Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Эту величину можно было измерить чисто электромагнитным путем. Измерили. Оказалось, что она равна 310 тысячам километров в секунду. Как видите, число, довольно близкое к скорости света. Эти измерения, естественно, были не очень точны. Более поздние опыты показали, что скорость электромагнитных волн равна 299 796 километрам в секунду.

Но Максвелл пошел еще дальше. Мало того, что он постулировал существование тогда еще никому не известных электромагнитных волн. На основании того факта, что их гипотетическая скорость очень близка к скорости света, он выдвинул гипотезу, что свет — это тоже электромагнитные волны.

Поразительная идея Максвелла.

Это очень дерзкая, предельно неожиданная мысль. Поглядев, что «постоянная» в его уравнениях совпадает со скоростью света, Максвелл решил: «Здесь что-то скрыто. Вероятно, свет и мои электромагнитные волны — это одно и то же».

К теории Максвелла далеко не сразу пришло признание. Но к концу столетия все были убеждены в ее справедливости.

Что же произошло с эфиром после появления теории электромагнитных волн?

Ничего хорошего. После Максвелла к эфиру предъявили еще большие требования. Теперь уже и все электромагнитные явления надо было объяснять при помощи того же эфира.

С другой стороны, и сами опыты с электромагнитными процессами давали новые возможности проверки теории эфира.

…Подробный разговор о дальнейшей судьбе эфира, естественно, невозможен. Поэтому, может статься, вы не будете очень убеждены в неотвратимости выводов Эйнштейна.

Может быть, это и хорошо.

Прошу поверить, что самое простое — изложить схемы нескольких решающих опытов и объявить: «Вот в результате того-то и того-то гипотеза эфира стала неприемлемой». Это можно сделать очень убедительно, так что читатели поверят, причем тем охотнее, что все это правда. После такого рассказа остается обычно чувство легкого недоумения. «Как же все это не видели ученые того времени?»

Автор, выполняя обещание, начинает рассуждать. Снова назидательные замечания.

Иногда закрадывается даже чувство известного превосходства над такими людьми, как Максвелл или Ньютон.

Автору кажется, что подобное понимание хуже самого черного невежества, и потому в нашей беседе он, автор, все время усиленно пытался охранить вас, читателей, от подобных иллюзий.

Если хорошо подумать, придется признать: почти все вопросы, затронутые в нашей беседе, разобраны неудовлетворительно. Это совершенно естественно, иначе и не могло быть, но об этом стоит все время помнить. В наибольшей степени последнее замечание относится к такой общей проблеме, как теория эфира. Мы можем только очень схематично коснуться основных затруднений, и следует честно признать: перед вами только очень плохой, неясный и грубый отпечаток той борьбы, которая бушевала в прошлом столетии. Причем не приходится сомневаться, что любой образованный физик середины XIX столетия спокойно разбил бы вас, если бы вы попытались доказать несостоятельность эфира только на основе нашего разговора.

…В прошлой главе мы остановились на хитроумной теории Френеля. Однако она касалась поведения эфира в сплошных средах. Френель объяснил, почему все опыты, в которых пытались уловить изменение оптических свойств сплошных сред относительно эфира, должны давать отклонения только «во втором порядке отношения v/c».

Состояние гипотезы неувлекаемого эфира перед опытом Майкельсона.

Но, может быть, осуществимы опыты без привлечения сплошных сред, и тогда эффект движения относительно эфира можно выловить «в первом порядке отношения v/c»?

Подобные опыты искали, но найти не могли. Природа как будто подшучивала над учеными.

Опыты, которые возможно было проделать, позволяли наблюдать движение относительно эфира, но только «во втором порядке отношения v/c».

Было предложено несколько принципиальных схем возможных опытов «первого порядка»[46], но все они оказались неосуществимыми из-за условий измерения.

С. И. Вавилов так характеризовал ситуацию: «Создается довольно курьезное положение. В неувлекаемом эфире должны существовать эффекты первого порядка… но измерить их нельзя».

Этот самый «курьез» и мучил физиков примерно полстолетия. А эфир пока жил потому, что против него не было решающих доводов.

Скорее даже наоборот. В интервале между созданием теории Френеля (частичное увлечение эфира в сплошных телах) и опытом Майкельсона (о котором мы сейчас расскажем) теория неувлекаемого эфира имела и крупные достижения.

Успехи теории эфира.

Во-первых, аберрацию света теория неувлекаемого эфира объясняла сразу.

Во-вторых, эфир устоял против обвинения, что «в первом порядке» эффект движения относительно него не удавалось обнаружить.

Отсутствие эффектов «первого порядка» в опытах со сплошными средами объяснил, как помните, Френель; причем теория Френеля получила блестящее подтверждение. В 1851 году Физо сделал опыт по проверке теории Френеля. Мы не будем разбирать схемы этого опыта и только заметим — об эксперименте Физо не кто-нибудь, а сам Майкельсон написал: «Произведенный им опыт — один из самых остроумных, когда-либо сделанных физиками».

Так вот, опыт Физо дал точное совпадение с предсказаниями Френеля. Впоследствии Майкельсон проверил результаты Физо и снова убедился, что они правильны.

И наконец, в-третьих. В 1842 году Ганс Христиан Допплер, используя гипотезу неувлекаемого эфира, теоретически установил, что при движении источника или приемника световых сигналов относительно эфира частота световых волн (или цвет света), воспринимаемая наблюдателем, отлична от «истинной», когда приемник и источник света покоятся относительно эфира. И вскоре, исследуя спектры звезд, получили качественные подтверждения этого предсказания.

Следует несколько наивный рассказ о явлении Допплера.

Вот схема эффекта Допплера в теории неувлекаемого эфира.

1. Приемник и источник неподвижны относительно эфира. Свет источника воспринимается в приемнике с частотой ω.

2. Источник покоится относительно эфира, а приемник движется со скоростью V. В приемнике отмечается, что свет имеет частоту ω′, отличную ω. (При сближении источника и приемника ω′ > ω; при удалении — ω′ < ω.)

3. Приемник покоится, источник движется с той же скоростью V. Свет воспринимается с частотой ω″, причем ω″ > ω, но не равна ω′, хотя относительная скорость источника и приемника не изменилась.

Вот последняя фраза очень важна. Если справедлива теория неувлекаемого эфира, то даже в том случае, когда относительная скорость источника и приемника одна и та же, воспринимаемая частота света различна в зависимости от того, движется ли относительно эфира приемник или же источник света.

Чтобы не очень отвлекаться, ограничимся замечанием, что, по Допплеру, теория эффекта изменения частоты воспринимаемых световых волн абсолютно аналогична соответствующему эффекту для звуковых волн. Это совершенно естественно, поскольку для звука существует неувлекаемый эфир — атмосфера.

И сейчас мы несколько отвлечемся, чтобы подробнее рассказать об эффекте Допплера. На это есть несколько причин. Но мы ограничимся ссылкой на две.

Во-первых, эффект Допплера играет исключительную роль в разнообразных областях физики. В частности, использование Допплер-эффекта — один из самых мощных экспериментальных методов современной астрофизики. А во-вторых, об эффекте Допплера почему-то у многих обычно смутное представление, хотя сущность явления очень просто понять.

Сейчас мы решим задачу примерно за 6–7-й классы средней школы. Задача совершенно точно отражает суть эффекта Допплера для звука, а также явилась бы совершенно точной аналогией Допплер-эффекта для световых волн, если бы была правильна теория неувлекаемого эфира.

Военно-морская аналогия.

Итак, есть некий порт A. От него со скоростью v удаляется некий корабль B. Естественно, скорость корабля определена относительно воды. По неким причинам связь между портом и кораблем поддерживается следующим не слишком удобным способом.

Через промежутки времени Δt начальник порта отправляет на корабль посыльные катера.

Капитан корабля делает то же самое. Он также отправляет катера в порт через интервалы Δt. Скорость катеров относительно воды обозначим c. Естественно, c > v. Иначе ни один катер из порта не попал бы на корабль.