Если две инерциальные системы отсчета движутся относительно друг друга, то два события, происходящие одновременно в одной из систем отсчета, могут не быть одновременными в другой. Для того чтобы проиллюстрировать это положение, вернемся к примеру с кораблем и наблюдателем на причале, к которому прибегал Галилей.
Итак, первый наблюдатель находится на причале, второй – в трюме движущегося корабля. Если второй наблюдатель встанет в центр трюма и одновременно бросит в две стены, расположенные напротив друг друга, мячики, то они достигнут стен одновременно. (Представим, что скорость у этих мячей одинаковая.) Если при этом корабль движется слева направо, то для наблюдателя, стоящего на причале, эти события будут выглядеть так: мячу, летящему вправо, нужно преодолеть большее расстояние, при этом его скорость становится больше за счет сложения со скоростью корабля. Расстояние, которое нужно пролететь левому мячу, сокращается за счет движения корабля, но и скорость тоже уменьшается, так как из нее нужно вычесть скорость движения судна. Таким образом, мячи все равно ударятся о стены одновременно И для первого, и для второго наблюдателя ситуация выглядит одинаково Это механический эксперимент, в нем действуют законы Ньютона.
Теперь изменим условия эксперимента: вместо мячей будут действовать фонарики, посылающие световые лучи в противоположные стороны. Для второго наблюдателя, находящегося в трюме, ситуация будет аналогична предыдущему эксперименту: лучи достигнут противоположных стен одновременно. Но для первого наблюдателя, который неподвижен сам, но видит движение корабля, все будет выглядеть иначе. Скорость света постоянна, закон сложения скоростей в этом случае не работает. Поэтому луч, направленный вправо, достигнет стены позже, чем луч, идущий влево: корабль движется, расстояние для левого луча сократилось, а для правого увеличилось. Получается, что события, одновременные в системе отсчета второго наблюдателя, не одновременны в системе отсчета первого.
Хендрик Лоренц вывел уравнения, позволяющие сохранять величины при переходе из одной системы отсчета в другую, еще до того, как Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Изучая следствия второго постулата своей теории – постоянства скорости света, Эйнштейн обнаружил, что преобразования Лоренца выводятся из него даже без обращения к уравнениям Максвелла. Когда-то Лоренц обнаружил, что его преобразования имеют странные «побочные эффекты»: сокращение длины движущегося тела и замедление времени в движущемся объекте. Он считал, что на сокращение длины влияет эфир, свойства которого еще не изучены и потому непонятны, а замедление времени называл «кажущимся», считая его условным.
Мнение Эйнштейна по этому вопросу было полностью противоположным. Ученый был уверен: все эти эффекты имеют место в реальности, их восприятие зависит от системы отсчета. Ракета, пролетающая мимо нас со скоростью, близкой к скорости света, в нашей системе отсчета имела бы меньшие размеры, чем та же ракета в состоянии покоя. Для наблюдателей, смотрящих на нас из ракеты, ситуация была бы точно такой же. Так как движение относительно, то наблюдатели считали бы себя покоящимися, а нас – проносящимися мимо со скоростью, близкой к скорости света. И мы для них, так же как ракета для нас, имели бы меньшие размеры.
То, что в движущейся системе отсчета (при очень высоких скоростях) время замедляется, хорошо иллюстрирует так называемый «парадокс близнецов». Этот мысленный эксперимент выглядит так: один из близнецов остается на Земле, другой летит на далекую планету в ракете, которая развивает скорость, близкую к скорости света. Допустим, по земным меркам полет длился два года. Но для близнеца, который находился в полете, время шло гораздо медленнее, у него прошло всего несколько дней. Так что по возвращении он оказывается моложе своего брата.
Запаздывание времени в движущейся системе отсчета, также как другие следствия постулатов теории относительности, были выведены Эйнштейном математически, с использованием преобразований Лоренца. В привычном нам мире все эти теории кажутся невероятными, но они реально действуют в мире высоких скоростей и неоднократно подтверждены современной экспериментальной наукой.
