У чому полягає геній Альберта Ейнштейна? На початку XIX століття в науці існували дві великі теорії, які конфліктували одна з одною.
Теорія Ньютона
Перша — механіка Ньютона. Вона чудово описувала рух всіх тіл, які людина могла спостерігати навколо себе. Однією з головних ідей механіки Ньютона було те, що швидкості додаються. Наприклад, якщо потяг рухається зі швидкістю 100 кілометрів на годину, а пасажир усередині вагона біжить уперед зі швидкістю 10 кілометрів на годину, то для людини на платформі його швидкість становитиме вже 110 кілометрів на годину. Це здається абсолютно природним, адже саме так працює наш повсякденний досвід.
Теорія Максвелла
Друга велика теорія належала Джеймсу Максвеллу. Він створив математичний опис електрики та магнетизму і показав, що це різні прояви одного й того самого явища — електромагнітного поля. Максвел довів існування електромагнітних хвиль.
Згодом вчені змогли обчислити швидкість таких хвиль, вона дорівнювала приблизно 300 тисяч кілометрів за секунду. І тоді стало зрозуміло, що світло є однією з електромагнітних хвиль. Так виникла серйозна проблема.
Протиріччя
Уявімо космічний корабель, який летить назустріч світловому променю. За логікою Ньютона швидкості повинні додаватися. Тому пілот мав би виміряти швидкість світла більшою за 300 тисяч кілометрів за секунду.
Але рівняння Максвелла стверджували інше. Вони передбачали одну й ту саму швидкість світла незалежно від руху спостерігача. Якщо швидкість світла теж повинна додаватися, то різні спостерігачі мали б отримувати різні результати. Виходило, що або помиляється Ньютон, або помиляється Максвелл.
Фізики довго шукали пояснення. Багато хто вважав, що світло поширюється через особливе невидиме середовище — ефір. Але знаменитий експеримент Майкельсона і Морлі не зміг виявити жодних ознак його існування.
Ейнштейн і його постулати
Тоді у 1905 році молодий працівник патентного бюро Альберт Ейнштейн запропонував несподіване рішення. Він припустив, що проблема полягає не в Ньютоні й не в Максвеллі. Можливо, помилковими є наші уявлення про простір і час.
Ейнштейн вирішив не вигадувати нових частинок, сил чи ефірів. Натомість він поставив собі запитання: а що, якщо обидві теорії правильні? Тоді потрібно переглянути щось більш фундаментальне.
В основу своєї теорії Ейнштейн поклав лише два постулати.
Перший постулат Ейнштейна говорить: усі закони фізики однакові для будь-яких спостерігачів, які рухаються рівномірно і прямолінійно. Простими словами, якщо ви перебуваєте у вагоні потяга, який рухається плавно і без прискорення, то жодним внутрішнім експериментом не зможете визначити, стоїть потяг чи рухається. Наприклад, якщо ви підкинете м’ячик, він впаде так само, як і у випадку нерухомого потягу.
Другий постулат Ейнштейна говорить, що швидкість світла у вакуумі однакова для всіх спостерігачів незалежно від того, як вони рухаються. І ось цей постулат суперечить нашому повсякденному досвіду. Ми звикли, що швидкості додаються. Але якщо швидкість світла не може змінюватися, то змінюватися повинно щось інше. Ейнштейн показав, що природа ніби компенсує цю особливість за рахунок простору і часу. Саме вони виявилися не абсолютними, як вважалося раніше.
Уявіть двох людей із надзвичайно точними годинниками. Один залишається на Землі, а інший вирушає у космічну подорож із величезною швидкістю. Після повернення виявиться, що для космонавта минуло трохи менше часу.
На звичайних швидкостях ця різниця настільки мала, що її неможливо помітити. Але коли швидкість наближається до швидкості світла, уповільнення часу стає дуже значним. І це вже не теоретичне припущення, а експериментально підтверджений факт.
Подібним чином поводиться і простір. Для зовнішнього спостерігача довжина об’єкта, який рухається з дуже великою швидкістю, у напрямку руху буде здаватися меншою. Ми не бачимо цього в повсякденному житті лише тому, що наші швидкості занадто малі.
E = mc²
Ба більше, Ейнштейн показав, що навіть одночасність подій не є абсолютною. Події, які для одного спостерігача відбуваються одночасно, для іншого можуть відбуватися в різний час.
Теорія відносності змінила не лише наші уявлення про простір і час. Вона також показала, що маса й енергія тісно пов’язані між собою. Саме з неї згодом народилася знаменита формула E = mc².
Де E означає енергію, m — масу, а c — швидкість світла. Оскільки швидкість світла є величезним числом, навіть крихітна маса відповідає колосальній кількості енергії.
У результаті Ейнштейн не відкинув ні Ньютона, ні Максвелла. Він показав, що закони Ньютона чудово працюють для звичайних швидкостей, з якими ми стикаємося щодня. А рівняння Максвелла правильно описують світло та електромагнітні явища.
Теорія відносності об’єднала ідеї Ньютона і Максвелла
Теорія відносності стала новою, ширшою картиною світу, у якій знайшлося місце і для Ньютона, і для Максвелла.
Виявилося, що Всесвіт набагато дивніший, ніж уявляли фізики XIX століття. Час не є абсолютним, простір може змінюватися, а маса здатна перетворюватися на енергію. Саме так Ейнштейн не просто примирив Ньютона і Максвелла, а фактично змінив наше розуміння реальності.