) впадаю в самообман, связывая какой-то смысл с утверждением одновременности. (Не читай дальше, любезный читатель, прежде чем ты не согласишься с этим вполне.)

После некоторых размышлений ты предлагаешь следующий способ констатировать одновременность. Отрезок АВ измеряется вдоль рельсового пути и в середине М отрезка находится наблюдатель, снабженный устройством (например, двумя зеркалами, расположенными под углом 90° друг к другу), которое позволяет ему  наблюдать одновременно оба места, А и В. Если наблюдатель воспринимает обе молнии одновременно, то они произошли одновременно».

Одновременность удаленных событий приобретает здесь смысл на основании четкой одновременности событий в одном и том же месте. (Этот момент связан с другими проблемами, которыми мы здесь не занимаемся. Отсылаем читателя к указанной работе Эйнштейна).

Все эти шаги были совершены не в процессе выяснения этого конкретного вопроса, но являлись частью попытки понять упомянутую выше внутреннюю связь, решить проблему измерения скорости в этом критическом случае. В случае с зеркалами это просто означало: «Что произойдет, если в то время, как лучи приближаются к зеркалам, я буду двигаться вместе с ними, отдаляясь от одного источника света и приближаясь к другому? Очевидно, если два события кажутся одновременными человеку, находящемуся в покое, то для меня они не будут таковыми, поскольку я двигаюсь вместе с зеркалами. Наши утверждения должны отличаться друг от друга. Таким образом, мы видим, что наши заявления об одновременности подразумевают, в сущности, ссылку на движение наблюдателя. Если я хочу, чтобы одновременность событий, происходящих в удаленных друг от друга местах, имела какой-то смысл, то, сравнивая мои суждения с суждениями другого наблюдателя, я должен принять во внимание наше относительное движение. Определяя «одновременность в разных местах», я должен учитывать относительное движение наблюдателя.

Повторяю: представим себе, что я со своими зеркалами еду в поезде, который движется по прямой с постоянной скоростью. На некотором расстоянии происходят две вспышки молнии, одна вблизи паровоза, другая около хвоста поезда; мое двойное зеркало находится как раз? посередине. Будучи пассажиром, я пользуюсь поездом как своей системой отсчета, я отношу эти события к поезду. Допустим, что как раз в момент удара молнии возле железнодорожного полотна стоит человек, тоже со сдвоенными зеркалами, и что в этот момент наши положения совпадают. Что буду наблюдать я и что — он?

Когда мы говорим об ударах молнии одновременных относительно полотна дороги, то это теперь означает, что световые лучи, исходящие из двух равноудаленных точек, одновременно достигают зеркал человека, стоящего у полотна. Но если положение моих движущихся зеркал совпадает в момент вспышки молнии с положением его зеркал, то лучи не придут к моим зеркалам строго в один и тот же момент времени по причине моего движения. События, одновременные относительно полотна железной дороги, не являются одновременными по отношению к поезду и наоборот (относительность одновременности). Всякое тело отсчета (система координат) имеет свое особое время; указание времени имеет смысл лишь тогда, когда указывается тело отсчета, к которому оно относится».

Всегда казалось простым и ясным, что «разница во времени» между двумя событиями является «фактом», независимым от других факторов, таких, как движение системы. Но не является ли утверждение, что «разница во времени между двумя событиями не зависит от движения системы», в действительности произвольным допущением? Оно, как мы видели, не выполняется для одновременных событий, происходящих в различных местах, и его, следовательно, нужно отвергнуть. Для того чтобы измерить временной интервал, мы должны воспользоваться часами или их эквивалентом и фиксировать определенные совпадения в начале и в конце интервала. Вот почему с одновременностью возникают трудности. Мы не можем догматически допустить, что продолжительность некоторого события в системе отсчета поезда совпадает со временем в системе отсчета железнодорожного полотна. Это относится и к измерению расстояния в пространстве! Если я попытаюсь точно измерить длину машины, отмечая положение ее краев на дороге, то я должен, делая отметку у одного конца, позаботиться о том, чтобы машина не пришла в движение, прежде чем я не перейду к другому концу. Пока я явным образом не приму во внимание такую возможность, мои измерения будут неверными.

Следовательно, я должен заключить, что в каждом таком измерении следует учитывать движение системы. Ибо наблюдатель в движущейся системе получит результаты, которые будут отличаться от результатов наблюдателя в другой системе отсчета. «В каждой системе есть свои особые значения времени и пространственных координат. Временные и пространственные измерения имеют смысл только тогда, когда мы знаем, к какой системе отсчета относятся наши измерения». Мы должны изменить старую точку зрения: измерения временных и пространственных интервалов не независимы от условий движения системы относительно наблюдателя.

Старая точка зрения веками почиталась за «истину». Усомнившись в ней, Эйнштейн пришел к выводу, что измерения времени и пространства зависят от движения системы.