[вернуться к содержанию сайта]
Итак, физические понятия и величины делятся на абсолютные и относительные. Измеряя относительные величины, мы всегда должны указывать, по отношению к какому телу они измеряются; для величии абсолютных такого указания не требуется. И мы так привыкли к этому делению, что малейшее отступление от него считаем верхом бессмыслицы. Что бы мы, в самом деле, сказали о человеке, который стал бы утверждать, что скорость абсолютна, а масса относительна? Скорее всего посоветовали бы ему обратиться к врачу...
Принцип относительности, подтверждаемый все новыми и новыми фактами, вошёл в физику столь прочно, что стал необходимой составной частью научного мировоззрения.
§ 3. Скорость света
Всё это не оставляло бы желать ничего лучшего, если бы не некоторые факты, упрямо не желавшие укладываться в такую стройную и логически законченную схему. Особенно строптивыми в этом отношении оказались законы распространения света.
Скорость света впервые была измерена в 1675 году. Она оказалась колоссальной — около 300000 км/сек
*). Понятно, что маленькой она оказаться и не могла — ведь считали же долгое время, что свет распространяется мгновенно. Однако скорость — понятие относительное. Говоря о скорости света, мы должны указать, по отношению к какому телу она составляет 300 000 км/сек. Принцип есть принцип.Вот тут-то природа и задала физикам великую задачу.
В самом деле, к какому телу отнести скорость света? Пожалуй, первое, что здесь может прийти на ум, — это предположить, что свет движется со скоростью 300 000 км/сек по отношению к своему источнику. Другими словами, скорость света должна складываться со скоростью источника, подобно тому, как скорость пули складывается со скоростью ружья, из которого она вылетела. Но беда в том, что эта гипотеза никак не согласуется с некоторыми астрономическими наблюдениями.
Рис. 3.
Астрономы открыли на небе большое количество так называемых двойных звёзд, т. е. пар звёзд, находящихся друг от друга на сравнительно небольшом расстоянии и обращающихся друг вокруг друга по закону всемирного тяготения. Для многих двойных звёзд удалось измерить их расстояние от Земли, расстояние друг от друга и скорость обращения. И эти результаты позволяют вынести гипотезе “ружья и пули” самый недвусмысленный и безапелляционный приговор.
Представим себе (рис. 3), что звезда В обращается вокруг звезды А по часовой стрелке. В положении
1 скорость отправляемого ею на Землю света должна складываться со скоростью звезды, а в положении 2 скорость звезды будет вычитаться из скорости света. И хоть звёзды движутся по сравнению со светом чрезвычайно медленно, всё же этой разницы скоростей вполне достаточно, чтобы на протяжении своего длинного путешествия “быстрый” свет догнал и перегнал “медленный”, прежде чем оба они попадут в уготованную им ловушку — объектив телескопа. Нетрудно себе представить, что тогда должен увидеть астроном. Если оба луча дойдут к нему одновременно, он вместо двойной звезды увидит тройную, так как, кроме центрального светила, свой “привет” пришлёт ему и спутник, причем сразу в двух экземплярах, из двух разных мест. Если расстояние ещё больше, то наблюдатель увидит звезду-спутника в положении 2 раньше, чем в положении 1, а временами спутник будет удваиваться. Но никаких таких звёздных “привидений” на небе никто никогда не видел, хотя, согласно точным расчётам, они обязательно должны были бы наблюдаться. Приходится признать, что наша гипотеза о скорости света противоречит опыту и должна быть отвергнута.Итак, скорость света не может зависеть от скорости источника. Существует ещё один выход — предположить, что свет распространяется в некоей среде, подобно тому, как звук распространяется в воздухе. На это указывает и волновая природа света. Скорость звука равна
~ 330 м/сек относительно воздуха. Скорость света должна быть равна 300 000 км/сек по отношению к гипотетической светоносной среде.Теория, признающая существование особой светоносной среды — эфира — существовала в физике довольно долго. Согласно этой теории, свет представляет собой упругие колебания эфира, так же как звук — это упругие колебания воздуха. Успехи гидродинамики и акустики указали путь к построению точной математической теории движения эфира. Однако, несмотря на то, что теория эфира смогла дать качественное объяснение многим оптическим явлениям, для точного количественного согласования теории с опытом эфир пришлось наделить весьма странными и даже фантастическими свойствами. Он должен был быть невесомым, не мог оказывать сопротивления движению тел и в то же время свободно проникать внутрь по крайней мере всех прозрачных сред. Короче говоря, эфир всё более подозрительно стал похожим на те самые гипотетические “среды” и “жидкости”, которые в своё время были придуманы для объяснения недостаточно исследованных явлений и которые были упразднены дальнейшим развитием науки. Например, для объяснения явления горения был изобретён флогистон. Развитие химии привело к
отказу от этой гипотезы. Та же участь постигла и теплород — “жидкость”, призванную объяснить тепловые явления. Теория электронов не оставила камня на камне и от “электрических жидкостей”. В такой ситуации эфир выглядел каким-то “последним из могикан”. Его терпели постольку, поскольку заменить его было нечем.Но нас интересует в первую очередь вопрос о скорости света. Может ли теория эфира объяснить все опытные факты?
Рис. 4.
Двигаясь вокруг Солнца, Земля летит сквозь эфир. Но тогда со светом должно происходить явление, подобное косому дождю. Когда нет ветра, капли дождя падают вертикально. Но если такой дождь наблюдать из окна вагона во время движения, он будет косым, его капли будут падать под углом
, тем более острым, чем больше скорость поезда. Наоборот, если наблюдатель неподвижен, но дует ветер, дождь опять-таки будет косым. Точно так же лучи света от звёзд, которые на самом деле находятся у нас прямо над головой, должны падать на землю несколько косо (с точки зрения земных наблюдателей). Рис. 4 поясняет это явление. Пока луч света, испущенный звездой, идёт от объектива телескопа до его окуляра, сам телескоп вместе с Землёй успеет продвинуться на некоторое расстояние вправо, так что для того, чтобы “поймать” этот луч в окуляр, наблюдатель должен наклонить трубу несколько вперёд по направлению движения Земли. Поэтому мы должны видеть эту звезду не на её настоящем месте, а сдвинутой вперёд. Если бы Земля двигалась равномерно и прямолинейно, этот сдвиг обнаружить было бы невозможно — ведь “истинные” направления на звёзды никому неизвестны, нельзя же, в самом деле, попросить Землю на минутку остановиться, — но, к счастью, Земля движется не по прямой, а по эллипсу. В соответствии с этим и звезды должны описывать на небе маленькие эллипсы.Такое явление, действительно, было обнаружено ещё в 1725 году английским астрономом Брадлеем, потратившим много сил и времени на поиски в небе доказательств движения Земли. Явление это получило название аберрации; величина аберрации оказалась в прекрасном согласии со скоростью движения Земли вокруг Солнца.
Казалось бы, всё благополучно — Земля летит сквозь эфир, её обдувает “эфирный ветер”, создавая аберрацию. Интересно было бы найти скорость Земли относительно эфира! Аберрация этой возможности нам не даёт — она позволяет определить лишь разность скоростей Земли в одну и другую сторону, которую мы и без того хорошо знаем.
Но ведь для нахождения истинной скорости движения Земли относительно эфира достаточно, казалось бы, измерить скорость света в двух перпендикулярных направлениях — вдоль движения Земли и поперёк. Эти скорости будут, вообще говоря, различны, так как “эфирный ветер” будет изменять скорость света в продольном направлении. В поперечном же направлении скорость света окажется неизменной. Разность этих скоростей и даст искомую скорость “эфирного ветра”, равную скорости Земли. Однако сделать это оказалось не так-то просто, хотя скорость света физики научились измерять с достаточно высокой степенью точности. Дело в том, что скорость эта так велика, что для её измерения пришлось разработать специальные, особо точные методы. Все они так или иначе основаны на явлении интерференции света. Для этого надо было заставить луч света после некоторого путешествия вернуться назад, к исходной точке, где он должен был взаимодействовать с самим собой, вернее, с другой частью того же луча. Значит, если мы попытаемся направить свет по направлению движения Земли, он неизбежно должен будет пройти такое же расстояние и в обратном направлении. При этом разница скоростей “туда” и “обратно” будет компенсироваться, мы получим лишь среднюю скорость, которая равна скорости света в поперечном направлении. Здесь образовался какой-то заколдованный круг.
При более детальном рассмотрении вопроса выяснилось, что всё же компенсация скоростей происходит не полностью — некоторая, чрезвычайно малая, разница всё же остаётся. И физики-экспериментаторы сосредоточили свои усилия на том, чтобы уловить и измерить эту разницу.
Первый опыт был поставлен в 1881 году американским физиком Майкельсоном. С тех пор этот опыт много раз в разных вариантах повторялся как самим Майкельсоном, так и другими исследователями, причём точность измерений непрерывно возрастала. Все эти измерения самым определённым образом показывали,
что скорость света во всех направлениях одинакова — никакого “эфирного ветра” не существует.Не сразу физики осознали, какая катастрофа на них надвигается. Интересно, что, встречая первый день нового двадцатого столетия, знаменитый английский физик Томсон в своей новогодней речи охарактеризовал положение в физике как вполне благополучное, отметив лишь два “облачка”, одним из которых был как раз отрицательный результат опыта Майкельсона. Кто бы мог подумать, что из этих невинных “облачков” скоро грянут такие громы и молнии, что дело закончится полным пересмотром всего физического мировоззрения и возникновением двух новых наук — теории относительности и квантовой механики...
После того как физики волей-неволей должны были признать результат опыта Майкельсона, события стали разворачиваться с угрожающей быстротой. Ведь речь шла отнюдь не только о странном поведении света. К тому времени крупнейшим английским физиком-теоретиком Максвеллом была разработана весьма стройная, последовательная и совершенная теория электромагнитного поля, представляющая собой обобщение всех известных к тому времени электрических и магнитных явлений. Эта теория впервые оказалась в состоянии с единой точки зрения объяснить все многообразие накопленных в этой области фактов и закономерностей, а также предсказать целый ряд новых, неизвестных в то время явлений. Одним из таких явлений были электромагнитные волны. Исследуя свойства своих уравнений, Максвелл пришёл к выводу, что в определённых условиях электромагнитное поле способно совершать колебания, которые должны распространяться во все стороны, словно круги на воде. Эти волны вскоре обнаружил на опыте Герц, а в 1895 году наш великий соотечественник А. С. Попов успешно использовал эти волны для связи на расстоянии без проводов. Так возникло
радио.Вычисляя скорость электромагнитных волн, Максвелл обнаружил, что она должна быть равна 300000 км/сек. Тут он впервые понял, что свет — это электромагнитные колебания.
Тем самым, однако, всё, что касалось скорости света, самым непосредственным образом затрагивало всю теорию электромагнитного ноля. Скорость света фигурирует в качестве коэффициента чуть ли не во всех уравнениях Максвелла. Но ведь всякая скорость есть величина относительная. Значит, если два движущихся друг относительно друга исследователя изучают одно и то же электромагнитное явление, то его законы будут выглядеть для одного наблюдателя иначе, чем для другого — коэффициенты в уравнениях Максвелла будут различны. А это значит, что теория Максвелла не подчиняется принципу относительности.
..Опыт Майкельсона самым странным и неожиданным образом спас теорию Максвелла от этого тяжёлого обвинения. Скорость света оказалась не зависящей не только от источника, но и от наблюдателя. Коэффициенты уравнений электромагнитного поля тем самым становились постоянными. Но от этого положение в физике отнюдь не улучшалось. Ведь в таком случае под ударом оказывался сам принцип относительности Галилея! Действительно, он утверждает, что всякая скорость относительна. И не надо забывать об аберрации, самым определённым образом показывающей наличие “эфирного ветра”.
Как тут быть? Как всегда в таких случаях, физики сначала пустились на всевозможные ухищрения, пытаясь как-то истолковать все эти факты в рамках классического принципа относительности Галилея. Были перепробованы самые различные модели эфира. Но наибольших успехов на этом пути добился голландский физик Лоренц. Он предположил, что “эфирный ветер”, насквозь “продувая” все тела, воздействует на них таким образом, что эти тела сокращают свои размеры в направлении движения. Если допустить, что такому сокращению подвергаются все детали, из которых построен прибор Майкельсона, то окажется, что этот прибор даст одинаковые показания, какова бы ни была скорость “эфирного ветра”. Таким образом, по Лоренцу, скорость света, как ей и положено, есть величина относительная. Но этой относительности, в силу эффекта лорвнцова сокращения, мы заметить не в состоянии.
Кроме того, Лоренцом был получен ещё один важный результат. Разрабатывая на основе теории Максвелла свою электронную теорию, он обнаружил, что уравнения Максвелла подчиняются некоему новому принципу относительности. Однако физического истолкования этому принципу Лоренц дать не смог; он имел у него чисто математическое, формальное значение.
В 1905 году в одном научном журнале появилась небольшая статья мало кому в то время известного автора А. Эйнштейна, физика по образованию, служившего в то время в Швейцарии в патентном бюро. Статья называлась “К электродинамике движущихся тел” и содержала принципиально новый подход
ко всему вопросу в целом. Основная мысль Эйнштейна состояла в том, что противоречия, в которых, казалось, безнадёжно запуталась физика, — противоречия совсем другого порядка, чем до сих пор представлялось. Они происходят не оттого, что никак не удаётся придумать достаточно остроумного объяснения результату опыта Майкельсона, а оттого, что представления физиков о таких фундаментальных понятиях, как пространство и время, не совсем отвечают действительности. И Эйнштейн дал новую теорию пространства и времени, создав новую науку — теорию относительности.*) Наиболее точные современные измерения дают для скорости света (в пустоте) величину 299 792 км/сек.
Дата установки: 24.11.2007
[вернуться к содержанию сайта
