Возможно ли объяснить теорию относительности "на Пальцах"?

Отвечает Максим Арнольд, кандидат физико-математических наук:

"Конечно, существует много занимательных книжек, в той или иной мере популярно рассказывающих о принципах теории относительности. Наверное, ничего лучше книги Мартина Гарднера "Теория Относительности для Миллионов" я придумать не смогу (может, еще "кратчайшая история времени" хокинга.

Вообще, вопрос подразумевает, что человек начнет объяснять то, что три волоса на голове - это мало, а три волоса в супе - это много. Лишь в том случае, если же пытаться чуть более серьезно в двух словах рассказать о теории относительности, то, наверное, придется начать с того, какого рода вопросы привели к её возникновению. Одним из главных вопросов здесь является такой - как измерить скорость.

Мы предположим, речь идет о скорости лодки. Тогда поступают следующим образом: выбирают какое-нибудь фиксированное расстояние, скажем, расстояние между двумя столбами, и измеряют время, за которое лодка проплывет от одного столба до другого. Осталось только разобраться, как померить это самое время. Тут обычно делают так: встают на носу лодки, берут секундомер и начинают засекать время, когда поравняются с первым столбом. И когда увидят, что проплывают мимо столба - окончания, секундомер останавливают. Теперь попробуем проделать это же измерение, но находясь не в лодке, а в бочке, где ничего не видно. Тогда нам надо как-то понять, что мы проплываем мимо столба. Например, можно поставить у столбов по помощнику, которые бы бросались в воду, как только наша бочка с ними поравняется, доплывали бы до нас и говорили, что пора начинать (или заканчивать) отсчет. Тогда мы бы начали отсчет времени, когда приплывет первый помощник, закончили, когда доплыл бы второй, и таким образом узнали бы, сколько времени прошло. Правда, при этом мы бы узнали, не сколько времени мы плыли между двумя столбами, а сколько времени мы плыли между двумя сигналами о том, что мы проплываем мимо столба. Так что по-хорошему нам бы ещё надо было как-то учесть, сколько времени плыли оба помощника. А ведь при неудачном стечении обстоятельств могло оказаться так, что второй приплыл бы раньше первого (например, если русло реки ниже по течению становится уже, и плыть ему надо гораздо меньше.

Другой пример, чуть ближе к современной реальности. Лишь в том случае, если мы захотим измерить скорость пули, нам надо будет засечь время выстрела как время начала полета пули, и время попадания в мишень - как время окончания полета. Тогда, если мы не видим саму пулю, то мы начнем отсчет, когда услышим звук выстрела, а закончим, когда услышим, что пуля попала в цель. При этом, поскольку пуля летит быстрее звука, мы можем сначала услышать, что пуля попала в мишень, и только потом, издалека, прилетит звук выстрела. Чтобы таких казусов не возникало, хорошо, если скорость сигнала о времени начала и конца отсчета была бы заметно выше скорости, которую мы хотим измерить. Так уж вышло, что самый быстрый способ подачи сигнала, который мы можем себе вообразить, - это именно увидеть. То есть в роли пловцов, подающих сигнал, в ситуации с лодкой выступает свет, отраженный от столбов на берегу. Поэтому если скорость лодки, в которой мы плывем, больше скорости света, то у нас нет никакой возможности её измерить: свет от первого столба никогда нас не догонит. А если скорость лодки и не больше скорости света, но соизмерима с ней, то, чтобы её измерить, придется вносить поправки на то время, которое свет от столбов догонял нас.

Теория относительности предлагает способ учитывать все эти поправки. Это особенно важно, когда речь идет о скоростях космических объектов, поскольку они - то как раз и двигаются с безумными скоростями друг относительно друга.