Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Чтобы понять это, обратимся на время к природе света. В действительности свет — это лишь небольшая видимая часть спектра электромагнитного излучения, в состав которого входят радиоволны, ультракороткие волны, инфракрасный свет, ультрафиолетовый свет и гамма-лучи. В этой книге мы используем слово «свет» для обозначения любого типа электромагнитного излучения, так как это слово короче, чем «электромагнитное излучение». Свет — волновое движение. Думать о таком движении, не думая одновременно о материальном эфире, казалось физикам прошлого столь же абсурдным, как думать о волнах на воде, не думая о самой воде.

Если выстрелить из движущегося реактивного самолета по направлению его движения, то скорость пули относительно Земли будет больше, чем скорость пули, выпущенной из ружья на Земле. Скорость пули относительно Земли получается сложением скорости самолета и скорости пули.

В случае же света скорость пучка не зависит от скорости предмета, которым свет был испущен. Этот факт был убедительно доказан экспериментально в конце девятнадцатого и начале двадцатого века и с тех пор неоднократно подтверждался. Последняя проверка производилась в 1955 г. советскими астрономами, использовавшими свет от противоположных сторон вращающегося Солнца. Один край нашего Солнца всегда движется к нам, а другой — в противоположную сторону.

Было найдено, что свет от обоих краев приходит к Земле с одинаковой скоростью. Подобные опыты делались и десятилетия назад со светом от вращающихся двойных звезд. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова: она несколько меньше 300 000 км/сек.

Видите, каким образом этот факт дает способ ученому (будем называть его наблюдателем) вычислить свою абсолютную скорость. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с определенной скоростью с и если эта скорость не зависит от скорости движения источника, то скорость света может служить эталоном для определения абсолютного движения наблюдателя. Наблюдатель, движущийся в том же направлении, что и пучок света, должен был бы обнаружить, что пучок проходит мимо него со скоростью, меньшей с; наблюдатель, движущийся навстречу пучку света, должен был бы отметить, что пучок приближается к нему со скоростью, большей с. Другими словами, результаты измерения скорости света должны были бы изменяться в зависимости от движения наблюдателя по отношению к пучку. Эти изменения отражали бы его (наблюдателя) истинное, абсолютное движение сквозь эфир.

При описании этого явления физики часто пользуются понятием «эфирный ветер». Для понимания содержания этого термина рассмотрим снова движущийся поезд. Мы видели, что скорость человека, идущего по поезду со скоростью 3 км/ч, всегда одинакова по отношению к поезду и не зависит от того, в сторону локомотива или к концу поезда он идет. Это будет справедливо и для скорости звуковых волн внутри закрытого вагона. Звук — волновое движение, передаваемое молекулами воздуха. Поскольку воздух содержится внутри вагона, звук внутри вагона будет распространяться на север с той же скоростью (по отношению к вагону), что и на юг.

Положение изменится, если мы перейдем из закрытого пассажирского вагона на открытую платформу. Воздух более не изолирован внутри вагона. Если поезд движется со скоростью 60 км/ч, то вдоль платформы в обратном направлении дует ветер со скоростью 60 км/ч. Из-за этого ветра скорость звука в направлении от конца к началу вагона будет меньше нормальной. Скорость звука в обратном направлении будет больше нормальной.

Физики девятнадцатого столетия были уверены, что эфир должен вести себя подобно воздуху, дующему на движущейся платформе. Как может быть иначе? Если эфир неподвижен, то любой движущийся в нем предмет должен встретить эфирный ветер, дующий в противоположном направлении. Свет — волновое движение в неподвижном эфире. На скорость света, измеренную с движущегося предмета, эфирный ветер должен, конечно, влиять.

Земля несется в пространстве по своему пути вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Это движение, рассуждали физики, должно вызывать эфирный ветер, дующий навстречу Земле в промежутках между ее атомами со скоростью 30 км/сек. Чтобы измерить абсолютное движение Земли (ее движение относительно неподвижного эфира), необходимо лишь измерить скорость, с которой свет проходит некоторое определенное расстояние на земной поверхности туда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом. Сравнив скорости света, испущенного по разным направлениям, можно было бы вычислить абсолютное направление и скорость движения Земли в любой заданный момент. Этот эксперимент был впервые предложен в 1875 г., за 4 года до рождения Эйнштейна, великим шотландским физиком Джемсом Кларком Максвеллом.[2]

В 1881 г. Альберт Абрагам Майкельсон, в те времена молодой офицер Военно-Морского Флота Соединенных Штатов, сделал именно такой эксперимент.

Майкельсон родился в Германии, его родители — поляки. Отец его переехал в Америку, когда Майкельсон у было два года. После окончания Военно-Морской Академии в Аннаполисе и двухлетней морской службы Майкельсон начинает преподавать физику и химию в этой же Академии. Взяв длительный отпуск, он едет учиться в Европу. В Берлинском университете, в лаборатории известного немецкого физика Германа Гельмгольца, молодой Майкельсон впервые попытался обнаружить эфирный ветер. К его великому удивлению ни в одном направлении компаса он не обнаружил разницы в скорости, с которой свет проходил путь туда и обратно. Это было похоже на то, как если бы рыба открыла, что она может плыть в любом направлении в море, не замечая движения воды относительно ее тела; как если бы пилот, летящий с открытым колпаком кабины самолета, не заметил ветра, дующего ему в лицо.

Выдающийся австрийский физик Эрнст Мах (мы еще поговорим о нем в гл. 7) уже тогда критически относился к представлению об абсолютном движении через эфир. Прочитав опубликованный отчет Майкельсона об опыте, он немедленно заключил, что представление об эфире надо отбросить. Однако большинство физиков отказались сделать такой смелый шаг. Прибор Майкельсона был груб, было достаточно оснований думать, что эксперимент, поставленный с более чувствительной аппаратурой, даст положительный результат. Так думал и сам Майкельсон. Не найдя ошибок в своем опыте, он стремился повторить его.

Майкельсон отказался от военно-морской службы и стал профессором в Кэйсовской школе прикладных наук (теперь Кэйсовский университет) в Кливленде, штат Огайо. Поблизости, в университете Западной Территории преподавал химию Эдвард Вильям Морли. Эти два человека стали добрыми друзьями.

«Внешне, — пишет Бернард Яффе о книге «Майкельсон и скорость света», — эти двое ученых являли образец контраста… Майкельсон был красивый, нарядный, всегда безупречно выбритый. Морли, мягко говоря, был небрежен в одежде и служил примером рассеянного профессора… Он позволял волосам отрастать до тех пор, пока они не начинали завиваться на плечах, и был обладателем беспорядочной рыжей щетины, доходившей почти до ушей».

В 1887 г. в подвале лаборатории Морли оба ученых сделали вторую, более точную попытку найти неуловимый эфирный ветер. Их опыт, известный как эксперимент Майкельсона — Морли, — одна из великих поворотных точек современной физики.

Прибор был установлен на квадратной каменной плите со сторонами около полутора метров и толщиной более 30 см. Плита плавала в жидкой ртути. Это исключало вибрации, поддерживало горизонтальность плиты и позволяло легко поворачивать ее вокруг центральной оси. Система зеркал направляла пучок света в определенном направлении, зеркала отражали пучок туда и обратно по одному направлению так, что он делал восемь пробегов. (Это было сделано для того, чтобы максимально удлинить путь, сохранив размеры прибора такими, при которых он еще мог легко вращаться.) В то же время другая система зеркал посылала пучок на восемь пробегов по направлению, составлявшему прямой угол с первым пучком.

Предполагалось, что когда плита будет повернута так, что один из пучков будет пробегать туда и обратно параллельно эфирному ветру, то пучок будет делать рейс за большее время, чем другой пучок, проходящий такое же расстояние перпендикулярно ветру. Сначала кажется, что должно быть справедливо обратное. Рассмотрим свет, распространяющийся по ветру и против ветра. Не будет ли ветер увеличивать скорость на одном пути настолько же, насколько уменьшает ее на другом? Если так, то ускорение и торможение компенсировали бы друг друга и время, затраченное на весь путь, было бы точно таким же, как если бы никакого ветра не было вовсе.