«Резиновый» трамвай. 
Развитие теорий в физике

Здесь мы рассмотрим один из самых любимых примеров Эйнштейна? измерение длины движущегося поезда. Сам Эйнштейн неоднократно утверждал, что этот мысленный эксперимент он обдумывал во время поездок на трамвае, который вез его по улицам Берна на работу в патентное бюро. Конечно, в мысленном эксперименте трамвай начала ХХ века уступит место сверхбыстрому экспрессу, движущемуся со скоростью, близкой к скорости света.

Пусть на крайних точках этого движущегося объекта («в голове» и в «хвосте» -если использовать отечественную железнодорожную терминологию — прим перев. экспресса) находятся два проводникаэто тоже железнодорожная терминология, а не указание на то, что эти объекты способны проводить электрический ток — прим перев., а ровно посередине между ними (то есть в центре поезда) размещен источник света, вспышка от которого одинаково хорошо видна обоим проводникам. По сигналу этой вспышки оба проводника одновременно сбрасывают одинаковые маркеры (например двухпудовые, или даже стопудовые гири) на полотно железной дороги, а затем начальник поезда просит по радиосвязи («по мобильнику») неподвижных наблюдателей (обходчиков железнодорожного пути) измерить расстояние между упавшими маркерами, с тем, чтобы от них узнать, какова длина движущегося поезда. — у пассажиров сверхбыстрого экспресса могут быть свои причуды,? они хотят сравнить измеренную ими длину своего поезда (например, с помощью рулетки) с наблюдениями неподвижных наблюдателей — прим перев.

Однако, неподвижные наблюдатели (обходчики пути), измерив расстояние между упавшими с поезда маркерами, не согласятся с тем, что эта величина характеризует длину движущегося поезда! Действительно, для них, проводник в «хвосте» экспресса двигался навстречу сигнальной вспышке света, и, следовательно, увидел её раньше, чем его коллега «в голове» поезда, удаляющийся от вспышки. Для неподвижных наблюдателей, это означает, что после того, как был сброшен маркер «хвоста» экспресса, поезд ещё какое-то время двигался вперёд, и только после того, как свет сигнальной вспышки света достиг «головы» поезда, был сброшен второй маркер. Следовательно, расстояние между маркерами, упавшими на полотно, больше, чем длина движущегося поезда, а сам поезд короче, чем расстояние между упавшими с него маркерами!

В этом примере мы опять сталкиваемся с явно выраженным дуализмом мнений вполне объективных наблюдателей, которые последовательно придерживаются постулата о постоянстве скорости света. Каждая точка зрения не противоречит постулату Эйнштейна и есть только один выход из этой ситуации? признать, что если измеряемый объект движется, то его длина оказывается меньше, чем при измерениях того же объекта в состоянии покоя.

Именно этим Эйнштейн и объяснил в своей теории Лоренцово сокращение длины движущегося объекта — в физике начала ХХ века Лоренцово сокращение длины движущегося объекта теоретически допускалось, но рассматривалось как своего рода парадокс, или даже как противоречие в физической теории — прим перев. Более того, как мы увидим в следующей главе, возможно и количественное (то есть математически строгое) объяснение сокращения длины движущегося объекта. Важно отметить, что Лоренц рассматривал этот эффект как реальное сокращение длины движущегося объекта, в то время как Эйнштейн считал его объективно существующим, но кажущимся эффектом, возникающим из-за того, что принципиально невозможно однозначно определить, когда и где локализованы в пространстве крайние точки движущегося объекта. Эта невозможность не является проявлением специфических недостатков того метода измерения длины двигающегося поезда, который был описан выше. Другой метод измерения длины двигающегося объекта будет использован в следующей главе, но и там мы получим аналогичный результат: сокращение длины движущегося объекта является следствием невозможности однозначно зафиксировать положение движущегося объекта в пространстве-времени.

Важно ещё раз обратить внимание на то, что в теории Эйнштейна, в отличие от представлений Лоренца, который допускал реальное сокращение длины движущихся объектов, движущийся наблюдатель не может определить, (и тем более измерить!) сокращение длины своего транспортного средства. Сокращение длины реально обнаруживается не им самим, а другим, неподвижным наблюдателем.

И теперь вывод, который нам предстоит обсудить:

любое твердое тело, представляет собой не меньшую абстракцию, чем расширяющаяся световая сфера, рассмотренная в предыдущем разделе.

Действительно, никто не может одновременно изучать и познавать все свойства и все характеристики объекта в целом. Если Вы, например, стоите в конце поезда, та Ваша информация о событиях в остальной части этого поезда несколько неактуальна? она устарела, как минимум, на то время, которое требуется световому сигналу об этом событии, для того, чтобы достигнуть Ваших глаз. В обыденных ситуациях (скорость поезда гораздо меньше скорости света) это не создает никаких проблем? вы вполне сможете адекватно прореагировать на появление бригады контролеровревизоров в соседнем вагоне, на возникшую в связи с этим там драку и т. д. — прим перев. Однако, если скорость движения становится сравнимой со скоростью света, то именно эта устарелость информации об удаленных событиях приводит к кажущемуся нарушению привычной логики развития событий.

Следует также заметить, что наша интуитивная вера в реальность существования твёрдых материальных тел и незыблемость их свойств (например, их геометрических размеров) основана исключительно на том, что в нашем повседневном опыте нет материальных объектов движение которых происходило бы со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

Эйнштейн использовал этот пример («трамвай из Берна») и для того, чтобы сделать важный вывод о ходе движущихся часов. Предположим? мысленный эксперимент продолжается всё дальше и дальше! — прим перев., что проводники, находящиеся, а «в голове» и в «хвосте» экспресса, использовали световой сигнал из центра поезда не только для сбрасывания маркеров, но и для синхронизации своих часов. (Во времена Эйнштейна швейцарские железнодорожные проводники славились тем, что они используют самые точные часы в мире!). Наблюдатели «с земли» могут резонно заметить, что часы в «хвосте» поезда были установлены первыми, и поэтому их показания несколько опережают показания часов «головного» наблюдателя.

Чтобы проверить это, позволим проводникам встретиться «в голове» движущегося поезда и сравнить показания их часов. Постулат Эйнштейна гарантирует, что часы обоих проводников были установлены правильно, а если часы действительно швейцарские, то при встрече проводников они покажут одно и то же время. Сравнение показаний часов двух проводников происходит в одном и том же месте, так что и учёт временной задержки здесь неуместен. Наблюдатели «с земли» должны согласиться, что в этот момент часы обоих проводников показывают одинаковое («правильное») время. Однако, они могут справедливо отразить в своих наблюдениях, что перенос часов из «хвоста» поезда в его «голову» привел к «потере времени» или же? что полностью соответствует современной терминологии? к «замедлению хода движущихся часов». Это, конечно, снимает остроту ситуации, но вызывает законный вопрос — а почему это происходит?

Ответ Эйнштейна, как и основной постулат теории относительности предельно прост: да, действительно, для неподвижных наблюдателей движущиеся часы идут медленнее. Пока проводник (вместе со своими часами) перемещается из «хвоста» в «голову» поезда, скорость его движения больше, чем скорость самого поезда. По этой причине неподвижные наблюдатели могут утверждать, что всё это время часы этого проводника работают медленнее, и, именно из-за этого совпадают показания часов в момент встречи проводников. В следующем разделе мы попытаемся разобраться, почему это происходит, то есть из-за чего, по какой причине движущиеся часы замедляют свой ход.