Чем отличается общая теория относительности от специальной?

Специальная теория относительности (СТО) (частная теория относительности; релятивистская механика) -- теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

Общая теория относительности - геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915--1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

Приведите экспериментальные подтверждения верности теории Эйнштейна.

Доказательства ОТО

Эффекты, связанные с ускорением систем отсчёта

Первый из этих эффектов -- гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся. Данный эффект был непосредственно подтверждён в эксперименте Хафеле -- Китинга, а также в эксперименте Gravity Probe A и постоянно подтверждается в GPS.

Непосредственно связанный с этим эффект -- гравитационное красное смещение света. Под этим эффектом понимают уменьшение частоты света относительно локальных часов (соответственно, смещение линий спектра к красному концу спектра относительно локальных масштабов) при распространении света из гравитационной ямы наружу (из области с меньшим гравитационным потенциалом в область с большим потенциалом)/

Гравитационное замедление времени влечёт за собой ещё один эффект, названный эффектом Шапиро (также известный как гравитационная задержка сигнала). Из-за этого эффекта в поле тяготения электромагнитные сигналы идут дольше, чем в отсутствие этого поля. Данное явление было обнаружено при радиолокации планет солнечной системы и космических кораблей, проходящих позади Солнца, а также при наблюдении сигналов от двойных пульсаров.

Самая известная ранняя проверка ОТО стала возможна благодаря полному солнечному затмению 1919 года. Артур Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО.

Искривление пути света происходит в любой ускоренной системе отсчёта. Детальный вид наблюдаемой траектории и гравитационные эффекты линзирования зависят, тем не менее, от кривизны пространства-времени. Эйнштейн узнал об этом эффекте в 1911 году, и когда он эвристическим путём вычислил величину кривизны траекторий, она оказалась такой же, какая предсказывалась классической механикой для частиц, движущихся со скоростью света. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что на самом деле в ОТО угловой сдвиг направления распространения света в два раза больше, чем в ньютоновской теории, в отличие от предыдущего рассмотрения. Таким образом, это предсказание стало ещё одним способом проверки ОТО.

С 1919 года данное явление было подтверждено астрономическими наблюдениями звёзд в процессе затмений Солнца, а также с высокой точностью проверено радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров, проходящих вблизи Солнца во время его пути по эклиптике.

Наконец, у любой звезды может увеличиваться яркость, когда перед ней проходит компактный массивный объект. В этом случае увеличенные и искажённые из-за гравитационного отклонения света изображения дальней звезды не могут быть разрешены (они находятся слишком близко друг к другу) и наблюдается просто повышение яркости звезды. Этот эффект называют микролинзированием, и он наблюдается теперь регулярно в рамках проектов, изучающих невидимые тела нашей Галактики по гравитационному микролинзированию света от звёзд -- МАСНО, EROS (англ.) и другие.

Орбитальные эффекты

ОТО корректирует предсказания ньютоновской теории небесной механики относительно динамики гравитационно связанных систем: Солнечная система, двойные звёзды и т. д.

Первый эффект ОТО заключался в том, что перигелии всех планетных орбит будут прецессировать, поскольку гравитационный потенциал Ньютона будет иметь малую релятивистскую добавку, приводящую к формированию незамкнутых орбит. Это предсказание было первым подтверждением ОТО, поскольку величина прецессии, выведенная Эйнштейном в 1916 году, полностью совпала с аномальной прецессией перигелия Меркурия. Таким образом была решена известная в то время проблема небесной механики.

Позже релятивистская прецессия перигелия наблюдалась также у Венеры, Земли, астероида Икар и как более сильный эффект в системах двойных пульсаров. За открытие и исследования первого двойного пульсара PSR B1913+16 в 1974 году Р. Халс и Д. Тейлор получили Нобелевскую премию в 1993 году.

Доказательство СТО

Специальная теория относительности лежит в основе всей современной физики. Поэтому, какого-либо отдельного эксперимента, «доказывающего» СТО нет. Вся совокупность экспериментальных данных в физике высоких энергий, ядерной физике, спектроскопии, астрофизике, электродинамике и других областях физики согласуется с теорией относительности в пределах точности эксперимента. Например, в квантовой электродинамике (объединение СТО, квантовой теории и уравнений Максвелла) значение аномального магнитного момента электрона совпадает с теоретическим предсказанием с относительной точностью 10 ? 9.

Фактически СТО является инженерной наукой. Её формулы используются при расчёте ускорителей элементарных частиц. Обработка огромных массивов данных по столкновению частиц, двигающихся с релятивистскими скоростями в электромагнитных полях, основана на законах релятивистской динамики, отклонения от которых обнаружено не было. Поправки, следующие из СТО и ОТО, используются в системах спутниковой навигации (GPS). СТО лежит в основе ядерной энергетики, и т. д.

Специальная теория относительности . Специальная теория относительности (СТО), опубликованная Эйнштейном в 1905 году, описывает релятивистские процессы и явления и проявляется при скорости движения, близкой к скорости света. Для создания СТО Эйнштейн принял два постулата : 1) скорость света во всех инерциальных системах отсчета остается постоянной; 2) законы природы во всех инерциальных системах отсчета инвариантны (одинаковы). Кроме того, он применил преобразования нидерландского физика-теоретика Хендрика Лоренца .

Взаимосвязь пространства и времени, проявляется в четырехмерном пространстве-времени. Этот взаимосвязь наглядно отражается в формуле расстояния (s) между двумя событиями в четырехмерном пространстве:

где - время, ∆ℓ - расстояние между двумя точками в трехмерном пространстве.

Преобразование Лоренца также содержит взаимосвязь между пространством и временем в виде взаимосвязи между координатами не движущих (К) и движущих (К 1) системам отсчетов х 1 = γּ(х─ ) и t 1 = γּ(t─ ), где γ = 1/ - называется релятивистским коэффициентом . Выражения для γ Лоренц находил исходя из линейности преобразования и постоянства скорости света в движущихся (К 1) и не движущихся (К) системах отсчетов.

Пользуясь преобразованием Лоренца, Эйнштейн создал ОТО, согласно которой длина движущегося тела сокращается по закону:

Масса тела, движущегося со скоростью , возрастет по закону:

Течение времени движущихся часов замедляется по закону:

τ = τ 0 ּ ,

Следующий пример более наглядно показывает замедление времени при движениях с большими скоростями. Допустим, стартовал космический корабль со скоростью 0,99 км/с и вернулся через 50 лет. Согласно СТО, по часам космонавта этот полет продолжался всего лишь один год. Если космонавт в возрасте 20 лет оставил на Земле только что родившегося сына, то 50 летний сын будет встречать 21-летнего отца.

В СТО получена следующая формула заменяющая закона суммирование скоростей :

1 = ( +u)/(1+ u/c 2) ,

если тело движется со скоростью света =с. и система отсчета движется со скоростью света u=c , тогда получим: 1 =с . Следовательно, скорость света осталась постоянной, независимо от скорости движения системы отсчета.

Общую теорию относительности . В системах отсчета движущихся с ускорением, не выполняются ни принцип инерции, ни законы механики. Возникла необходимость создать теорию, описывающую движения тела в неинерциальных системах отсчета. Эту задачу выполнил Эйнштейн, создавая общую теорию относительности (ОТО).

В ОТО Эйнштейн распространяет принцип относительности на неинерциальные системы отсчета. Он исходит из того, что эквивалентны гравитационные и инерциальные массы тела. Еще в 1890 году венгерским физиком Л. Этвешем была подтверждена с высокой точностью эквивалентность гравитационной и инерциальной массы тела до 10 -9 . Это утверждение об эквивалентности гравитационной и инерциальной массы было положено в основу ОТО.

ОТО показала, что пространство около концентрации масс, искривлено и имеет характер пространства Римана. ОТО заменяет закон всемирного тяготения Ньютона с релятивистским законом тяготения Эйнштейна, от которого в частном случае вытекает закон Ньютона. В 1919 и 1922 гг. при затмении Солнца изучалось отклонение луча , приходящего от далеких звезд, от прямолинейности в поле тяготения Солнца. Опыты показали искривленность пространства около Солнца и тем самым доказали правильность ОТО.

ОТО описывает релятивистские законы тяготения, как воздействие материи на свойства пространства и времени. А свойства пространства и времени влияют на физические процессы, протекающие в них. Поэтому движение материальной точки в четырехмерном пространстве происходит по геодезической линии искривленного пространства. Следовательно, уравнение движения материальной точки описывает геодезическую линию искривленного пространства. Эйнштейн нашел это уравнение. Оно состоит из 10 уравнений . В этих уравнениях гравитационное поле описывается при помощи 10 потенциалов полей. Математический аппарат ОТО сложен, почти все задачи, связанные с ОТО, пока что не решаемы, кроме простейших. Поэтому ученые до сих пор пытаются разобраться в смыслах ОТО.

СПЕЦИАЛЬНАЯ И ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Одним из наиболее важных аспектов современной физики, которые имеют прямое отношение к нашему анализу теологии, является понятие времени - его происхождение и отсутствие единой, или постоянной и неизменяемой, меры его течения. Ввиду важности хронологии в деле интерпретации Библии весьма существенно попытаться понять, как теория относительности трактует наше восприятие Вселенной, ее возраста и всего того, что в ней происходит. время относительность квантовый фотон

Трудно назвать другую теорию, которая оказала бы столь глубокое влияние на наше понимание мира и его сотворение, как теория относительности (как специальная, так и общая). До появления этой теории время всегда рассматривалось как категория абсолютная. Время, прошедшее от начала до завершения какого-либо процесса, считалось не зависящим от того, кто измерял его продолжительность. Еще 300 лет назад Ньютон сформулировал это убеждение весьма красноречиво: «Абсолютное, истинное и математическое время, само по себе и в силу своей природы, течет равномерно и независимо от каких-либо внешних факторов». Более того, время и пространство рассматривались как несвязанные категории, никак не влияющие друг на друга. И в самом деле -- какая иная связь могла существовать между расстоянием, разделяющим две точки пространства, и течением времени, помимо того факта, что большее расстояние требовало большего времени на его преодоление; простая и чистая логика.

Концепции, предложенные Эйнштейном в специальной теории относительности (1905), а затем и в общей теории относительности (1916), изменили понимание пространства и времени столь же коренным образом, как свет включенной лампы изменяет наше восприятие прежде затемненной комнаты5.

Долгий путь к озарению Эйнштейна начался в 1628 году, когда Иоганн Кеплер обнаружил любопытное явление. Он заметил, что хвосты комет всегда направлены в противоположную Солнцу сторону. Прочерчивающие ночное небо падающие звезды обладают хвостом, полыхающим, как ему и положено, позади. Точно так же тянется хвост за кометой, когда она приближается к Солнцу. Но после того, как комета минует Солнце и начинает свой обратный полет в дальние области солнечной системы, ситуация изменяется самым драматическим образом. Хвост кометы оказывается впереди ее основного тела. Эта картина решительно противоречит самому понятию хвоста! Кеплер предположил, что положение хвоста кометы относительно ее основного тела определяется давлением солнечного света. Хвост имеет меньшую плотность, чем сама комета, и поэтому он больше поддается давлению солнечного излучения, чем основное тело кометы. Излучение солнца фактически дует на хвост и отталкивает его в направлении от Солнца. Если бы не гравитационное притяжение основного тела кометы, мельчайшие частицы, составляющие хвост, унесло бы прочь. Открытие Кеплера было первым указанием на то, что излучение - например, свет - может обладать механической (в данном случае отталкивающей) силой. Эта было очень важное изменение нашего представления о свете, ибо отсюда вытекает, что свет, считавшийся всегда чем-то нематериальным, обладает, возможно, весом или массой. Но лишь 273 года спустя, в 1901 году, давление, оказываемое потоком света, было измерено. Э.Ф. Николс и Дж.Ф. Халл, направив мощный пучок света на зеркало, подвешенное в вакууме, измерили смещение зеркала в результате давления света. Это была лабораторная аналогия кометного хвоста, отталкиваемого солнечным светом.

В 1864 году, исследуя открытия Майкла Фарадея, касающиеся электричества и магнетизма, Джеймс Кларк Максвелл предположил, что свет и все остальные виды электромагнитного излучения движутся в пространстве, как волны с одной и той же фиксированной скоростью7. Микроволны в микроволновой печи на нашей кухне, свет, при котором мы читаем, рентгеновские лучи, позволяющие врачу увидеть сломанную кость, и гамма-лучи, высвобождаемые при атомном взрыве, - все они представляют собой электромагнитные волны, отличающиеся друг от друга только длиной волны и частотой. Чем больше энергия излучения, тем меньше длина волны и выше частота. Во всем остальном они идентичны.

В 1900 году Макс Планк предложил теорию электромагнитного излучения, которая коренным образом отличалась от всех предыдущих. До этого считалось, что энергия, излучаемая нагретым объектом, например красное свечение раскаленного металла, испускается равномерно и непрерывно. Предполагалось также, что процесс излучения продолжается до полного рассеяния всего тепла и возвращения объекта к его первоначальному состоянию - и это вполне подтверждалось охлаждением нагретого металла до комнатной температуры. Но Планк показал, что дело обстоит совсем иначе. Энергия испускается не равномерным и непрерывным потоком, а дискретными порциями, как если бы раскаленный металл отдавал свое тепло, извергая из себя поток крохотных горячих частиц.

Планк предложил теорию, согласно которой эти частицы представляют собой единичные порции излучения. Он назвал их «квантами», и вот так появилась на свет квантовая механика. Поскольку любое излучение движется с одинаковой скоростью (скоростью света), скорость движения квантов должна быть той же самой. И хотя скорость всех квантов одинакова, не все они обладают одинаковой энергией. Планк предположил, что энергия индивидуального кванта пропорциональна частоте его колебаний в процессе его движения сквозь пространство, подобно крохотному резиновому мячу, который непрерывно сжимается и расширяется, летя по своей траектории. В видимом диапазоне наши глаза могут измерить частоту пульсаций кванта, и мы называем эту меру цветом. Именно благодаря квантованному испусканию энергии слегка нагретый объект начинает светиться красным цветом, затем, по мере подъема температуры, он начинает испускать и другие цвета спектра, соответствующие более высоким энергиям и частотам. В конце концов, его излучение превращается в смесь всех частот, которое мы воспринимаем как белый цвет раскаленного тела.

И вот здесь мы упираемся в парадокс - та самая теория, которая описывает свет как поток частиц, называемых квантами, одновременно описывает энергию света с помощью частоты (см. рис. 1). Но частота ассоциируется с волнами, а не с частицами. Кроме того, мы знаем, что скорость света всегда постоянна. Но что произойдет, если объект, испускающий свет, или наблюдатель, регистрирующий этот свет, движется сам? Будет ли скорость их движения прибавляться к скорости света или вычитаться из нее? Логика говорит нам, что да, должна прибавляться или вычитаться, но тогда скорость света не будет постоянной! Давление, которое оказывает свет на хвост кометы или на зеркало в опыте Николса - Халла, означает, что происходит изменение количества движения (называемого также импульсом) света при его столкновении с поверхностью. Именно по этой причине любой движущийся объект оказывает давление на препятствие. Струя воды из шланга гонит мяч по земле, потому что у воды есть масса и эта масса обладает скоростью, превращающейся в ноль в момент удара струи по мячу. При этом импульс воды передается мячу и мяч откатывается. Само определение импульса (количества движения) как произведения массы (т) или веса объекта на скорость его движения (v), или mv, требует, чтобы у движущегося света была масса. Каким-то образом эти волнообразные частицы света обладают массой, хотя на поверхности, на которую падает свет, не остается никаких материальных следов. После того как свет «пролился» на поверхность, на ней не остается никакой «грязи», от которой ее можно было бы очистить. До сих пор мы все еще пытаемся создать единую теорию, которая объяснила бы полностью этот феномен света и любого другого излучения.

Одновременно с изучением природы лучистой энергии проводились исследования, относящиеся к распространению света. Представлялось вполне логичным, что, поскольку свет и другие виды электромагнитного излучения являются, в определенном смысле, волнами, они нуждаются в некоей среде, в которой эти волны могли бы распространяться. Считалось, что волны не могут распространяться в вакууме. Точно так же, как звук нуждается в определенной материальной субстанции, например, воздухе, для переноса его волнообразной энергии, так и свету, казалось, требуется какая-то специальная субстанция для его распространения. В свое время было выдвинуто предположение, что Вселенная должна быть заполнена невидимой и неосязаемой средой, которая и обеспечивает передачу энергии излучения через космическое пространство - например, света и тепла от Солнца к Земле. Эта среда была названа эфиром, который, как предполагалось, заполняет даже вакуум космоса.

Постулат о распространении света сквозь эфир позволял объяснить парадокс постоянства его скорости. В соответствии с этим объяснением свет должен распространяться с постоянной скоростью не относительно источника света или наблюдателя, а относительно этого вездесущего эфира. Для наблюдателя, движущегося сквозь эфир, свет мог бы распространяться быстрее или медленнее в зависимости от направления его перемещения относительно направления движения света, но относительно неподвижного эфира скорость света должна оставаться постоянной.

Рис. 1.

Точно так же обстоит дело с распространением звука. Звук движется сквозь неподвижный воздух на уровне моря с постоянной скоростью около 300 метров в секунду независимо от того, движется источник звука или нет. Похожий на взрыв звук, издаваемый самолетом при переходе им звукового барьера, является на самом деле результатом удара самолета о свою собственную звуковую волну в тот момент, когда он обгоняет ее, двигаясь со скоростью быстрее 300 метров в секунду. В этом случае источник звука, самолет, движется быстрее, чем звук, который он производит. Двойная природа света такова, что если мы ставим на его пути отверстие небольшого диаметра, свет ведет себя точно так же, как океанская волна, проходящая через узкий вход в гавань. И свет, и океанская волна, пройдя через отверстие, распространяются по другую сторону от отверстия кругами. С другой стороны, если свет освещает поверхность какого-нибудь металла, он ведет себя, как поток мельчайших частиц, бомбардирующих эту поверхность. Свет выбивает из металла электроны по одному точно так же, как мелкие дробины, ударяя в бумажную мишень, будут вырывать из нее клочки бумаги, по одному клочку на дробину. Энергия световой волны определяется ее длиной. Энергия световых частиц определяется не их скоростью, а частотой, с которой частицы света - фотоны - пульсируют в процессе своего движения со скоростью света.

Когда ученые обсуждали предполагаемые свойства эфира, который еще нужно было ухитриться обнаружить, никто не подозревал, что течение времени связано с движением света. Но это открытие было уже не за горами.

В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли опубликовали результаты своей попытки экспериментального наблюдения того, что вытекало из теории эфира8. Они сравнили суммарное время, необходимое свету для прохождения одного и того же расстояния туда и обратно в двух направлениях -- параллельно и перпендикулярно движению Земли по ее орбите вокруг Солнца. Поскольку Земля двигается по своей орбите вокруг Солнца со скоростью примерно 30 километров в секунду, предполагалось, что с той же скоростью она движется относительно эфира. Если световое излучение подчиняется тем же законам, которые управляют всеми другими волнами, движение Земли относительно эфира должно было повлиять на время прохождения света, измерявшееся в их экспериментах. Это влияние не должно было отличаться ничем от воздействия сильного ветра, уносящего звук.

Ко всеобщему удивлению, Майкельсон и Морли не зафиксировали ни малейшего следа воздействия этой скорости в 30 километров в секунду. Первоначальный эксперимент, так же как и последующие, технически более совершенные варианты того же опыта привели к совершенно неожиданному выводу - движение Земли не оказывает никакого влияния на скорость света.

Это вызвало замешательство. Скорость света (с) неизменно равна 299 792,5 километра в секунду вне зависимости от того, движется ли источник света, или наблюдатель или они неподвижны. Вдобавок к этому один и тот же луч света ведет себя и как волна, и как частица в зависимости от способа наблюдения. Дело обстояло так, как если бы мы стояли на причале и наблюдали за волнами, накатывающимися из океана, и вдруг, в мгновение ока, обычные гребни волн и впадины между ними превращались бы в поток отдельных водяных шаров, двигающихся, пульсируя, в воздухе над самым уровнем моря. А в следующее мгновение шары исчезали бы и вновь появлялись бы волны.

В 1905 году, в разгар этого замешательства, на научной сцене появился Альберт Эйнштейн со своей теорией относительности. В течение того года Эйнштейн опубликовал серию статей, которые в самом буквальном смысле изменили представление человечества о нашей Вселенной. За пять лет до этого Планк предложил квантовую теорию света. Используя теорию Планка, Эйнштейн смог объяснить интереснейшее явление. Свет, попадая на поверхность некоторых металлов, высвобождает электроны, в результате чего возникает электрический ток. Эйнштейн постулировал, что этот «фотоэлектрический» эффект является следствием того, что кванты света (фотоны) буквально выбивают электроны из их орбит вокруг атомного ядра. Оказывается, фотоны обладают массой тогда, когда они движутся (вспомним, что они движутся со скоростью света с), но их «масса покоя» равна нулю. Движущемуся фотону присущи свойства частицы - в каждый момент он находится в определенной точке пространства и к тому же обладает массой, и поэтому, как в свое время предположил Кеплер, может действовать на материальные объекты, например хвост кометы; в то же время ему присущи свойства волны - он характеризуется частотой колебаний, которая пропорциональна его энергии. Получалось так, что материя и энергия связаны в фотоне теснейшим образом. Эйнштейн открыл эту связь и сформулировал ее в получившем всеобщую известность уравнении. Эйнштейн пришел к выводу, что это уравнение применимо ко всем видам массы и формам энергии. Эти положения стали основой специальной теории относительности.

Восприятие этих идей оказывается не столь простым делом и требует немалых умственных усилий. Например, возьмем некий объект. Масса (то, что мы обычно называем «весом») неподвижного объекта называется, в терминах науки, массой покоя. Теперь дадим этому объекту сильный толчок. Он начнет двигаться с некоей скоростью и вследствие этого приобретет кинетическую энергию, тем большую, чем выше его скорость. Но поскольку е в Е=тс2 относится ко всем формам энергии, полная энергия объекта будет складываться из энергии покоя (связанной с массой покоя) и его кинетической энергии (энергии его движения). Другими словами, уравнение Эйнштейна требует, чтобы масса объекта фактически возрастала с ростом его скорости.

Итак, согласно теории относительности, масса объекта изменяется с изменением его скорости. При малых скоростях масса объекта практически не отличается от массы покоя. Именно поэтому в нашей повседневной деятельности ньютонового описания законов природы оказывается достаточно точным. Но для галактик, стремительно несущихся сквозь космическое пространство, или для субатомных частиц в ускорителе дело обстоит совершенно иначе. В обоих случаях скорость этих объектов может составлять большую долю от скорости света, и поэтому изменение их масс может быть весьма и весьма значительным.

Этот взаимообмен между массой и энергией весьма красноречиво обсуждается и Стивеном Уайнбергом в его книге «Три первые минуты», и Нахманидом в его комментариях на книгу «Бытие». Они оба говорят о дуализме массы-энергии, описывая первые минуты жизни Вселенной.

Специальная теория относительности основывается на двух постулатах: принципе относительности и постоянстве скорости света. Принцип относительности, постулированный Галилео Галилеем 300 лет назад, был уточнен Эйнштейном. Этот принцип утверждает, что все законы физики (которые суть не что иное как законы природы) действуют одинаково во всех системах, движущихся без ускорения, то есть равномерно и прямолинейно. Такие системы называются на языке физиков инерциальными системами отсчета.

Система отсчета определяет взаимоотношения наблюдателя с внешним миром. Принцип относительности говорит нам, что, находясь в инерциальной системе отсчета, мы не можем, пользуясь законами физики, установить, движется ли сама система, поскольку ее движение никак не сказывается на результатах измерений, производимых внутри системы. Именно поэтому мы не ощущаем движения тогда, когда летим с постоянной скоростью при спокойной погоде. Но, качаясь в кресле-качалке, мы оказываемся в неинерциальной системе отсчета; так как скорость и направление движения кресла-качалки постоянно меняются, мы можем ощутить наше движение.

Всем нам приходилось сталкиваться с примерами невозможности измерения абсолютного движения. Например, мы стоим перед светофором, и машина, стоящая перед нами, начинает медленно катиться назад. Или это мы катимся вперед? В первый момент трудно понять, кто именно движется. Наш поезд медленно и плавно начинает двигаться вдоль перрона. Очнувшись от дремы, мы замечаем, что поезд, стоящий на соседнем пути, начинает медленно перемещаться назад. Или по крайней мере нам кажется, что дело обстоит именно так. До тех пор пока наша система отсчета -- наша машина или поезд - не начинает двигаться с ускорением (перестав быть инерциальной системой), неясно, что движется и что находится в состоянии покоя.

Может показаться, что тут есть противоречие: Эйнштейн убеждал нас, что масса объекта является функцией его скорости, а теперь мы утверждаем, что не можем определить движение путем измерения того, как изменяется под его воздействием масса. Но здесь имеется весьма тонкое различие. Внутри инерциальной системы отсчета все величины остаются неизменными. Когда же они измеряются из другой системы отсчета, которая движется относительно первой, то значения размеров и массы изменятся. Если бы все части Вселенной двигались одинаково и равномерно, теория относительности не имела бы никакого отношения к теме нашего исследования. Но дело обстоит иначе. Именно возможность наблюдать одни и те же события из разных систем отсчета играет существенную роль в предпринимаемом нами библейском анализе космологии.

Второй элемент фундамента специальной теории относительности поддается пониманию с еще большим трудом. Можно даже сказать, что он непонятен до крайности. Он утверждает, что скорость света, с, является величиной постоянной (с = 2,997925 х 108 метров в секунду в вакууме - всегда) и одинаковой во всех системах отсчета. Этот факт выявился из результатов эксперимента Майкельсона - Морли. Если вы вдумаетесь в значение этого утверждения, вы сможете оценить всю его дерзость. Эйнштейн взял на себя смелость заявить, что вне зависимости от скорости перемещения наблюдателя по направлению к источнику света или от него скорость света остается равной все тому же с. Никакая другая форма движения (например, звуковая волна) не обладает таким свойством. Это выглядит в высшей степени нелогичным.

Если питчер (подающий в бейсболе. - Прим. перев.) бросает мяч кэтчеру (ловящий мяч в бейсболе. - Прим. перев.) со скоростью 90 миль в час, кэтчер видит мяч, приближающийся к нему со скоростью 90 миль в час. Теперь, если, в нарушение всяких правил, кэтчер бежит по направлению к питчеру со скоростью 20 миль в час, скорость мяча по отношению к кэтчеру будет равна 110 милям в час (90 + 20). Скорость мяча по отношению к питчеру будет равна, как и прежде, 90 милям в час. В следующий раз питчер, вместо того чтобы бросить мяч, показывает кэтчеру изображение мяча. Оно движется к кэтчеру со скоростью света (с), то есть примерно 300 миллионов метров в секунду. Быстроногий кэтчер в свою очередь, мчится по направлению к питчеру со скоростью, равной одной десятой от скорости света, то есть 30 миллионов метров в секунду. И что же этот наш кэтчер увидит? Изображение мяча, приближающегося к нему со скоростью 330 миллионов метров в секунду? Нет! Именно в этом заключается парадокс света - вызывающий сумятицу, раздражающий, подчас даже выводящий из себя, но в то же время освобождающий нас.

Кэтчер видит изображение мяча, приближающееся к нему в точности со скоростью света, 300 миллионов метров в секунду, даже если он бежит навстречу ему и тем самым прибавляет свою скорость к скорости света. Свет независимо от скорости движения наблюдателя по отношению к источнику света всегда движется со скоростью с. Всегда. А какую скорость движения изображения мяча фиксирует стоящий неподвижно питчер? Правильно, тоже с. Каким же образом два наблюдателя, один движущийся и второй стоящий неподвижно, фиксируют одну и ту же скорость света? Логика и здравый смысл утверждают, что это невозможно. Но относительность говорит, что такова реальность. И эта реальность была подтверждена в эксперименте Майкельсона -- Морли.

Оба наблюдателя регистрируют одну и ту же скорость света, потому что факт изменения массы, пространства и времени - каким-бы непостижимым он ни казался -- является фундаментальным законом релятивистской механики и той Вселенной, в которой мы с вами обитаем. Законы, управляющие этими изменениями, таковы, что внутри данной системы не происходит ничего, что казалось бы абсурдным. Тот, кто находится внутри нее, никаких изменений не отмечает. Но, наблюдая другую систему, движущуюся мимо нас, мы видим, что размеры объекта вдоль направления движения уменьшаются по отношению к тем же размерам объекта, когда он находится в состоянии покоя. Более того, часы, показывавшие точное время, когда они находились в состоянии покоя, двигаясь, начинают отставать по отношению к часам, «покоящимся» в нашей системе отсчета.

Сочетание постоянства скорости света и принципа относительности неотвратимо влечет за собой растяжение времени. Растяжение времени можно продемонстрировать с помощью мысленного эксперимента, подобного одному из тех, что использовались Эйнштейном при разработке им основных принципов теории относительности. Пример такого мысленного эксперимента приводят Тейлор и Уилер в своей классической книге «Физика пространства и времени»"0.

Рассмотрим две системы отсчета, из которых одна неподвижна, а другая движется. Неподвижная система -- это обычная физическая лаборатория. Вторая система представляет собой движущуюся с большой скоростью, совершенно прозрачную и проницаемую ракету, внутри которой находится экипаж, состоящий из абсолютно прозрачных и проницаемых ученых. Ракета, в силу ее полной прозрачности и проницаемости, может проходить сквозь нашу лабораторию, не вступая в какое бы то ни было взаимодействие с ней и ее содержимым. В лаборатории из точки А (рис. 2) происходит вспышка света, который движется по диагонали к зеркалу, находящемуся в точке М. Отраженный от зеркала свет также диагонально проходит к точке В. Время прибытия ракеты в лабораторию определяется таким образом, что в момент вспышки точка А ракеты совпадаете точкой А лаборатории. Пусть скорость ракеты будет такова, что точка А ракеты совпадет с точкой В лаборатории точно в тот момент, когда вспышка света достигнет точки В. Наблюдателям, находящимся в ракете, будет казаться, что свет, отправленный из точки ракеты А, проходит прямо к точке ракеты М и возвращается обратно в точку ракеты А. Поскольку скорость ракеты постоянна (она является инерциальной системой), люди в ракете не знают, что она движется.

Расстояние, пройденное светом, как оно воспринимается пассажирами ракеты, равно 2у (от точки А к точке М и обратно). Тот же путь света, видимый находящимися в лаборатории, представляет собой сумму двух сторон треугольника - от точки А к точке М и от точки М к точке В. Очевидно, этот путь должен быть больше, чем путь, видимый пассажирами ракеты. Мы можем точно подсчитать разницу между ними с помощью теоремы Пифагора. Таким образом, мы приходим к выводу, что путь света, наблюдаемый из ракеты, короче, чем путь света, наблюдаемый из лаборатории.

Рис. 2.

Вспомним, что скорость света в обеих системах одна и та же. Это один из твердо установленных фундаментальных принципов теории относительности. Известно также, что во всех случаях время, затраченное на перемещение, равно пройденному расстоянию, поделенному на скорость движения. Время, необходимое для преодоления 100 миль со скоростью 50 миль в час, равно двум часам. Поскольку скорость света как для ученых, находящихся в лаборатории, так и для ученых, перемещающихся в ракете, равна одному и тому же с, а расстояние, пройденное светом в лаборатории, больше, чем расстояние, пройденное им же в ракете, промежуток времени между вспышкой света в точке А и прибытием света в точку В должен быть больше в лаборатории, чем в ракете.

Произошло только одно событие. Была только одна вспышка света, и свет, наблюдавшийся в двух системах отсчета, совершал свой путь один раз. Тем не менее длительность этого события была различной при измерении ее в двух разных системах отсчета.

Это различие в измеряемом времени называется релятивистским растяжением времени, и именно это растяжение убедительно приводит в соответствие шесть дней Творения с 15 миллиардами лет космологии.

Концепции, лежащие в основе общей теории относительности, представляют собой развитие идей специальной теории относительности, но являются более сложными. В то время как специальная теория относительности имеет дело с инерциальными системами, общая теория относительности рассматривает как инерциальные, так и неинерциальные (ускоренные) системы. В неинерциальных системах внешние силы -- как, например, гравитационные - влияют на движение объектов. Особое релятивистское свойство гравитации, имеющее прямое отношение к исследуемой нами проблеме, заключается в том, что гравитация - так же как и скорость - вызывает растяжение времени. Одни и те же часы на Луне идут быстрее, чем на Земле, поскольку гравитация Луны слабее. Как мы увидим, гравитация играет решающую роль в примирении Творения и Большого Взрыва.

Силы гравитационного притяжения ощущаются точно так же, как силы, вызывающие ускорение. Например, в поднимающемся лифте мы ощущаем силу, с которой пол давит на наши ноги; она фактически толкает нас вверх вместе с лифтом. Это воспринимается как сила, которую мы бы почувствовали, стоя в неподвижном лифте, если бы каким-то образом внезапно выросло гравитационное притяжение Земли. Эйнштейн рассуждал, что, поскольку гравитация воспринимается точно так же, как и любая другая сила, вызывающая изменение движения, она должна приводить к тем же результатам. Так как ускоряющие силы вызывают изменение движения и растяжение времени, изменения гравитации также должны приводить к растяжению времени.

Поскольку аспект теории относительности, связанный с растяжением времени, является весьма существенным для проблемы унификации космологического и библейского календарей, очень важно показать, что растяжение времени действительно существует. Ведь релятивистские изменения становятся заметными только в тех случаях, когда относительные скорости движения приближаются к скорости света. Даже при скорости 30 миллионов метров в секунду, что составляет одну десятую от скорости света, растяжение времени оказывается менее одного процента.

Скорости, близкие к скорости света, редко встречаются в повседневной жизни, но обычны для космологии и физики высоких энергий. Правда, следует отметить, что реальная возможность измерить растяжение времени не делает саму идею более доступной для понимания. Тем не менее это позволяет переместить его из разряда чисто теоретической концепции в область эмпирических фактов. Довольно широкий спектр видов человеческой деятельности - от опытов в лабораториях физики высоких энергий до регулярных полетов самолетов коммерческих авиалиний - позволяет продемонстрировать растяжение времени.

Одной из многих элементарных частиц, возникающих в процессе опытов в физических лабораториях, является мю-мезон. Он имеет период полураспада в полторы микросекунды. Мю-мезоны, однако, появляются не только в лабораториях физики высоких энергий, но и в верхних слоях земной атмосферы, когда космические лучи сталкиваются с ядрами атомов атмосферных газов. Поскольку энергия космического излучения очень высока, мю-мезоны в момент своего образования приобретают скорость, почти равную скорости света. При такой высокой скорости проявляется растяжение времени, которое можно измерить. Даже при движении со скоростью, близкой к скорости света, мю-мезону требуется 200 микросекунд, чтобы преодолеть расстояние в 60 километров от слоя атмосферы, в котором они возникают, до поверхности Земли. Поскольку мю-мезон имеет период полураспада в полторы микросекунды, время прохождения, равное 200 микросекундам, охватывает 133 периода его полураспада. Вспомним, что за каждый такой полупериод распадается половина оставшихся частиц. После 133 полупериодов доля мю-мезонов, которые должны уцелеть и достичь поверхности Земли, будет равна "/2 х 1/2 х "/2 и так 133 раза, что составляет одну миллионную миллионную миллиардную миллиардную долю от числа мю-мезонов, начавших свое путешествие к поверхности Земли. Это число настолько мало, что практически почти ни один мю-мезон не должен долететь до Земли. Подавляющее большинство их распадется по пути. Тем не менее если сравнить число мю-мезонов, образующихся в верхних слоях атмосферы, с числом мю-мезонов, достигших поверхности Земли, то мы, к нашему удивлению, обнаружим, что "/8 от их начального числа успешно прибывает к месту назначения. «Выживание» 1/8 мю-мезонов означает, что в течение их 60-километрового путешествия завершаются только три полу-периода. Таким образом, для мю-мезона, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, прошедшее (релятивистское) время составляет только три по-лупериода - 4,5 микросекунды (3 х 1,5 микросекунды). Для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, пройдет, по-меньшей мере 200 микросекунд - минимальное время, необходимое для преодоления 60 километров от верхних слоев атмосферы до поверхности. Одно и то же единичное событие происходит в течение двух различных промежутков времени - 4,5 микросекунды в системе отсчета стремительно движущегося мю-мезона и 200 микросекунд в системе отсчета наблюдателя, стоящего на поверхности. Вспомним еще раз, что речь идет об одном событии. Но вследствие того, что наблюдатель и наблюдаемый объект движутся относительно друг друга, для этого одного события существуют два разных промежутка времени. И оба они абсолютно верны!

Но мю-мезоны являются довольно экзотическими частицами, и скептик вполне может усмехнуться и недоверчиво покачать головой. В конце концов, никакой наблюдатель не может путешествовать в компании с мю-мезонами. Мы полагаемся только на их период полураспада как на часы, перемещающиеся вместе с ними.

А как насчет настоящих часов и человека, перемещающегося вместе с ними и измеряющего растяжение времени самым прямым образом? Это явно выглядело бы более убедительным. И именно об этом сообщалось в престижном журнале «Наука» (Science) сотрудниками Вашингтонского университета и Военно-Морской лаборатории США Хафеле и Китингом12. Они отправили в кругосветное путешествие на самолетах Боинг 707 и Конкорд, принадлежащих компаниям TWA и Pan Am и совершающих регулярные коммерческие рейсы, четыре комплекта цезиевых часов. Эти часы были выбраны потому, что они обладают исключительно высокой точностью.

Земля вращается с запада на восток. Если смотреть на Землю из космоса, находясь при этом над ее северным полюсом, мы увидим, что при полете на восток скорость самолета прибавляется к скорости Земли. Как и было предсказано теорией относительности, часы, находившиеся на борту самолета, отставали от таких же часов, находившихся в Военно-Морской лаборатории США в Вашингтоне, округ Колумбия (все часы, использовавшиеся в этом эксперименте, были предоставлены этой лабораторией). При полете на запад скорость самолета вычитается из скорости вращения Земли и в полном согласии с теорией относительности, часы на борту этого самолета ушли вперед. По словам Хефеле и Китинга, «б науке относящиеся к делу эмпирические факты имеют большую силу, чем теоретические доводы. Эти результаты являют собой недвусмысленное эмпирическое решение знаменитого парадокса часов»"3.

Не только восприятие времени, но и фактический ход времени меняется в зависимости от относительного движения наблюдателей. В пределах каждой данной системы отсчета все выглядит вполне обычно. Но когда две системы сначала разделяются, а потом вновь соединяются и показания часов сравниваются, ход времени в них оказывается разным (фактическое «старение»).

Особенно интересным аспектом экспериментов Хефеле-Китинга по измерению растяжения времени было то, что в них были проверены как специальная, так и общая теория относительности. Согласно общей теории относительности, разница в силе гравитации влияет на длительность так же, как и разница в относительной скорости, что постулируется специальной теорией относительности. Воздействие гравитационного поля на любой объект обратно пропорционально квадрату расстояния между объектами. При увеличении расстояния вдвое гравитационное притяжение уменьшается в четыре раза. Чем дальше объект от Земли, тем слабее Земля притягивает его. Поскольку самолеты в полете находятся высоко над поверхностью Земли (обычная высота полета Боинга 707 -- 10 км, а Конкорда -- 20 км), гравитационное воздействие Земли на часы на борту самолетов отличалось от воздействия на часы, находившиеся на поверхности Земли в Военно-Морской лаборатории. Изменения в ходе часов, зафиксированные в эксперименте, соответствовали предсказаниям общей теории относительности (которая учитывает влияние и движения, и гравитации).

Этот эксперимент, как и все другие подобные ему, доказали, что специальная и общая теории относительности Эйнштейна правильно описывают реальные характеристики нашей Вселенной. Теория относительности больше не является чистой теорией. Относительность представляет собой доказанный, эмпирически подтвержденный факт. Другими словами, теория относительности превратилась в закон относительности.

А теперь, опираясь на этот закон, обоснованный одной из естественных наук, которые описывают Вселенную, мы можем продолжить обсуждение первых шести дней Творения -- того периода, в котором естественная наука и теология, на первый взгляд противоречат друг другу.

Давайте рассмотрим изменения во взаимоотношениях между Творцом, Вселенной и человеком, происшедшие с того мгновения, которое мы называем «началом». При этом мы не должны ни на минуту упускать из виду, что разницу в течении времени можно зафиксировать, лишь если мы сравниваем наблюдение одних и тех же событий из двух разных систем отсчета. Но этого мало - нужно еще, чтобы либо гравитационные силы в этих двух системах отсчета существенно отличались друг от друга, либо чтобы относительная скорость их движения приближалась к 300 миллионам метров в секунду, то есть к скорости света. Внутри каждой системы независимо от ее относительной скорости или действующей в ней гравитационной силы все происходит в полном соответствии с законами Ньютона, то есть все выглядит нормально и логично, точно так же, как и у нас на Земле, хотя мы и несемся с большой скоростью сквозь космическое пространство.

У Творца была и есть определенная заинтересованность в создании Вселенной. Мы можем это предположить, исходя из того факта, что Вселенная существует. Однако мы не знаем, в чем эта заинтересованность заключается. Впрочем, некие намеки на это мы можем найти, анализируя взаимодействие между Творцом и Вселенной за все время ее создания и существования. Традиционная теология утверждает, что если бы Творец пожелал создать Вселенную одним махом, он так бы и сделал. Но из библейского повествования ясно, что в его планы не входило создание полностью сформированной Вселенной с помощью единичного акта. По каким-то причинам был избран метод постепенного развития. И первые две главы книги «Бытие» посвящены как раз описанию поэтапного образования Вселенной.

Если играть по правилам, согласно которым функционирует сегодняшняя Вселенная - а эти правила суть известные нам физические законы, -- тогда постепенное развитие Вселенной из той первичной субстанции, которая существовала в момент Большого Взрыва, было совершенно необходимо для появления человека. Но сама Земля и все, что существует на ней, не являются прямыми продуктами Большого Взрыва. Нам совершенно однозначно сообщается, что в самом начале Земля была безвидна и пуста, или на иврите гоху и боху. Ведущие ученые-физики, специалисты по ядерным частицам, в настоящее время ссылаются на Т и Б (тоху и боху) как на два исходных «кирпича», из которых построена вся материя. Сила Большого Взрыва буквально спрессовала эти Ги Б в водород и гелий - в тот момент не образовалось почти никаких других элементов. И только алхимия космоса создала впоследствии из этих первозданных водорода и гелия все остальные элементы.

Земля и вся солнечная система представляют собой мешанину материи, которая дошла до нас после бессчетного числа циклов сверхсжатия в недрах звезд. Это давление сжимало водород и гелий так плотно, что их ядра соединялись и разъединялись вновь, образуя такие более тяжелые элементы, как углерод (поистине субстанция жизни), железо, уран и другие 89 элементов, из которых состоит Вселенная. Звезды потом взрывались и извергали из себя вновь образованные элементы во Вселенную, которая жадно поглощала их, используя для создания других звезд. Рождение звезд и их смерть были необходимы для того, чтобы превратить в конечном итоге водород и гелий, образовавшиеся в первые мгновения после Большого Взрыва, в элементы, необходимые для создания жизни в той форме, которая нам знакома. В своих толкованиях Библии такие ее комментаторы, как Маймонид и Раши, разъясняли, что Бог создавал и разрушал много миров в процессе сотворения жизни на Земле. Но здесь я опираюсь не на Маймонида; приведенную выше информацию я почерпнул у астрофизиков Вусли и Филлипса.

Итак, если у нас есть на все про все шесть дней до появления Адама, как мы можем втиснуть в этот промежуток времени все циклы формирования и разрушения миров? Библейские комментаторы, на которых мы опираемся, однозначно утверждают, что первые шесть дней Творения являются шестью днями по 24 часа каждый. Это означает, что тот некто, кто следил тогда за временем, должен был зафиксировать прохождение этих самых 24 часов в сутки. Но кто мог присутствовать в то время, чтобы измерять течение времени? До того момента, когда, по истечении шести дней, появился Адам, следить за часами мог один только Господь Бог. Ив этом-то все и дело.

Когда создавалась наша Вселенная - до самого момента появления человека - Бог не был тесно связан с Землей. В течение первых одного или двух дней из шести дней Творения Земля даже еще не существовала! Хотя в стихе 1:1 книги «Бытие» говорится, что: «В начале сотворил Бог небо и землю», следующий стих утверждает, что Земля была пуста и бесформенна. Первый стих книги Бытия является, в сущности, заявлением самого общего плана, означающим, что в самом начале была создана первичная субстанция, из которой в течение последующих шести дней предстояло образоваться небесам и Земле. Ниже, в стихе 31:17 книги «Исход», об этом сказано более отчетливо: «... в шесть дней сотворил Господь небо и землю...». Из чего же были «изготовлены» небо и Земля в течение этих шести дней? Из субстанции, созданной «в начале» тех шести дней. Так как в ранней Вселенной Земли не было и так как не было никакой возможности установления тесной связи или взаимопроникновения систем отсчета, для Бога и для Земли не существовало общего календаря.

Закон относительности научил нас, что даже для Бога не существует возможности выбрать такой календарь, который был бы справедлив для всех частей Вселенной или хотя бы для ограниченного числа их, сыгравших свою роль в возникновении человечества. Закон относительности, один из основных законов Вселенной, установленных при ее сотворении, делает невозможным существование общей системы отсчета для Творца и для каждой части той совокупности материи, которая в конечном итоге превратилась в человечество и в планету Земля, на которой оно обитает.

Мы знаем, что в соответствии с законом относительности, в расширяющейся Вселенной невозможно описать время, охватывающее некую последовательность событий в одной части Вселенной таким образом, чтобы оно было равно времени протекания тех же событий, но наблюдаемых из другой части Вселенной. Различия в движении и гравитационных силах различных галактик или даже звезд в одной галактике превращают абсолютное время в сугубо локальный феномен. В разных частях Вселенной время течет по-разному.

Библия является путеводителем, описывающим путешествие человечества по жизни и времени. Чтобы привить человеку уважение к физическому чуду Вселенной, этот путеводитель включает в себя описание того процесса, который вел от пустой, бесформенной Вселенной к дому, в котором человечество может существовать. Но выбрать некую единую систему отсчета времени для описания этого процесса почти невозможно, так как слишком много факторов самым непосредственным образом влияют на скорость течения времени. Эти факторы включают в себя и гравитационные силы во множестве звезд, в недрах которых первичные водород и гелий превращались в элементы, лежащие в основе жизни, и движение межгалактического газа, конденсирующегося в процессе движения в туманности, а затем и в звезды, и взрывы сверхновых звезд, отмечающие смерть и последующее возрождение звезд, из которых образован Млечный Путь, и масса Земли. Течение времени было тем аспектом жизни, который мы, до озарения Эйнштейна, ошибочно считали неизменным. Это нереально, нет, это просто невозможно, чтобы одни и те же часы во все века отмеряли возраст всей той космической субстанции, из которой мы состоим.

Одиссея материи от субстанции Большого Взрыва до ее сегодняшнего состояния была слишком сложна, слишком многообразна, чтобы течение времени в ней измерялось одними и теми же часами. Кто может сказать сейчас, сколько галактик или какая именно сверхновая породили в конечном итоге те элементы, из которых состоят наши физические тела? Мы, люди, и все остальное в солнечной системе, включая Солнце и планеты, представляем собой осколки давно ушедших звезд. Мы буквально созданы из звездной пыли. К каким атомам углерода, азота или кислорода относится данное время? К вашим или к атомам вашего соседа? К тем, которые входят в состав частицы вашей кожи, или к тем, которые находятся в капле вашей крови? Вполне вероятно, что начало каждому из них было положено в недрах различных звезд, и поэтому у каждого из них свой собственный уникальный возраст. Превращения космического вещества, происходившие до образования Земли, совершались в мириадах звезд, одновременно и последовательно. Каждая звезда, каждая сверхновая имели свою собственную гравитацию и свою собственную скорость движения, а поэтому и свою собственную пространственно-временную систему отсчета.

Миллиарды космических часов тикали (и все еще продолжают тикать), каждые в своем, локально верном темпе. Все они начали тикать в один момент - момент Большого Взрыва, и все они одновременно достигли того периода времени, когда появился Адам. Но абсолютное, локальное время, которое прошло от «начала» до того момента, когда каждая из этих частиц материи внесла свой вклад в создание человечества, было очень разным для каждой звезды и для каждой частицы. Хотя превращения материи начались и завершились единовременно, из теории Эйнштейна следует, что возраст каждой данной частицы материи отличается весьма существенно от возраста других частиц материи с которыми она в конце концов, соединилась, образовав солнечную систему, а затем и человечество. Эти наши рассуждения не более и не менее изощрены, чем, скажем, обнаружение 200 микросекунд в тех 4,5 микросекунд, которые проходят, пока мю-мезоны, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы под ударами космического излучения, достигают поверхности Земли. За 4,5 микросекунд проходят 200 микросекунд. Этот доказанный факт может быть лучше понят с помощью мысленного эксперимента Эйнштейна, в котором ученые на борту несущейся с большой скоростью ракеты и ученые в неподвижной лаборатории фиксируют два разных промежутка времени для одного и того же события. Эта ситуация не имеет ничего общего с заявлением покойного У.К. Филдса, сказавшего, что в течение одного долгого вечера в Филадельфии он прожил целую неделю15. Его утверждение относится к сфере эмоционального ощущения; в нашем случае мы имеем дело с физическим фактом. Когда мы говорим о миллиарде лет, мы не имеем в виду, что мы ощущаем их как миллиард лет. Миллиард лет действительно прошел! Если в течение тех самых шести дней в той части Вселенной, которая сейчас занята Землей, находились бы некие часы, они вовсе не обязательно зафиксировали бы 15 миллиардов лет. В ранней Вселенной кривизна пространства и времени в этом месте, вероятно, была совершенно иной, чем сейчас.

Для того чтобы описать последовательное развитие Вселенной, требовалось найти какой-то компромисс. В качестве такого компромисса Творец выбрал для времени, предшествующего появлению Адама, свою собственную систему отсчета, в которой вся Вселенная воспринималась как единое целое.

Сотворение Адама качественным образом отличалось от всех других событий, сопровождавших создание Вселенной. Оно свидетельствовало о фундаментальном изменении в отношении Бога к Вселенной. Мы знаем, что все объекты Вселенной, органические и неорганические, живые и неодушевленные, состоят из материи, происхождение которой может быть прослежено вплоть до первичного сотворения. В этом смысле человечество не является исключением. Нам было недвусмысленно объяснено, что материальным источником нашего происхождения служит «прах земли». Всем живым существам («Бытие» 1:30), включая и человека («Бытие» 2:7), была дана душа живая (на иврите нефеш). Однако, только Адаму было даровано нечто новое, уникальное для всей Вселенной - живое дыхание Бога («Бытие» 2:7).

И именно в это мгновение, когда Бог вдунул в Адама свое дыхание жизни (на иврите нешама), оба - и Творец, и его творение -- стали неразрывно связаны друг с другом. Именно в этот момент из миллиардов возможных часов были бесповоротно выбраны одни-единственные, по которым отныне предстояло измерять течение всех будущих событий.

На жаргоне физиков-релятивистов, в момент появления Адама та часть Вселенной, которая стала местом обитания человека, начала функционировать в той же системе отсчета пространства-времени, что и ее Творец. Начиная от этой точки, хронология Библии и течение времени на Земле стали едины - общие пространственно-временные отношения между Богом и человеком были отныне закреплены.

Результаты этой новой связи очевидны с первого взгляда на библейский текст. Существует параллелизм между датами, к которым относит Библия события, происходившие после сотворения Адама, и соответствующими археологическими оценками хронологии тех же событий. Бронзовый век библейского календаря и бронзовый век археологии действительно совпадают. Согласно Библии, Хацор был разрушен Иисусом Навином 3300 лет назад; археология, как выяснилось после детальных исследований, относит это событие к тому же периоду. Часть библейского календаря, начинающаяся с момента сотворения Адама, выглядит в наших глазах вполне логичной, а открытие свитков Мертвого моря доказывает, что Библия правильно описывает события за тысячи лет до того, как их подтверждают современные археологические находки. Если бы мы не знали закона относительности и если бы мы пытались датировать события, происходившие на Земле во времена после Адама, из другой точки Вселенной, мы сейчас удивлялись бы, почему в нашем восприятии прошедшее время отличается от того, что фиксируется часами на Земле.

В первые шесть дней существования нашей Вселенной Вечные Часы отмерили 144 часа. Теперь мы знаем, что этот промежуток времени не обязательно совпадает с тем же промежутком времени, измеренным в другой части Вселенной. Как обитатели этой Вселенной мы оцениваем течение времени с помощью часов, находящихся в нашей, локальной системе отсчета; к таким часам можно отнести радиоактивную датировку, геологические данные и измерения скоростей и расстояний в расширяющейся Вселенной. Именно с этими часами путешествует человечество во времени и пространстве.

Когда Библия описывает, как день за днем развивается наша Вселенная в течение первых шести дней, последовавших за Творением, она и в самом деле говорит о шести днях по 24 часа в каждом. Но система отсчета, в которой исчислялись эти дни, включала в себя всю Вселенную. Эта первая неделя Творения -- отнюдь не сказка, призванная удовлетворить любопытство ребенка с тем, чтобы потом, с приходом мудрости взрослого, быть отброшенной за ненадобностью. Совсем наоборот -- в ней содержатся намеки на события, к пониманию которых человечество начинает приближаться только сейчас.

Мудрецы, толкователи Библии, давно уже предупреждали, что наше восприятие событий первых шести дней Творения не будет соответствовать нашему пониманию природы во времена, последовавшие за появлением Адама. Они поняли это из описания субботнего отдыха, содержащегося в Десяти заповедях. Если мы сравним текст в книге «Исход» 20:11 с текстом в книге Захарии 5:11 и во 2-й Книге Царств 21:10, мы увидим, что в этих текстах применяется одно и то же слово для обозначения отдыха, но с разными оттенками. Из того, как это слово там используется, можно сделать вывод, что в первую субботу Бог на самом деле не «отдыхал». Скорее, Творец прервал свой труд, чтобы оглядеть Вселенную, которая была создана за первые шесть дней. Наше восприятие этого перерыва, по утверждению Маймонида, сводится к тому, что во все времена, начиная с этой первой субботы, законы природы, включая и течение времени, будут функционировать «нормальным» образом. По контрасту, течение событий, которые происходили во время первых шести дней, могло выглядеть нелогичным, как если бы имело место нарушение законов природы и времени. Как видим, предсказание мудрецов о том, что мы будем воспринимать библейскую и научную картины ранней Вселенной как противоречащие друг другу, фактически сбылось.

Первая суббота отмечает начало календаря, отсчитывающего время с момента сотворения Адама. И именно эта часть календаря соответствует нашему, основанному на логике, восприятию реальности. Благодаря экстраординарному факту относительности времени, закону относительности Эйнштейна, библейский календарь верен и в эти шесть дней. Стало ненужным объяснять обнаружение ископаемых находок тем, что Творец намеренно поместил их туда, где они были найдены, для испытания нашей веры в акт Творения или для удовлетворения нашего любопытства. Скорость радиоактивного распада в скальных породах, метеоритах и ископаемых находках правильно отражает течение времени, но это течение времени измерялось и продолжает измеряться часами, находящимися в нашей, земной системе отсчета. Время, фиксируемое этими часами, было и продолжает оставаться только относительно, то есть только локально, верным. Другие часы, находящиеся в других системах отсчета, приписывают событиям, происходящим на Земле, иные, но не менее верные моменты времени. И так будет всегда, до тех пор, пока Вселенная будет подчиняться законам природы.

ЛИТЕРАТУРА

• 1. Раши. «Комментарии к книге «Бытие». 1:1.
• 2. Нахманид. «Комментарии к Торе». «Бытие» 5:4.
• 3. «Археология и исследования Ветхого Завета». Под ред. Томаса. (Thomas,ed., Archaeology and Old Testament Study).
• 4. Ньютон. «Математические принципы натурфилософии». (Newton, Mathematical Principles of Natural Philosophy).
• 5. Эйнштейн. «Относительность: специальная и общая теории». (Einstein, Relativity: The Special and General Theories).
• 6. Коэн. «Рождение новой физики». (Cohen, The Birth of a New Physics).
• 7. Пажельс. «Совершенная симметрия». (Pagels, Perfect Symmetry).
• 8. Шенкленд. «Эксперимент Майкельсона-Морли». (Shankland, «The Michelson-Morley experiment», American Journal of Physics, 32 (1964):16).
• 9. Герман. «Происхождение квантовой теории» (1899-1913). (Hermann, The Genesis of the Quantum Theory (1899-1913)).
• 10. Тейлор и Уилер. «Физика пространства-времени». (Taylor and Wheeler, Spacetime Physics).
• 11. Хефеле и Китинг, «Кругосветные атомные часы: наблюдения релятивистского сдвига времени». (Hafele and Keating, «Around-the-world atomic clocks: observed relativistic time gains». Science, 117 (1972): 168).
• 12. Вусли и Филлипс, «Сверхновая 1987А1». (Woosley and Phillips, «Supernova 1987А!» Science, 240 (1988): 750).
• 13. Маймонид. «Наставник колеблющихся», ч. 1, гл. 67.

Специальная теория относительности (СТО) или частная теория относительности – это теория Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1905 году в работе «К электродинамике движущихся тел» (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. Juni 1905).

Она объясняла движение между разными инерциальными системами отсчёта или движение тел, двигающихся в отношении друг друга с неизменной скоростью. В этом случае ни один из объектов не должен приниматься за систему отсчёта, а рассматривать их надо относительно друг друга. СТО предусматривает только 1 случай, когда 2 тела не изменяют направление движения и двигаются равномерно.

Законы СТО перестают действовать, когда одно из тел изменяет траекторию движения или повышает скорость. Здесь имеет место общая теория относительности (ОТО), дающая общее толкование движения объектов.

Два постулата, на которых строится теория относительности:

1. Принцип относительности - Согласно ему, во всех существующих системах отсчета, которые двигаются в отношении друг друга с неизменяющейся скоростью и не меняют направление, действуют одни и те же законы.
2. Принцип скорости света - Скорость света одинакова для всех наблюдателей и не имеет зависимость от скорости их движения. Это высшая скорость, и ничто в природе не имеет большую скорость. Световая скорость равна 3*10^8 м/с.

Альберт Эйнштейн за основу брал экспериментальные, а не теоретические данные. Это явилось одной из составляющих его успеха. Новые экспериментальные данные послужили базой для создания новой теории.

Физики с середины XIX века занимались поиском новой загадочной среды, названной эфиром. Полагалось, что эфир может проходить через все объекты, но не участвует в их движении. Согласно убеждениям об эфире, изменяя скорость зрителя в отношении эфира, меняется и скорость света.

Эйнштейн, доверяя экспериментам, отверг понятие новой среды эфира и допустил, что скорость света всегда является постоянной и не зависит от любых обстоятельств, таких как скорость самого человека.

Временные промежутки, расстояния, и их однородность

Специальная теория относительности связывает временные промежутки и пространство. В Материальной вселенной существует 3 известных в пространстве: вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз. Если добавить к ним другое измерение, названное временным, то это составит основу пространственно-временного континуума.

Если Вы осуществляете движение с малой скоростью, ваши наблюдения не будут сходиться с людьми, которые двигаются быстрее.

Позже эксперименты подтвердили, что пространство, так же как и время, не может восприниматься одинаково: от скорости движения объектов зависит наше восприятие.

Соединение энергии с массой

Эйнштейн вывел формулу, которая соединила в себе энергию с массой. Эта формула получила широкое распространение в физике, и она знакома каждому ученику: E=m*c² , в которой E-энергия; m- масса тела, c-скорость распространения света.

Масса тела возрастает пропорционально увеличению скорости света. Если достигнуть скорости света, масса и энергия тела становятся безразмерными.

Увеличивая массу объекта, становится сложнее достичь увеличения его скорости, т. е для тела с бесконечно огромной материальной массой необходима бесконечная энергия. Но на деле этого достичь нереально.

Теория Эйнштейна объединила два отдельных положения: положение массы и положение энергии в один общий закон. Это сделало возможным преобразование энергии в материальную массу и наоборот.

СТО, также известная как частная теория относительности является проработанной описательной моделью для отношений пространства-времени, движения и законов механики, созданная в 1905 году лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.

Поступая на отделение теоретической физики Мюнхенского университета, Макс Планк обратился за советом к профессору Филиппу фон Жолли, руководившему в тот момент кафедрой математики этого университета. На что он получил совет: «в этой области почти всё уже открыто, и всё, что остаётся – заделать некоторые не очень важные проблемы». Юный Планк ответил, что он не хочет открывать новые вещи, а только хочет понять и систематизировать уже известные знания. В итоге из одной такой «не очень важной проблемы» впоследствии возникла квантовая теория, а из другой – теория относительности, за которые Макс Планк и Альберт Эйнштейн получили нобелевские премии по физике.

В отличие от многих других теорий, полагавшихся на физические эксперименты, теория Эйнштейна практически полностью была основана на его мысленных экспериментах и только впоследствии была подтверждена на практике. Так ещё в 1895 году (в возрасте всего 16 лет) он задумался о том, что будет, если двигаться параллельно лучу света с его скоростью? В такой ситуации получалось, что для стороннего наблюдателя частицы света должны были колебаться вокруг одной точки, что противоречило уравнениям Максвелла и принципу относительности (который гласил, что физические законы не зависят от места где вы находитесь и скорости с которой вы движетесь). Таким образом юный Эйнштейн пришёл к выводу, что скорость света должна быть недостижима для материального тела, а в основу будущей теории был заложен первый кирпичик.

Следующий эксперимент был проведён им в 1905 году и заключался в том, что на концах движущегося поезда находятся два импульсных источника света которые зажигаются в одно время. Для стороннего наблюдателя, мимо которого проходит поезд, оба этих события происходят одновременно, однако для наблюдателя, находящегося в центре поезда эти события будут казаться произошедшими в разное время, так как вспышка света из начала вагона придёт раньше, чем из его конца (в следствии постоянности скорости света).

Из этого он сделал весьма смелый и далеко идущий вывод, что одновременность событий является относительной. Полученные на основе этих экспериментов расчёты он опубликовал в работе «Об электродинамике движущихся тел». При этом для движущегося наблюдателя один из этих импульсов будет иметь большую энергию нежели другой. Для того чтобы в такой ситуации не нарушался закон сохранения импульса при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой необходимо было чтобы объект одновременно с потерей энергии должен был терять и массу. Таким образом Эйнштейн пришёл к формуле характеризующую взаимосвязь массы и энергии E=mc 2 – являющейся, пожалуй, самой известной физической формулой на данный момент. Результаты этого эксперимента были опубликованы им позднее в том же году.

Основные постулаты

Постоянство скорости света – к 1907 году были произведены эксперименты по измерению с точностью ±30 км/с (что было больше орбитальной скорости Земли) не обнаружившие её изменения в ходе года. Это стало первым доказательством неизменности скорости света, которое в последствии было подтверждено множеством других экспериментов, как экспериментаторами на земле, так и автоматическими аппаратами в космосе.

Принцип относительности – этот принцип определяет неизменность физических законов в любой точке пространства и в любой инерциальной системе отсчёта. То есть в независимости от того движетесь ли вы со скоростью около 30 км/с по орбите Солнца вместе с Землёй или в космическом корабле далеко за её пределами – ставя физический эксперимент вы всегда будете приходить к одним и тем же результатам (если ваш корабль в это время не ускоряется или замедляется). Этот принцип подтверждался всеми экспериментами на Земле, и Эйнштейн разумно счёл этот принцип верным и для всей остальной Вселенной.

Следствия

Путём расчётов на основе этих двух постулатов Эйнштейн пришёл к выводу, что время для движущегося в корабле наблюдателя должно замедляться с увеличением скорости, а сам он вместе с кораблём должен сокращаться в размерах в направлении движения (для того чтобы скомпенсировать тем самым эффекты от движения и соблюсти принцип относительности). Из условия конечности скорости для материального тела вытекало также что правило сложения скоростей (имевшее в механике Ньютона простой арифметический вид) должно быть заменено более сложными преобразованиями Лоренца – в таком случае даже если мы сложим две скорости в 99% от скорости света мы получим 99,995% от этой скорости, но не превысим её.

Статус теории

Так как формирование из частной теории её общей версии у Эйнштейна заняло только 11 лет, экспериментов для подтверждения непосредственно СТО не проводилось. Однако в том же году, когда была опубликована Эйнштейн также опубликовал свои расчёты, объяснявшие смещение перигелия Меркурия с точностью до долей процентов, без необходимости введения новых констант и других допущений, которые требовались другим теориям, объяснявшим этот процесс. С тех пор правильность ОТО была подтверждена экспериментально с точностью до 10 -20 , а на её основе было сделано множество открытий, что однозначно доказывает правильность этой теории.

Первенство в открытии

Когда Эйнштейн опубликовал свои первые работы по специальной теории относительности и приступил к написанию её общей версии, другими учёными уже была открыта значительная часть формул и идей, заложенных в основе этой теории. Так скажем преобразования Лоренца в общем виде были впервые получены Пуанкаре в 1900 году (за 5 лет до Эйнштейна) и были названы так в честь Хендрика Лоренца получившего приближённую версию этих преобразований, хотя даже в этой роли его опередил Вольдемар Фогт.