Все относительно

Прежде чем идти дальше, скажем несколько слов о теории относительности Эйнштейна. Ее значение фундаментально для новейших успехов естествознания, особенно для физики и астрономии, и она же оказала решающее воздействие на все наше мышление. Ее утверждения были подтверждены большей частью физическими измерениями и опытами, не в последнюю очередь в области атомной физики.

Труды Альберта Эйнштейна разделяются на два периода. Сперва он сформулировал специальную теорию относительности (1905 год) и только несколько лет спустя построил общую теорию относительности. Эта последняя исключительно сложна и труднодоступна даже для сильных математиков. Мы не сможем, следовательно, проникнуть в глубь основания и содержания этой теории, но попробуем описать некоторые из ее следствий.

Теория Эйнштейна основана на принципе относительности, введенном Эрнстом Махом. Согласно этому принципу, никакое движение не может измеряться относительно пустого пространства (так называемое абсолютное движение), но движение любого тела обязательно описывается по отношению к другому телу. Всякое движение относительно.

Звук, например, перемещается с постоянной скоростью относительно воздуха, поскольку он зависит от колебаний газовых молекул. Если же воздух движется относительно земной поверхности, то скорость воздушного потока будет либо замедлять, либо ускорять звук. Известно, что над земной поверхностью звук движется быстрей по ветру, чем против ветра. Но скорость звука относительно воздуха остается постоянной.

Для прохождения света не требуется материальной среды. Лучи света без затруднений распространяются в вакууме (пустоте). Следовательно, скорость света в мировом пространстве не может измеряться относительно материала или тел, образующих среду.

Но тогда с чем же можно соотнести скорость света? С пустым пространством? В таком случае скорость, скажем, вращения земли вокруг солнца будет либо увеличивать, либо убавлять величину скорости света, в зависимости от того, как ее измеряют — по ходу вращения или против него. Иными словами, от разных способов измерения следует ожидать различных результатов.

Опыты, однако, показали, что скорость света не меняется оттого, что ее меряют по движению или против движения земли. Следовательно, скорость света не соотносится с какой-нибудь неподвижной точкой пустого пространства.

Установлено, что скорость света в пустоте постоянна. Ее величина неизменна относительно любого тела, независимо от того, в каком направлении и с какой скоростью движется это тело. Скорость света — универсальная константа. Это открытие было величайшей сенсацией.

Теория относительности придает решающее значение этому замечательному свойству света.

Чтобы объяснить постоянство скорости света, естествознанию пришлось пойти на революционный шаг и предложить новое истолкование понятий пространства и времени. Измеряемое пространство и время более не считаются постоянными, а признаются зависящими от относительного движения объекта и наблюдателя.

Из теории относительности следует, что скорость света — предел скорости для любого тела. Ничто не может двигаться быстрее света. Скорость света обладает абсолютной характеристикой. Эта немыслимая быстрота не достигается столь привычным в классической механике способом сложения скоростей. Только специальная формула дает верное значение, которое никогда не превосходит предела в 300 000 км/сек.

Физика описывает тело, указывая на количество его материи — массу, то есть на то, сколько оно весит. Под энергией подразумевается способность тела или системы тел производить работу. Различные формы энергии — механическая, тепловая, химическая, электрическая, радиационная и прочие — могут переходить одна в другую. Физики считают, что общее количество энергии во вселенной постоянно.

Далее из теории относительности следует, что масса и энергия суть эквивалентные величины (то есть имеют общую меру). Это значит, что всякий род энергии обладает массой и что всякая материя, имея массу, представляет собой также и энергию.

Масса, представляющая энергию, может перейти в иной род энергии, показателем такого перехода будет исключительно большая величина — квадрат скорости света. Обозначив массу энергии через т, скорость света через с и соответствующее количество энергии через Е, мы сможем выразить соотношение массы и энергии формулой Е = тс².

Из этой формулы видно, что масса одного грамма вещества содержит 25 миллионов киловатт-часов энергии.

При всякой передаче энергии одновременно происходит изменение массы. Но только в особых случаях — при внутриядерных реакциях — энергетические преобразования достаточно велики, чтобы изменения массы стали измеримы.

Космос

В этом небольшом разделе мы не будем обсуждать множество разнообразных гипотез, предложенных для объяснения происхождения и развития Вселенной.

В наши дни имеется много надежных средств для изучения Вселенной. Все они, независимо друг от друга, указывают на то, что Вселенная не всегда существовала. Это значит, что у нее была, можно сказать, начальная дата. Ученые высчитали, что Вселенная существует несколько миллиардов лет, скорей всего 15—18, или несколько больше, но в любом случае их число ограничено.

Согласно теории «большого взрыва», одной из самых признанных в наше время, развитие Вселенной началось колоссальным взрывом и расширение ее продолжается и поныне. Эту теорию первыми предложили астрофизики Ганс Бете и Джордж Гамов. Большинство современных астрономов придерживается тех же взглядов.

Итак, наша Вселенная существовала не всегда. Она однажды возникла и с тех пор расширяется, поскольку все звездные системы удаляются друг от друга.

Это разбегание подтверждается эффектом Доплера. Когда светящееся тело удаляется от наблюдателя, то спектральные полосы его света смещаются к красному краю спектра. Именно это происходит со свечением звездных систем и галактик, притом, чем отдаленнее галактика, тем сильнее красное смещение, то есть, очевидно, тем больше скорость ее удаления от нас.