Дэн Аллен
В 19 веке жизнь была хороша. Люди разъезжали на паровозах по Европе и все были за новую науку Максвелла, а вскоре еще и Маркони сумеет передавать звук по радиоволнам сквозь эфир.
Но было два маленьких, грязных секрета, грозивших уничтожить идиллический мир стимпанка конца девятнадцатого столетия. Сама королева Виктория, если бы знала о них, сыграла бы в ящик — или, возможно, на фантастическом водосмывном унитазе Томаса Краппера.
Две эти великие загадки, когда их решили, открыли нам мощь атома и породили ядерный век — по сути уничтожив эпоху пара, к большой досаде тех из нас, кто считает его фантастической средой для наших фантазий.
Одним из этих маленьких, грязных секретов была «ультрафиолетовая катастрофа». Решение которой пришло из идеи Эйнштейна о протоне, породившей квантовую механику.
Другой секрет был связан с электромагнетзимом. (Он не сработал!) И все это из-за маленькой (огромной) проблемы под названием «скорость света».
(На самом деле был еще третий огромный ключ, открывший дверь ядерного века. Это было открытие общей относительности, приведшее к созданию ядерной бомбы — но общая относительность и квантовая механика заслуживают отдельного рассмотрения.)
Мир стимпанка
Ну а пока, чтобы разобраться, в чем там дело с этой специальной теорией относительности, давайте натянем наши защитные очки и быстро перенесемся во времени в конец 19 века на подпрыгивающем багги.
Вот как стимпанковые ученые видели мир:
В мире стимпанка все было просто. Переменный ток создавал электромагнитные волны в эфире. У всех сходились данные измерительных линеек и часов, даже если джентльмены, облаченные в щегольские камзолы и цилиндры, двигались друг другу навстречу, проводя измерения с помощью элегантных карманных часов и тростей с костяными набалдашниками. Фундаментальная предпосылка этого мира заключалась в том, что вещи происходят в одно время для всех.
Но здесь скрывается небольшая проблемка. Когда вы начинаете проводить ускорение, волны создаются до того, как происходит движение — погодите, что?! (Это потому что когда вы едете на поезде, то можете включить прожектор и он будет светить со скоростью света плюс 45 лиг в час, так что причинность разрушается.)
Избавлю вас от математики. Все плохо, и когда вы дошли до третьей страницы вычисления, вы получаете уравнения, в которых нет смысла. Если вам нравится мир, в котором правила бессмысленны: вы стимпанковый ученый! Курите трубку, не переживая о раке легких, катайтесь на паровозе — или пароходе, если таковы ваши предпочтения — и пользуйтесь магнезией для фотовспышки! Скорость света — чепуха!
Как Эйнштейн видел мир
После того, как Майкельсон и Морли огорошили, привели в замешательство и ошарашили себя и весь научный мир, открыв, что эфира не существует, — что!!! — несколько идей пришлось изменить. Первым постулатом или предпосылкой к эйнштейновской безэфирной вселенной было то, что законы физики для всех одинаковы.
Это означает, что, если я включу фонарик, луч из него будет бить только со скоростью света. Не важно, если планета, звезда или галактика пронесется мимо со скоростью, близкой к скорости света. Или, подобным же образом, если я пронесусь мимо планеты со скоростью, близкой к скорости света, мой фонарь по-прежнему будет посылать свет со скоростью света. Важная идея: не важно, сидишь ты или движешься — на самом деле, согласно теории относительности, вы даже не знаете, движусь ли я мимо вас или наоборот!
Здесь все очень четко. Все в работе Эйнштена прагматично. Эта постоянная «просто, легко, работает для всего» математика перечеркивает всю великую причудливость науки стимпанка.
Но погодите, это еще не все!
Постулат номер два в том, что скорость света для всех одинакова, вне зависимости от того, где они находятся: в коробке, на лодке или в поезде.
Специальная теория относительности
У последнего момента есть интересные последствия. Он означает, что у Эйнштейна не было выбора, кроме как соотносить опыт людей, движущихся друг мимо друга, используя преобразование над которым работали умники с именами на «Л»: Лоренц, Лоренц и Лармор (и еще другие люди, чье имя на «Л» не начиналось, как Фогт и Пуанкаре). Преобразование Лоренца — это основа специальной относительности и один из трех больших молотков, что прибили наш романтичный и загадочный мир стимпанка, приведя нас в ядерный век взаимно-гарантированного уничтожения и телерекламы.
Первое заключение в том, что вселенная похожа на фото двух видов осей. Вы можете растянуть одну ось на фото, исказить ее, не меняя деталей фото. Все измерения пространства похожи на первую ось. А вторая ось — это другой вид дистанции: время. У времени есть единицы измерения — секунды, и мы измеряем его единицами метр в секунду или миля в секунду, что превратить время в дистанцию. Все события, происходящие в этом «фото» называются пространство-время. Дистанция между двумя событиями измеряется как временем, так и расстоянием, как дистанция между двумя пикселями на фотографии — это комбинация горизонтальных и вертикальных дистанций.
Является ли скорость света загадочной и мистической? Нет, это просто измеряющий фактор нашей вселенной, используемый чтобы соотнести время и дистанцию. Ничего загадочного здесь нет. Хуже того (фанаты стимпанка — бегите, пока в этом мире еще есть магия) скорость света одинакова для всех. Понимаете, к сожалению для социальных философов, относительность не о том, что все относительно, как моя мораль против вашей. Она об абсолютах! Есть одна скорость света для всего, каждый день, во все времена, навсегда. Вообще не романтично.
Так что все это значит?
Последствия пространства-времени
Дистанции в пространстве-времени — константа для наблюдателя на пикнике в деревне также, как для тех, кто путешествует первым классом на паровозе. К сожалению, здесь наблюдаются некоторые последствия для карманных часов и измерительных тростей с костяным набалдашником. Когда я движусь мимо вас, моя «картина» вселенной искажена, так что я считаю, будто измеряю скорость света так же, как и вы. Мое время не сходится с вашим — или ваше с моим. Обе наши вселенные (системы координат): та что на земле и та, что движется по рельсам, прекрасно работают. Но когда мы наблюдаем за картиной вселенной друг друга, мы обнаруживаем, что они искажены относительно друг друга.
События больше не происходят в одно время. Вы говорите, что выстрелы из револьвера происходят в одно время, но, когда я двигаюсь мимо со скоростью, близкой к скорости света, я вижу, что они происходят в разное время. Мои часы движутся медленней ваших, и удивительным образом вещи кажутся ближе, чем в тот момент, когда я поднялся в вагон экспресса.
Конечно вы все это слышали раньше, и большинство думает, что это звучит таинственно: растяжение времени, эффект медленного времени, когда вы приближаетесь к скорости света; и сокращение длины: идея, что дистанция до объектов перед вами становится короче, когда вы движетесь к ним со скоростью, выше скорости света. Но дальше хуже. Движение электрического заряда или тока создает магнитные поля, верно? Так что, если я двигаюсь мимо этих зарядов, это то же самое, как если бы заряды двигались мимо меня. Должно быть магнитное поле. К счастью, относительность меняет ваши электрические поля в мои магнитные и наоборот замечательно симметричным способом, который делает все математику достаточно простой, чтобы выразить все четыре уравнения Максвелла в одном (матричном) уравнении.
Что происходит на скорости света
Не углубляясь в математику, идея в том, что есть параметр под названием y (гамма), начинающийся с 1 (вещи, действующие как в стимпанке), затем, когда вы приближаетесь к скорости света, он становится больше и больше и стремится к бесконечности, чем ближе вы к скорости света. Этот параметр говорит мне, как растянуть вашу картину вселенной (время-пространство), чтобы она согласовалось с моей по временным привязкам событий и измерении дистанций. Вот так просто.
Но еще это очень круто. На скорости света время останавливается, потому что вы сплющиваете время-пространство. Так что субатомные частицы, которые генерируются космическими лучами во внешней атмосфере, должны бы распадаться и исчезать прежде чем они достигнут поверхности земли — даже путешествуя со скоростью, близкой к скорости света — но они прекрасно достигают поверхности, чтобы портить нам электронику.
Когда эти частицы сгенерированы двигаясь с почти световой скоростью, они смотрят вниз на Землю и говорят «не так далеко, я доберусь», но, если мы сможем увидеть их внутреннюю работу, мы заметим, что их системы движутся медленно. Тик… (зевок)… так… Именно так Эндер Виггин сумел пережить всех из своей эпохи, путешествуя на околосветовой скорости. Его внутренние часы двигались медленней, так что вся его электроника, двигаясь на околосветовой скорости, не нарушала законов физики.
Так что, когда в следующий раз ваше обсуждение франко-прусских отношений за ужином будет прервано оруэлловской машиной, которая вас похитит и отправится в космос, вы заметите, что дистанция до звезды, к которой вы направляетесь, куда короче, чем казалось с Земли. Но когда вы вернетесь домой после нескольких месяцев путешествия среди звезд, вы обнаружите себя Рипом Ван Винклем. Вы в цифровой эпохе. Но к счастью ваш роскошный электрический переносной фонарик все еще работает.