Теория относительности увлекательно, просто и понятно, без сложных формул и интегралов. Заставит пошевелить мозгами, но не сломать их.
Ты веришь в играющего в кости бога, а я —
в полную закономерность в мире объективно сущего...
Эйнштейн.
(Письмо к Н. Бору, 1947)
Последняя треть XIX в. ознаменовалась невиданным бумом в промышленности, науке и технике. Изобретения сыпались как из рога изобилия: бездымный порох, бризантная взрывчатка, паровая турбина, электрогенератор, электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, электролампа, телефон, etc.
Подобная техническая революция была бы невозможна без беспрецедентного рывка во всех областях знаний. Химия, физика, математика развивались немыслимо быстрыми темпами. Менделеев открывает периодический закон и составляет таблицу элементов, Беккерель обнаруживает радиоактивность, Максвелл составляет уравнения электромагнитного поля.
И в то же время теоретическая физика пребывает в глубочайшем кризисе. Причиной тому закон, открытый Галилеем за 300 лет до того: принцип относительности[1] движения, или принцип неразличимости покоя и равномерного прямолинейного движения. Или просто принцип относительности Галилея, на котором зиждется ньютонова механика. Принцип этого принципа, calembour, в идентичности всех физических явлений, происходящих в покоящихся и равномерно-прямолинейно движущихся системах отсчета.
Хрестоматийный пример: в неподвижном поезде ружье стреляет в переднюю стенку вагона – пуля летит с определенной скоростью v. Если тот же поезд движется равномерно и прямолинейно, то в том же самом случае пуля полетит, относительно вагона, с той же скоростью v, поскольку и поезд, и ружье двигаются с одинаковой скоростью. Иными словами, скорость пули равна сумме скоростей самой пули и ружья, минус скорость поезда (поскольку передняя стенка «убегает» от пули). Главное в этом примере – сложение скоростей пули и ружья. В случае стрельбы в заднюю стенку, наоборот, надо вычесть скорость ружья, едущего в противоположную сторону, и прибавить скорость поезда, поскольку задняя стенка едет навстречу пуле. Получится та же скорость, что при стрельбе в переднюю стенку. Из этого следует, что скорость пули всегда зависит от скорости ружья.
Этому принципу подчиняются все тела. Второе следствие принципа – скорость есть относительное понятие, она различна для одного и того же объекта при измерении разными наблюдателями. Например, машина едет со скоростью 70 км/ч, относительно земли, другая машина едет в том же направлении со скоростью 150 км/ч относительно земли. А относительно первой эта машина имеет скорость 80 км/ч.
Но здесь возникает одна проблема – скорость света. Вычислена еще в 1675 г., но и в конце XIX в. все еще неясно, относительно чего она измеряется? Самый простой ответ, диктуемый принципом Галилея и основанной на нем ньютоновой механикой – относительно источника. Замечательно! Осталось проверить это на практике. Как? Наблюдением двойных звездных систем. Звезда-спутник, вращаясь вокруг звезды-патрона, то идет навстречу Земле, то удаляется от нее. В соответствии с принципом относительности движения, при встречном движении скорость света должна сложиться с источником (c+vзвезды), а при удалении наоборот (c–vзвезды). Все в точности, как в примере с ружьем и пулей. Тогда более быстрый свет, в какой-то момент времени, догонит медленный, и наблюдатель увидит вместо одного спутника – два. В нашей галактике тысячи наблюдаемых двойных, и ни разу, за тысячи лет, не было обнаружено подобного явления.
Грустный вывод: скорость света не зависит от скорости источника, и свет, тем самым, нарушает принцип Галилея. Если в упомянутом примере ружье заменить на фонарик, «стреляющий» светом, то последний, казалось, должен иметь разные скорости относительно передней и задней стенок вагона, поскольку мы не сможем прибавить или вычесть скорость фонарика.
Перед адептами натурфилософии[2] встает философский вопрос – что с этим делать? Экспериментально было замечено, что свет имеет постоянную скорость в определенных средах. Скажем, проходя сквозь толстое стекло, он замедлялся, но на выходе в вакуум сразу соответствовал своей скорости в вакууме. Такое поведение имеет звук. А звук – это волны, скорость которых зависит только от среды. Значит и свет – тоже волны.
Открытие волновой природы света, казалось бы, разрешило загадку скорости света, игнорирующей источник, но на самом деле породило одно из самых больших заблуждений в истории физики – придуманный от безысходности эфир. Некая невесомая, неосязаемая, неподвижная, неуловимая для исследования субстанция, заполняющая собой мировое пространство, колебания которой и есть свет. Эфир не был первым порождением безысходности в физике. До того флогистоном объясняли горение, а теплородом – передачу тепла. Со временем наука объяснила эти явления, и упомянутые ереси были выброшены за борт. Вера физиков в эфир была, словами академика Ландау, сродни вере дикаря в «духов граммофона», заставляющих звучать упомянутое устройство. Уже тогда эфир вызывал массу вопросов у физиков, и его терпели только потому, что не было достойной, подтвержденной расчетами и опытом, альтернативы.
Впрочем, поначалу казалось, что все сходится – помимо волновой природы света на эфир указывало явление аберрации, открытое еще в 1725 г. Суть его в том, что мы видим звезды не на том месте, где они должны быть, а чуть сдвинутыми по направлению движения Земли. Это объяснили «эфирным ветром», вызванным движением Земли сквозь эфир. Подобно тому, как ветер способствует косому дождю, эфирный ветер скашивает лучи света, что и вызывает аберрацию. Поскольку есть эфир, почему бы не измерить скорость Земли относительно него? Раз с эфиром взаимодействует только свет, то и скорость Земли можно узнать из дельты скоростей света поперек направления движения Земли и параллельно ему. Заодно можно проверить умозрительный опыт с фонариком в поезде, и узнать на самом ли деле свет будет двигаться с разной скоростью относительно передней и задней стенок вагона.
В 1881 г. американский физик Майкельсон измеряет скорость света в обоих направлениях. Она совершенно одинакова. Никакого эфирного ветра не существует! Незадолго до того Максвелл вычислил скорость электромагнитных волн, равную скорости света, и стало ясно, что свет – электромагнитные колебания. Из его уравнений выходило, что скорость света не относительна. Это подтверждалось опытами Майкельсона и… противоречило принципу Галилея. Более того, упомянутые опыты подтверждали принцип относительности для света в примере с вагоном (он, игнорируя скорость фонарика, тем не менее достигал обоих стен поезда с одинаковой скоростью), тогда как само поведение света грубо его нарушало (не складывались скорости с источником)! Парадокс на парадоксе! Быть может, принцип Галилея не работает? Но тогда рушится все стройное здание ньютоновой физики! И, более того, ставится под сомнение эфир, без которого свет становится совершенно необъяснимым.
Эфир надо было спасать. И первым бросился в атаку голландец Лоренц. Он предложил гипотезу сокращения. Суть ее в том, что эфирный ветер (опять!) сокращает тела по направлению движения (вопреки своей инертности и не осязаемости ничем, кроме света), и поскольку детали прибора Майкельсона тоже подвержены этому сокращению, то свет проходил меньшее расстояние, чем предполагалось, значит все-таки его скорость падала, и она есть вещь относительная. Это редчайший случай, этакий софизм наоборот, когда путем верных рассуждений был сделан ложный вывод. Со светом Лоренц попал пальцем в небо, но то самое сокращение, на самом деле станет (пусть и в совершенно другом физическом контексте) одним из камней фундамента Специальной теории относительности.
Выдающийся французский математик и физик Анри Пуанкаре тщательно разобрал уравнения Лоренца, математический анализ которых издал в 1905 г., за несколько месяцев до того, как Эйнштейн опубликует свою «К электродинамике движущихся тел». Пуанкаре, анализируя гипотезу Лоренца, вычислил, что не только сокращается длина по направлению движения (то есть, сокращается расстояние), но и время начинает течь медленней. Иными словами, расстояние и время есть вещи относительные, изменяющиеся от местонахождения наблюдателя. Этим относительным величинам не хватало малости – абсолюта, который был под самым носом: если в опыте Майкельсона сократилось не только расстояние, но и время, то на сокращенное расстояние свет потратил меньшее время, и значит его скорость не менялась! Но даже Пуанкаре не увидел этого за туманом эфира.
_____________
[1] Не путать с теорией относительности, чем грешат, временами, даже переводчики работ Эйнштейна.
[2] Старое название физики.
© φизика и лиρика, MMXIX
Все о теории относительности: