Принцип относительности постоянно всплывает в контексте космических путешествий — например, в статье BBC про запуск планетохода НАСА Curiosity. Статья получилась неплохой, но, как это часто бывает в СМИ, в тексте есть одна серьёзная ошибка. Цитата: «К тому времени, когда планетоход был запущен в сторону Красной планеты, он двигался со скоростью 10 км/с».
Ох ты, божечки мои — 10 километров в секунду! Звучит очень быстро. На шоссе ведь обычно разрешают скорость в 100-120 км/ч.
Но это утверждение совершенно лишено смысла.
На самом деле прямо сейчас вы, сидя на своём кресле, читая эту милую статеечку, движетесь со скоростью 30 км/с. В каком-то смысле. Но никто не будет выписывать вам штраф за превышение или давать награду за то, что вы обогнали пулю (движущуюся медленнее километра в секунду).
Знаете ли вы, что Эйнштейн не изобретал принципа относительности? Изначальный принцип относительности — в который входят утверждения о том, что законы природы не позволяют вам определить, неподвижны ли вы, и, следовательно, ваша скорость обязательно должна определяться относительно другого объекта — восходит по меньшей мере к Галилею, на счёт которого учёные относят формулировку этого принципа. Эйнштейн изменил детали принципа, неожиданным и радикальным способом, но не отбрасывая основную идею Галилея о том, что все скорости необходимо измерять, сравнивая два объекта относительно друг друга.
Галилей понял, что если вы находитесь на судне в спокойных водах, внутри каюты без окон, то вы никак не сможете определить скорость судна. Если вы можете перебрасываться мячиком с другом, находясь на берегу, вы точно так же сможете кидать мячик, если судно движется со скоростью пять километров в час, или пятнадцать, по воде — пока он движется прямо и его не швыряют ветер и волны. В экстремальной версии опыта вы точно так же сможете кидать мяч, находясь на борту реактивного самолёта, двигающегося со скоростями в сотни километров в час, пока не будет турбулентности. Не уверен, что этим можно заниматься на пассажирском самолёте, но вы можете попробовать подпрыгнуть — как это сделал я, когда мне было девять лет, чтобы узнать, что произойдёт; вы обнаружите, что все ощущения будут точно такими же, как и от прыжков на земле. И это хорошо. Если бы принцип относительности Галилея не работал, нам было бы тяжело есть, пить и ходить по самолёту — значок «пристегните ремни» горел бы всё время полёта.
Что на самом деле измеряет спи��ометр автомобиля? Он измеряет скорость автомобиля относительно земли. Конечно, когда вы путешествуете за рулём, именно эта скорость вам и нужна — вам надо знать, сколько времени займёт у вас перемещение от начальной точки до цели вашего путешествия, и, поскольку обе эти точки не двигаются относительно земли, скорость вашего авто говорит вам о том, сколько времени у вас займёт путешествие между ними.
Но для самолёта имеют значение два измерения. Одно — скорость относительно земли, другое — скорость относительно воздуха. Скорость относительно земли показывает, как быстро вы покрываете расстояние между отправной и конечной точкой. Скорость относительно воздуха показывает, как быстро воздух обтекает крылья самолёта. Именно эта скорость определяет, летит ли самолёт, и как именно. Также максимальной скоростью полёта будет скорость относительно воздуха, а не относительно земли, поскольку двигателям необходимо работать против сопротивления воздуха, которое зависит только от воздушной скорости.
Если бы ветра не было, то воздух и земля поворачивались бы вокруг земной оси ровно один раз в сутки, и скорости земли и воздуха были бы одинаковыми. Но в атмосфере есть сильные ветра, поэтому скорости воздуха и земли могут сильно отличаться. На средних широтах, где живут люди из Северной Америки, Европы и большей части Азии (а также люди из Южной Америки, Южной Африки и Австралии) ветра на высотах, где летают реактивные самолёты, дуют на восток. Большая часть движения воздуха происходит в «струйных течениях», доходящих до тех высот, где летают самолёты. Эта воздушная «река» может двигаться с скоростью от 100 до 250 км/ч относительно земли. Это означает, что самолёт со скоростью относительно воздуха в 800 км/ч будет двигаться относительно земли со скоростью около 700 км/ч, если он летит на запад, и со скоростью порядка 900 км/ч, если он летит на восток. Это грубо объясняет тот факт, почему полёты из Европы в США могут занимать на пару часов больше, чем полёты из США в Европу; скорость самолёта относительно воздуха одинакова в обоих случаях, а скорость относительно земли — нет. Тот же принцип увеличивает длительность путешествия на лодке, если вы идёте вверх по течению, против потока, относительно путешествия вниз по течению. Лодочный мотор позволяет лодке перемещаться с определённой скоростью относительно воды, и эта скорость не совпадает со ско��остью относительно берегов, как для путешествий вверх, так и по течению.
Конечно, когда вы находитесь в самолёте (или в лодке), вы не ощущаете скорости; вам всё равно, равна ли скорость относительно воздуха 800 км/ч или 500 км/ч, поскольку в самолёте вы (и воздух внутри него) не двигаетесь относительно друг друга. Иначе говоря, у вас нет какой-то одной скорости. У вас есть много скоростей относительно других вещей: скорость относительно самолёта (ноль), относительно воздуха снаружи (800 км/ч), относительно земли (быстрее или медленнее, чем скорость относительно воздуха, в зависимости от того, куда вы двигаетесь). Какая из ваших скоростей лучше? Это зависит от того, что вы хотите знать; скорость относительно земли влияет на время путешествия, относительно воздуха — важна для безопасности самолёта и его полётных характеристик, а относительно самолёта — влияет на то, сколько времени уйдёт у вас на путешествие от вашего кресла до туалета.
Что насчёт космического корабля? Корабль, переносивший планетоход Curiosity, перемещался с Земли до Марса. У него есть скорость относительно Земли. У него есть другая скорость, относительно Марса. И ещё одна, отличная, относительно Солнца. Какая из них влияет на время путешествия? Никакая! Начальная и конечная точки перелёта самолёта находятся на фиксированном расстоянии друг от друга, а у космического корабля задачка посложнее, поскольку Марс и Земля двигаются относительно друг друга. И двигаются они довольно сильно во время путешествия длительностью восемнадцать месяцев! Скорость в космосе — вещь непростая, там всё двигает��я относительно всего остального. Это одна из причин, по которым разработка космических кораблей требует очень серьёзной подготовки!
На самом деле, из-за вращения и округлой формы Земли даже скорости самолёта относительно земли и относительно воздуха становятся немного сложнее. Кроме того, самолёты не всегда летят по кратчайшему маршруту, они могут использовать поток воздуха и проделать большее расстояние, чтобы уменьшить время перелёта. Движения планет и космического корабля, летящих по замкнутым орбитам вокруг Солнца, тоже сложны. Так что если уж погружаться в эту тему, то погружаться весьма глубоко. Но мы пока можем воспользоваться тем, что на небольших временных промежутках все траектории движения близки к прямым линиям, и это позволяет нам обращаться к принципу относительности Галилея.
Вернёмся к вам, сидящему на стуле. Вы можете решить, что вы неподвижны, но это не так. Во-первых, Земля уносит вас с собой, вращаясь вокруг своей оси со скоростью порядка 1000 км/ч — в зависимости от широты, на которой вы находитесь. Ещё быстрее Земля движется вокруг Солнца, и все мы несёмся вместе с нею со скоростью порядка 30 км/с относительно Солнца. Вы этого не чувствуете по двум причинам. Во-первых, чувствовать можно то, к чему прикасаешься, а к солнцу вы не прикасаетесь. Вы прикасаетесь к стулу, к воздуху в комнате, а поскольку относительно них вы неподвижны, вы не чувствуете движения. Во-вторых, ваше движение идёт почти по прямой линии (она не прямая, но очень медленно изгибается), поэтому принцип относительности Галилея применяется к вам, к вашему стулу и комнате.
А Солнце движется вокруг центра нашей Галактики — Млечного пути, этого гигантского мегаполиса звёзд, на задворках которого мы живём — со скоростью порядка 220 км/с. "Куда ты пойдешь, туда и я пойду" — Земля движется вокруг Солнца, поэтому наша скорость относительно центра Галактики примерно такая же, как и у Солнца. А Галактика движется относительно других галактик со скоростями ещё большего порядка — но их мы тоже не ощущаем.
Вернёмся к статье с BBC. Космический корабль двигался, если верить газете, со скоростью 10 км/с. Относительно чего? Я бы подумал, что это скорость относительно Земли. Но в статье нужно написать это прямо! Иначе у заявления нет смысла. Поскольку Марс находится дальше от Солнца и двигается по своей орбите медленнее, чем Земля (порядка 24 км в секунду относительно Солнца), возможно, что космический корабль, несмотря на использование ракет, на самом деле замедлился относительно Солнца! То есть, хотя стартовал он, как и остальная Земля, со скоростью в 30 км/с относительно Солнца, затем он мог замедлиться (с точки зрения Солнца), чтобы ему было легче затем совпасть с движением Марса по орбите. Это было бы довольно интересно узнать, но к сожалению, ВВС на этот счёт ничего не сообщила.
А если бы вы были на космическом корабле? По окончанию работы ракет, когда движение космического корабля выровняется, вы не будете ощущать никакого движения. Согласно принципу относительности Галилея, вы не будете знать, в каком направлении движетесь или как быстро вы движетесь по отношению к любой план��те или звезде, если только не будете тщательно измерять меняющееся расположение планет в небе и наблюдать, как уменьшается Солнце. И если бы не ваша уверенность в инженерах и учёных, убедивших вас, что ракета отправит вас с необходимой скоростью и в нужном направлении относительно Марса, Земли и Солнца, вы бы не знали, приблизитесь ли вы когда-нибудь к Марсу, или просто будете очень долго дрейфовать в космосе, как ещё одна микропланета, коим несть числа.
