Удивительная относительность

Продажу книги категорически запретили, а Галилея вызвали в Рим на суд папской инквизиции. Следствие тянулось с апреля по июнь 1633 года, а 22 июня в той же церкви, почти на том же самом месте, где Джордано Бруно выслушал свой смертный приговор, великий ученый, сломленный физическими и моральными пытками, стоя на коленях, произнес предложенный ему текст отречения.

Последние годы жизни выдающийся естествоиспытатель провел в тяжелейших условиях, находясь под постоянным надзором инквизиции во Флоренции. Там в течение двух лет Галилей создал свою последнюю значительную работу «Беседы и математические доказательства», где изложил основы динамики.

Великий астроном и физик скончался 8 января 1642 года и был похоронен без почестей и надгробия. Только в ноябре 1979 года Папа Римский официально признал, что инквизиция совершила ошибку, силой вынудив отречься великого ученого от теории Коперника.

Между тем именно Галилей одним из первых понял, насколько относительно любое движение вокруг нас. Он объяснил движение звезд на ночном небосводе вращением Земли вокруг своей оси, проходящей через Северный и Южный полюс, а также доказал, что путешественник в каюте корабля никогда не сможет определить, движется он или стоит на якоре (правда, для этого необходимо, чтобы корабль двигался равномерно, проходя за равные промежутки времени равные расстояния). Это очень важный принцип относительности, настолько важный, что он получил название «Принцип относительности Галилея». Вот как описывал его сам великий физик в замечательной книге «Диалоги о двух системах мира», вышедшей в 1632 году и чуть ли не стоившей жизни величайшему мыслителю из-за преследования религиозных мракобесов.

«Заключите себя с каким-нибудь приятелем в возможно просторном помещении под палубой большого корабля и пустите бабочек… Пусть будет там также большой сосуд с водой и в нем рыбки. Повесьте также на потолок ведро, из которого капля за каплей вытекала бы вода в другой сосуд с узким отверстием, находящийся внизу под ним. Пока не движется корабль, наблюдайте, как летающие животные с равной быстротой будут летать во все стороны комнаты. Увидите, что рыбы будут плавать безразлично во все стороны; падающие капли будут попадать все в подставленный сосуд. И вы, бросая приятелю какую-нибудь вещь, не будете принуждены употреблять большую силу, чтобы кинуть ее в одну сторону, чем в другую, если только расстояния одинаковы. Прыгая, вы будете проходить одинаковые пространства, куда бы ни прыгали. Наблюдайте хорошенько за всем и заставьте привести в движение корабль с какой угодно быстротой. Если движение будет равномерным, то вы не заметите ни малейшей перемены во всех указанных действиях и ни по одному из них не в состоянии будете судить, движется ли корабль или стоит на месте».

И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время. То есть полагали, что можно однозначно измерить интервал времени между двумя событиями, и полученное значение будет одним и тем же, кто бы его ни измерял, если использовать точные часы. В отличие от абсолютного пространства, абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона. И большинство людей считает, что это соответствует здравому смыслу.

Тем не менее в двадцатом столетии физики были вынуждены пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в дальнейшем, ученые обнаружили, что интервал времени между двумя событиями, подобно расстоянию между отскоками теннисного шарика, зависит от наблюдателя. Физики также открыли, что время не является независимым от пространства.

Ключом к прозрению стало новое понимание свойств света. Свойства эти, казалось бы, противоречат нашему опыту, однако здравый смысл, исправно служащий нам, когда речь идет о планетах, которые движутся сравнительно медленно, перестает работать в мире околосветовых скоростей.

Но для осознания всей глубины новых релятивистских представлений понадобилось разобраться с еще одним наследием века пара и электричества – концепцией «мирового светоносного эфира».

Глава 3. Смерть мирового эфира

Эфиром называется невидимый элемент, неосязаемый и невесомый, распространенный повсюду, как в пустоте, так и внутри тел прозрачных и непрозрачных, существование которого, являвшееся долгое время гипотетическим, приобретает, по-видимому, в настоящее время черты научной достоверности…

Французская энциклопедия Nouveau Larousse Illustr'e (1903 г.)

Надо сказать, что понятие эфира является одним из древнейших метафизических образов, дошедших до нас из недр древнегреческой философии, где оно сопоставлялось с понятиями «воздух», «небо» или «верхние области небосвода». Еще античные мыслители пытались при помощи небесного эфира объяснить принципы движения Луны и планет, да и всего мироздания в целом. Любопытно, что при этом древние мыслители разработали «схему применения» нескольких эфиров, имеющих разные качества, такие как плотность, вязкость и температура, к тому же занимающие разное положение в небесных сферах.

Сверхтвердая и неуловимая субстанция – очень странные качества, которые ни тогда, ни сейчас никто бы не смог объяснить – конечно, с научной точки зрения. Учителя никогда не любили каверзных вопросов, и любопытный гимназист, пытавшийся узнать, почему он не может потрогать вездесущее «кристаллическое тело эфира», получал вместе с подзатыльником (обычная воспитательная мера в те времена) стандартный ответ – «так устроен мир». Зачем же понадобилась ученым такая противоречивая физическая модель эфира? Для объяснения распространения света!

Свет всегда был (и остается!) очень загадочным физическим объектом. Долгое время ученые спорили о том, из чего состоит луч света – из частиц или волн. В конце концов победил компромисс, и мы знаем, что световые волны разлиты электромагнитными волнами в пространстве, а когда их прибой достигает вещества, они распадаются, превращаясь в частицы света – фотоны. Впрочем, это современный взгляд на природу света, а в конце позапрошлого века в очередной раз победила волновая теория. Согласно ей распространение света напоминает волны на безбрежной поверхности мирового «светоносного эфира».

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые впервые попытались осмыслить природу света. Автором первой эфирной теории света был выдающийся голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс, который в 1678 году сделал сообщение об этом на одном из заседаний парижской Академии наук.

В этом труде Гюйгенс утверждал, что для движущихся тел имеет физическое значение только относительная скорость этих тел. Так он стал первым ученым, сформулировавшим принцип относительности движения, состоящим в том, что системы отсчета, которые движутся по отношению друг к другу с постоянной прямолинейной скоростью, равноценны для описания физических явлений. Эта эквивалентность называется в настоящее время принципом относительности Галилея, но правильнее было бы называть ее принципом относительности Гюйгенса.

В 1665 году Гюйгенс был приглашен в Академию наук, где с энтузиазмом включился в решение разных теоретических и прикладных задач. Он, например, испытал ход часов с маятником на плавающих кораблях, оценил скорость света и длину окружности земного шара. За время работы в Академии Гюйгенс написал две важные книги: «Маятниковые часы» (1673) и «Трактат о свете» (1690), где предположил существование промежуточной материи – эфира – из очень плотно упакованных частиц. По мнению Гюйгенса, свет распространяется последовательными толчками, а каждая частица эфира действует как передаточный центр.

Гюйгенс исходил из конечности скорости света, опровергая устоявшееся мнение о его бесконечной величине и поддерживая наблюдения датского астронома Оле Ремера, оценившего скорость света более чем в 200 000 км/с (действительная скорость равна почти 300 000 км/с). В его теории свет распространялся, заполняя сферическое пространство фронта волны. Причем любая точка фронта волны сама являлась источником новых вторичных волн и фронтов. Этот принцип, который применим ко всем волновым явлениям в материальных средах, известен как принцип Гюйгенса.

В труде «О причине тяготения», опубликованном в 1690 году, ученый ввел особый вид «тонкой эфирной материи», состоящей из неких мельчайших частиц (мельче, чем частицы светоносного эфира). По мысли Гюйгенса этот «гравитационный эфир» циркулирует вокруг Земли во всех направлениях с очень большой скоростью, а сама сила тяготения возникает из-за того, что при столкновении с частицами «гравитационного эфира» материальные тела получают импульс, направленный в сторону Земли. Эта вычурная модель не могла объяснить очень многие закономерности тяготения, в частности постоянство ускорения силы тяжести для всех тел. Поэтому еще при жизни Гюйгенса его модель полностью уступила теории всемирного тяготения Ньютона.

Еще одним камнем преткновения в дискуссиях Гюйгенса и Ньютона была относительность движения. Гюйгенс формулировал принцип относительности для равномерных прямолинейных движений и применял его для описания столкновений твердых тел. Он также считал, что все движения, как прямолинейные, так и вращательные, имеют относительный характер, а абсолютного движения не существует. Это в корне противоречило мнению Ньютона, который уверял, что вращения абсолютны по своей природе, поскольку именно в них возникают центробежные силы.

Согласно теории Гюйгенса, светящееся тело, будь то Солнце, свеча или молния, порождает некие колебания мировой всепроникающей среды эфира, и эти волны, распространяясь во все стороны, доносят свет до глаз наблюдателя. К тому времени уже было надежно установлено, что звук, вызываемый колебаниями таких материальных тел, как колокол, духовые музыкальные инструменты или барабан, представляет собой волны плотности в окружающем воздухе, распространяющиеся со строго определенной скоростью.

Например, колебания, вызванные звоном колокола, расходятся во все стороны, как круги по воде от брошенного камешка. Если бы ударили по колоколу, находящемуся в вакууме, где нет воздуха, в котором распространялись бы колебания, то не было бы и звука. В теории света Гюйгенса лучи распространяются точно так же, как и волны звука, правда, свет может легко заполнять вакуум, а это значит, что и там есть некая материальная среда, которую ученый назвал светоносным эфиром.

Величайший из естествоиспытателей Исаак Ньютон почти сорок лет ставил опыты и размышлял над природой света. В 1704 году он опубликовал капитальный труд, где дал объяснение многим оптическим явлениям. Его книга называлась «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света». В отличие от его знаменитых «Начал» на латыни, предназначенных специалистам, эта книга на английском, написанная увлекательно и доходчиво, содержала огромный экспериментальный материал. Надо заметить, что на протяжении всей своей жизни, несмотря на гордый девиз «гипотез не строю», великий физик настойчиво размышлял над природой сил мирового притяжения, связывая их с особой эфирной средой:

Эфирная среда будто бы имеет то же строение, что и воздух, но значительно больше разреженная, тонкая и эластичная.

Итак, может быть, все вещи произошли из эфира.

Гравитационное притяжение Земли может также причиняться непрерывной конденсацией некоторого иного, схожего эфирного газа. Этот газ – не основное тело косного эфира, но нечто более тонкое и субтильное, рассеянное в нем, имеющее, возможно, маслянистую или клейкую, вязкую и упругую природы.

Солнце, как и Земля, быть может, обильно впитывает газы для своего сияния и для сдерживания планет – чтобы они не удалились от него.

Будучи убежденным атомистом, Ньютон, подобно некоторым древнегреческим метафизикам, считал, что свет состоит из мельчайших частиц, или «корпускул», испускаемых источником света. Частицы эти слишком малы, чтобы их можно было увидеть или измерить, но, тем не менее, эта теория давала возможность объяснить многие световые явления: прямолинейное распространение света, отражение от плоскостей, преломление на границе двух сред разной плотности, поглощение света и его давление.

Однако и сам Ньютон в глубине души сознавал, что его корпускулярная теория не объясняет всех световых явлений. После долгих размышлений Ньютон решил дополнить эту модель излучения еще и неким понятием загадочных «эфирных волн», при этом он выразил мнение, что для объяснения световых явлений требуются обе теории – и корпускулярная, и волновая. Надо сказать, что великий физик безоговорочно признавал понятие светоносного эфира, считая предположение о возможности воздействия на расстоянии одного тела на другое в вакууме без посредства какой-либо передающей среды вопиющим абсурдом, который не может принять ни один человек, «наделенный способностью к последовательному философскому мышлению».

Христиан Гюйгенс фон Цюйлихен (1629–1695)

Предлагается исследовать первопричины, которые в совершенном согласии обусловливают как строение всех физических тел, так и все наблюдаемые нами явления, полезность чего окажется бесконечной, когда эта цель будет достигнута. Человечество сможет использовать вновь создаваемые объекты, будучи уверенным в том, как они будут себя вести.

X. Гюйгенс

Итак, в течение многих столетий ученый мир считал отрицание наличия эфирной среды столь же нелепым, как необходимость воды для плавания или воздуха для полета. Несмотря на крайнюю загадочность своей природы, светоносный эфир, по убеждению ученых, наполнял собою все пространство, пронизывая всякое вещество настолько, что даже заполнял промежутки между атомами твердых тел.

Однако, признавая необходимость эфирного мироздания, ученые мужи не прекращали бурных споров о его происхождении. Одни научные школы считали, что эфир имеет свойства сверхтвердой абсолютно упругой среды. Другие отмечали инертность по отношению к обычным физическим телам и всепроникающую способность. Третьи вообще предлагали рассматривать эфирную среду как некую универсальную консистенцию, совершенно непостоянную в своих проявлениях, с самыми разными свойствами (подобно обычной воде, существующей в трех агрегатных состояниях – жидком, твердом и газообразном). Именно такого мнения и придерживались Альберт Майкельсон с Эдвардом Морли, планируя свой знаменитый эксперимент.

Видный американский физик Майкельсон вошел в историю науки, прежде всего, этим опытом, проведенном на уникальном исследовательском приборе собственной конструкции – интерферометре. Майкельсон создал свою установку в 1883 году, будучи профессором физики в кливлендской Высшей школе прикладных наук. Свои исследования «прохождения светового потока через эфирную среду» Майкельсон начал с усовершенствований метода измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного в свое время выдающимся французским физиком Леоном Фуко.

Его друг и коллега Эдвард Морли был на пятнадцать с лишним лет старше Майкельсона и вел свой род от англичан-переселенцев, покинувших Британию еще в XVII веке. Занявшись химией, он вскоре обратил на себя внимание оригинальными физико-химическими исследованиями и в 1868 году получил кафедру химии и естественной философии (так тогда назывался широкий круг естественнонаучных дисциплин).

В 1851 году знаменитый французский физик Луи Физо попытался выяснить, как влияет на скорость света движение среды, где он распространяется. В своем опыте он пропускал два монохроматичных световых пучка в параллельных стеклянных трубках по течению воды – и против, а затем исследовал интерференционную картину при их пересечении. Физо так и не открыл влияния скорости движения среды на распространение света, и через восемь лет Майкельсон решил повторить этот опыт на усовершенствованном оборудовании. Вместо двух отдельных световых потоков он использовал один, расщепив его полупрозрачным зеркалом на два противоположно направленных пучка. Так Майкельсон создал совершенный и чрезвычайно точный инструмент – интерферометр, превосходивший все подобные приборы того времени, в частности, интерферометр, сконструированный английским физиком лордом Рэлеем.

В 1887 году Майкельсон и Морли провели эксперимент, вошедший в историю под их именами. Его целью было обнаружение абсолютного движения нашей планеты среди безбрежного мирового океана абсолютно покоящегося «светоносного эфира». Идея эксперимента принадлежала Майкельсону, который пытался выяснить, как влияет относительное движение эфира на свет еще во время своей стажировки в Европе, после окончания военно-морской академии. Вопреки ожиданию, в эксперименте (как и в его более поздних и более точных модификациях, проводящихся до настоящего времени) не обнаружилось движения Земли относительно эфира. Впоследствии этот результат стал одним из первых опытных подтверждений теории относительности.

В 1907 году профессор и руководитель физического отделения новооснованного Чикагского университета Майкельсон стал первым американским лауреатом Нобелевской премии по физике «За создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью».

В своих опытах Майкельсон руководствовался распространенной в то время моделью эфира, как материальной всепроникающей субстанции абсолютно неподвижной и дающей абсолютную систему отсчета для любых движений во Вселенной. В таком случае наблюдатель, находящийся на поверхности Земли и несущийся вместе с ней в пространстве вокруг Солнца, должен ощущать «эфирный ветер», подобно тому, как стоящий на палубе быстро движущегося судна матрос чувствует на лице дуновение ветра, хотя в действительности воздух совершенно спокоен.

Майкельсон считал, что сможет обнаружить эфирный ветер, налетающий на Землю, при ее движении в неподвижном эфире, и для своего эксперимента сконструировал довольно сложную установку. Однако сама схема опыта была проста – ученый измерял скорость света вдоль и поперек полета Земли в эфирном океане: ясно, что если ветер дует нам навстречу, наша скорость снижается, а если сбоку то всего лишь нарушается равновесие.

Пользуясь этой простой аналогией, Майкельсон рассудил, что эфир будет меньше замедлять свет, если свет распространяется под прямым углом к направлению движения Земли вокруг Солнца, чем если он движется в пространстве в том же направлении, что и Земля. Если же эфира не существует, то направление распространения света не будет играть никакой роли.

Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931)

Американский физик. Изобретатель оптического прибора исключительно высокой точности, интерферометра. Целью его первого эксперимента было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Опыты Майкельсона являются эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности.

Экспериментатор построил схему своего опыта следующим образом. Он собирался послать один луч света на известное расстояние в одном направлении, а другой луч – на такое же расстояние под прямым углом к первому. Оба луча будут отправлены одновременно и возвратятся в одну и ту же исходную точку. Если эфир действительно существует, лучи, как в случае с двумя гребцами, должны вернуться в исходную точку в разное время, и будет иметь место явление интерференции – одно из свойств волнового движения. Оно выразится в том, что в точке пересечения волн двух лучей получатся перемежающиеся полосы света, известные как характерная картина интерференции.

Интерференция сама по себе довольно любопытное волновое явление, на котором основано множество оригинальных опытов и демонстраций. Она происходит при смешении двух волн, и если гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волна погашается, а если гребень одной волны совпадает с гребнем другой волны – усиливается. Точно так же, когда гребень одной световой волны встречается со впадиной другой, происходит погашение света и, если смотреть через небольшую зрительную трубу или проектировать изображение на экран, можно видеть перемежающиеся темные и светлые полосы.

Объясняя результаты эксперимента Майкельсона – Морли, можно было, конечно, вернуться к средневековой картине мира в геоцентрической системе отсчета с абсолютно неподвижной Землей, вокруг которой вращалась бы вся остальная Вселенная. Но со времен Коперника ученые уже получили много экспериментальных доказательств движения Земли. Да и кто же в конце просвещенного века пара и электричества мог согласиться с абсурдной картиной обращения вокруг нашей планеты гигантского светила, в 1 300 000 раз большего Земли?

Казалось бы, Майкельсон задумал вовсе не такой уж трудный опыт, однако на деле осуществить его было необыкновенно сложно. Ведь свет распространяется с огромной скоростью, пролетая в пространстве 300 000 км за каждую секунду, а замедление одного из лучей будет в самом лучшем случае ничтожно мало. Для проведения такого опыта нужен был прибор необычайной чувствительности в сочетании с безукоризненной техникой экспериментатора.

Итак, Майкельсон и Морли начали серию своих измерений… Опыты повторялись много раз в различное время суток и года и всегда давали четкий отрицательный результат. Движение эфира зафиксировать не удавалось, и скорость света была абсолютно одинакова во всех направлениях!

Опыты завершились в июле 1887 года. Когда все результаты были сведены воедино, проанализированы и неоднократно проверены, исследователи оказались перед лицом парадоксального факта. Против всякого ожидания, смещения того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было. Какой же следовало сделать вывод из такого решительно неудавшегося эксперимента?

Майкельсон и Морли послали свое сообщение под заглавием «Об относительном движении Земли и светоносного эфира» в крупнейшее научное периодическое издание того времени: «Американский научный журнал». В том же году оно было также напечатано в английском «Философском журнале», и парадоксальные результаты опытов американских физиков стали известны ученым всего мира.

Получалось, что в каком бы направлении ни двигался наблюдатель, уловимой разницы в скорости света не обнаруживалось. Иными словами, приходилось признать невероятное: как бы быстро мы ни бежали за светом, догнать его невозможно. Он по-прежнему будет убегать со скоростью 300 000 км в секунду. Такое заключение противоречило всему человеческому опыту, и многие ученые стали искать пути спасения для гипотезы мирового эфира. Первым предложил свои соображения ирландский физик Джордж-Френсис Фицджеральд (1851–1901).

Джордж-Френсис Фицджеральд (1851–1901)

Ирландский физик. Последователь Максвелла, разрабатывал теорию электрических и магнитных явлений. Для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона – Морли выдвинул независимо от Лоренца гипотезу о сокращении размеров движущихся тел в направлении движения.

Фицджеральд был блестящим теоретиком конца позапрошлого века и вошел в историю науки своими работами по теории относительности. Фицджеральд вывел формулу субсветового изменения пространственных размеров, известную как преобразование или сокращение Лоренца – Фицджеральда. Свой путь в науке он начал с критического исследования вышедшего в 1873 году труда Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». Максвелл предложил теорию электромагнетизма, в которой описывал, как свет проходит через пространство, представляя собой сочетание электрических и магнитных возмущений. Фицджеральд был одним из немногих ученых, которые оценили всю значимость работы Максвелла, и начал широко пропагандировать достижения выдающегося физика.

После шокирующих отрицательных результатов эксперимента Майкельсона – Морли, в 1892 году Фицджеральд предложил необычное объяснение полученных результатов тем, что движущиеся тела сокращают свои размеры в направлении движения. Следовательно, если уменьшение скорости волны света под влиянием течения эфира будет в точности соответствовать уменьшению пути вследствие его сокращения под эфирным давлением, то время прохождения этого пути будет всегда постоянным, хоть с эфирным ветром, хоть без него. В этот же период появились аналогичные работы видного голландского физика-теоретика Хендрика Лоренца (1853–1928).

В 1892 году Лоренц дал объяснение отрицательным результатам опыта Майкельсона – Морли и независимо от Фицджеральда получил формулу сокращения размеров тел в направлении их движения, названную впоследствии сокращением Лоренца – Фицджеральда. В 1895 году он также ввел понятие релятивистского времени, которое для движущихся тел протекает иначе, чем для покоящихся. В 1904 году Лоренц вывел формулы, связывающие между собой координаты и время для одного и того же события в двух разных инерциальных системах отсчета, и получил формулу, связывающую массу электрона со скоростью его движения. Все эти результаты сыграли важнейшую роль в дальнейшем развитии идей релятивизма.