Он работал следующим образом: луч света с определенной частотой входил в инструмент и разделялся на две части. Созданные таким образом два световых луча распространялись в перпендикулярных направлениях, а затем отражались и, наконец, объединялись в один луч. Анализ последних показал, как луч вел себя при разделении.
Интерферометр может показать возможную разницу между распространением света в двух перпендикулярных направлениях. Однако, если Земля двигалась относительно эфира, направление распространения, параллельное этому смещению, было предпочтительным.
Два световых луча должны вести себя по-разному, и инструмент Майкельсона смог это показать. Эксперимент состоялся в 1887 году и показал, что ожидаемого эффекта не произошло.
Если бы существовал эфир, Земля должна была быть там закреплена. Совершенно противоположно тому, что показали аберрации. Концепция эфира привела к тупику. Земля не может быть движущейся и неподвижной по отношению к нему.
Единственно возможным выводом было то, что эфир, а следовательно, и абсолютное пространство, не существовал. Это также означало пересмотр физики Ньютона, поскольку она основывалось на этом предположении.
Относительность
После эксперимента Майкельсона были сделаны несколько попыток пересмотра, но они не были успешны в обновлении основных имеющихся концепций. Так продолжалось до тех пор, пока молодой немецкий физик Альберт Эйнштейн не представил совершенно новое видение.
Во-первых, в 1905 году Эйнштейн представил свою работу специальной теории относительности, которая произвела революцию во взглядах на пространство и время, подчеркнула взаимозависимость двух понятий и устранила идею абсолютности этих понятий.
Затем, в 1915 году, он опубликовал свою работу общей теории относительности, которая дополнила предыдущую теорию, касающуюся эффектов ускорения и гравитации, но пошла еще дальше, ставя под сомнение физику Ньютона.
Постоянная скорость света
Альберт Эйнштейн разработал специальную теорию относительности, основанную на двух основных принципах. Во-первых, законы физики должны быть одинаковыми во всех системах отсчета, если они не подвержены ускорению.
Ни одна система не является привилегированной, и нет ничего подобного абсолютному пространству. Тогда скорость света должна быть постоянной величиной. Все наблюдатели, независимо от их движения, должны были измерить одно и то же значение.
Этот второй принцип может показаться удивительным. Представьте, что фотон, движущийся со скоростью света в лаборатории, появляется в результате какого-либо физического процесса.
Если два фотона движутся в одном направлении, мы ожидаем, что второй будет двигаться с удвоенной скоростью света по сравнению с фотоном, движущимся в лабораторных условиях. На самом деле это не так, второй фотон движется точно с такой же скоростью света по сравнению с лабораторией.
Это может показаться удивительным, но вытекает непосредственно из опыта Майкельсона. Это явление показывает, что свет распространяется одинаково в направлениях, параллельных и перпендикулярных движению Земли.
Поэтому его скорость одинакова в обоих направлениях и нечувствительна к движению Земли по ее орбите. Многие другие опыты подтвердили этот факт.
Относительность времени
Сочетание двух предыдущих принципов революционизирует физику и нашу концепцию пространства и времени. В частности, эти принципы ставят под сомнение понятия одновременности и абсолютного времени.
В повседневной жизни два одновременных события не одинаковы для всех. Если вы видите, что две лампы загораются одновременно, любой другой движущийся наблюдатель не увидит этого. Однако применяя специальную теорию относительности, мы уже знаем, что это не так.
Представьте, что с одним из ваших друзей вы создали команду астронавтов, которой поручено проверить правильность теории. Вы находитесь на космической станции вдали от любого гравитационного поля. Ваш друг находится в космическом челноке, оснащенном очень мощным двигателем, с помощью которого возможно достичь скорости, близкой к скорости света.
В тот момент, когда он пролетает перед вами, ваш друг зажигает лампу и наблюдает за распространением света вперед и назад. Поскольку он находится точно в центре челнока, он проверяет, что свет лампы достигает обоих концов челнока одновременно.
С космической станции вы также наблюдаете этот опыт, но все не так просто, потому что для вас шаттл находится в движении. Задняя часть шаттла двигается и устремляется к световым лучам, исходящим от лампы, а передняя его часть, наоборот, отодвигается от них и имеет тенденцию задерживать движение светового луча.
Так, для вашего видения лучи лампы достигают задней части шаттла, раньше чем касаются передней его части. Два события, которые были одновременными для вашего друга, оказались не так очевидны для вас.
Таким образом, при ограниченной относительности одновременность больше не является абсолютной концепцией. Если наблюдатель видит два события, происходящие одновременно в двух разных местах, другой наблюдатель, движущийся относительно первого, увидит, что одно из двух событий происходит раньше другого.
Удивительный эффект, но последствия которого были проверены много раз опытным путём.
Эта потеря универсальной одновременности приводит к отказу от понятия абсолютного времени. Действительно, как можно говорить об абсолютном времени, не зависящем от какого-либо внешнего влияния, если разные наблюдатели не могут видеть одинаково хронологию двух событий.
Сокращение пространства
Если время зависит от движения, то и пространство тоже зависит. Эйнштейн показал, что расширение времени сопровождается сокращением пространства. Любой наблюдатель, который смотрит на объект в движении, видит, что одно из его измерений уменьшается. Рассматриваемый размер измеряется в направлении, параллельном смещению, а остальные не затрагиваются.
Представьте себе объект длиной 60 метров и шириной 10 метров находящийся в покое. Когда этот объект движется перед вами со скоростью 75 процентов скорости света в направлении его длины, вы все равно увидите его шириной до 10 метров, но до 40 метров длиной вместо 60.
Концепция пространства-времени
Неотделимость пространства и времени заставила физиков связать их, чтобы сформировать более общую концепцию. Согласно Ньютону , пространство и время были двумя совершенно независимыми понятиями, которые могли существовать одно без другого. Например, было естественно говорить о положении тела, не ссылаясь на момент, когда оно было измерено.
Но в теории относительности эти два понятия неразрывно связаны. По этой причине эта теория может рассматривать только события, то есть действия, которые происходят в определенном месте и в данный момент. Говорить о пространстве или времени независимо друг от друга бессмысленно. В результате физики объединяют два понятия в более общую четырехмерную структуру: три для пространства и один для времени, называемые пространством-временем.
Относительная масса
Другое следствие специальной теории относительности касается массы. Так же, как время и пространство, масса объекта зависит от скорости наблюдателя, который его измеряет. Объект весом в один килограмм, который движется со скоростью 98 процентов скорости света, ведет себя так, как если бы он был на самом деле массой 5 кг.
Это увеличение массы является причиной того, что скорость объекта всегда ниже скорости света. Действительно, чем быстрее движется тело, тем оно массивнее и тем больше энергии требуется для его ускорения. Когда его скорость близка к скорости света, его масса огромна, а запас энергии вызывает лишь слабое ускорение.
Чтобы достичь скорости света, необходимая энергия должна быть бесконечна, что, конечно, невозможно обеспечить. Таким образом, массивное тело никогда не сможет достичь скорости света. Это рассуждение, однако, не относится к фотонам, потому что они имеют нулевую массу и, следовательно, могут двигаться со скоростью света.
