Файл: Станис Л.Я. Движение, пространство, время и теория относительности.pdf

4.ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ

ОСВОЙСТВАХ п р о с т р а н с т в а и в р ем ен и

Все началось, пожалуй, с оптики, электродинамики,

сизучения электричества и магнетизма.

УЭйнштейна и Инфельда в «Эволюции физики» мы

читаем:

«Во второй половине девятнадцатого столетия в фи­ зику были введены новые и революционные идеи; они открыли путь к новому философскому взгляду, отличаю­ щемуся от механического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности» ‘.

Действительно, новые идеи открыли новый путь к новому философскому взгляду на Мир, но пошли по нему далеко не все. Прошел его от начала до логического фи­ лософского завершения лишь Эйнштейн, в пути остано­ вились такие его выдающиеся соратники по созданию теории относительности, как Лоренц и Пуанкаре, хотя некоторые идеи и математические модели, вошедшие затем в золотой фонд теории относительности, они вы­ двинули раньше Эйнштейна.

В механике Ньютона мы имели массы и силы, дейст­ вующие между ними на расстоянии. Поле тяготения, по существу, не представляло собою ничего реального за пределами тяготеющих масс в пространстве, считалось, что силы тяготения, т. е. гравитационные взаимодействия,

57

действия. Сила тяготения между двумя тяготеющими массами зависит лишь от самих масс и расстояний

нальна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. С помощью законов механики можно, например, рассчитать движение Земли, зная силу, действующую между Солнцем и Землей. И Земля и Солнце принимают участие в игре сил тяготе­ ния на большом расстоянии, без затраты времени на рас­ пространение их воздействия. Действие на расстоянии (дальнодействие) находило свое оправдание в сущест­ вовании пустого пространства. Пустота не могла оказы­ вать никакого противодействия мгновенному распростра­ нению сил взаимодействия. Когда же при исследовании электричества и магнетизма было установлено, что про­ странство заполнено электромагнитным излучением, рас­ пространяющимся непрерывно, по принципу близкодействия от точки к точке, не мгновенно, а с постоянной ско­ ростью около 300 тысяч километров в секунду, пришлось задуматься над тем, могут ли в пространстве, заполнен­ ном электромагнитным волновым процессом, распрост­ раняться какие-либо взаимодействия с бесконечной ско­ ростью, мгновенно, в том числе и гравитационные. Однако по-настоящему задумались над этим не сразу, пожалуй, только после ряда экспериментов, особенно после отрицательных результатов эксперимента Майкельсона — Морли.

Электродинамика сначала привела к гипотезе суще­ ствования мирового эфира, заполняющего все простран­ ство, пропитывающего все материальные тела. Эфир должен был обладать одним единственным свойством, для которого он и был придуман, а именно — быть той материальной средой, в которой мог бы распространять-

58

ся волновой электромагнитный процесс. Иначе пришлось бы представить себе нечто, аналогичное распростране­ нию волновых колебаний от брошенного, например, в воду камня без самой воды, без того, что может коле­ баться. Не случайно Макс Планк весьма образно и метко охарактеризовал гипотезу эфира как дитя классической науки, зачатое во скорби, во скорби по абсолютной си­ стеме отсчета после того, как пришлось похоронить пус­ тое пространство, выполнявшее эту роль, в поисках материального носителя этой системы отсчета для того, чтобы электромагнитные колебания могли в ней распро­ страняться со столь, колоссальной, но постоянной и не бесконечной скоростью. Казалось, что с введением эфира все встанет на свои места. Электромагнитные колебания смогут распространяться в эфире непрерывно, с посто­ янной скоростью, подобно тому как звуковые колебания распространяются в воздухе, эфир, казалось, сможет выполнять теперь не только роль материальной среды, распространяющей электромагнитные взаимодействия, но и роль абсолютного тела отсчета. Постоянная ско­ рость распространения света 1 в покоящемся эфире да­ вала, как казалось, наконец, возможность рассматривать

отсчета — эфиром и любым конкретным состоянием дви­ жения материи. Через сравнение с постоянной скоростью света в эфире (в «пустоте») становилось в принципе возможным рассчитывать абсолютную, «истинную» ско­

1 Свет является видимой частью спектра электромагнитных ко­ лебаний. Часто под термином «свет» подразумевается весь спектр электромагнитного излучения и видимая и невидимая его часть, от радиоволн большой длины до рентгеновского излучения и гаммалучей.

59

рость любого конкретного состояния движения в его отношении к мировому пространству, сплошь заполнен­ ному эфиром. Наука как будто нашла, наконец, физи­ чески реальную точку опоры для абсолютного покоя в виде эфира, оптика преподносила науке давно искомую привилегированную систему отсчета в виде постоянства скорости света в мировом эфире. Не беда, что система отсчета распространяется с колоссальной скоростью 3 • 105 км/сек. Для математических расчетов эта трудность невелика. Зато за нею скрывается абсолютная мировая система отсчета, до сих пор предполагавшаяся сущест­ вующей чисто теоретически даже у Ньютона. Если к то­ му же представить эфир обладающим некоторыми свойствами абсолютно твердого тела, он выступит и в ро­ ли необходимого условия для установления абсолютной одновременности событий, сколь угодно пространственно разобщенных. Он мгновенно сможет передавать опреде­ ленные взаимодействия, информацию о событиях на лю­ бое расстояние (аналогично тому, как в классической механике представляется мгновенной передача удара по одному концу абсолютно упругого, жесткого стержня к его другому концу).

Структура электромагнитного поля описывалась уравнениями Максвелла. Ареной действия законов элек­ тродинамики оказывалось все пространство, а не просто отдельные тела или заряды, как это было в механических законах. Зная положение и скорость частиц в начальный момент времени, зная действующие силы, в механике можно было точно предсказать траекторию движения частицы для любого будущего времени. В теории Мак­ свелла, по состоянию электромагнитного поля в тот или иной момент времени также можно предсказать, как бу­ дет изменяться в пространстве и во времени теперь уже все поле. Если уравнения механики как бы позволяют

60

нам следовать за историей отдельных тел в пространст­ ве, то уравнения электродинамики позволяют нам следо­ вать за эволюцией поля в целом в отношении мирового эфира. Сам Максвелл предложил один из возможных экспериментов установления абсолютной скорости дви­ жения тел относительно мирового «эфирного моря». По­ добных попыток было сделано много К Однако все они, как казалось, были неудачными, потому что никак не могли зафиксировать таковую скорость.

Самый серьезный удар по теории эфира был нанесен опытами американских ученых, сначала опытом Майкельсона (1881), затем более точными экспериментами Майкельсона совместно с его другом и коллегой Морли

(1887).

Суть опыта Майкельсона — Морли заключалась в по­ пытке установить движение Земли относительно мирово­ го эфира по той разнице, которая должна была получать­ ся в скорости распространения луча света от одного источника, но в разных направлениях. В одном случае при помощи специальной системы зеркал он направлял­ ся продольно к движению Земли вокруг Солнца. В дру­ гом — в поперечном направлении. Движение света туда и обратно в одном, например в продольном, направле­ нии должно было бы продлиться несколько дольше, чем в другом, поперечном направлении. На преодоление полного пути прямо против эфирного «ветра» должно было бы затрачиваться больше времени, чем в том слу­ чае, когда пучок распространялся перпендикулярно к не­ му на очень небольшую величину, пропорциональную1

1 К ним в определенной мере относятся опыты Aparo (1810), Физо (1851), Эйри (1871) и др. См.: Б. И. С п а с с к и й . Очерк возникновения и развития теории относительности. История и мето­ дология естественных наук. Вып. 1. Физика. Изд-во МГУ, 1960.

61

квадрату отношения скорости Земли к скорости света1. И все-таки эта разница должна была быть обязательно обнаружена интерферометром Майкельсона, так как оба луча, сходясь в один, должны были бы изменять интер­ ференционную картину спектра в зависимости от степе­ ни поворота этих лучей к направлению движения Земли. Ничего подобного не произошло. Схематично опыт мож­

/

Солнца. См. популярное объяснение в книге Гарднера «Теория отно­ сительности для миллионов», М., 1965, стр. 30—33.

62

Теоретически предполагалось, что положение интер­ ференционных полос должно заметно меняться, так как оно определяется разностью в абсолютной скорости, полученной 1 и 2 лучами за время, в течение которого они проходят соответственно равные пути от пластины Д до зеркал 5 ^ 2 и обратно; при этом вся система могла поворачиваться вокруг своей оси и менять направление лучей 1 и 2 к движению Земли в отношении покояще­

гося мирового эфира.

Свет вел себя, с точки зрения классической физики, очень странно: он обладал особой, универсальной приро­ дой постоянства. Майкельсон и Морли обнаружили, что

и т. п.), как бы с совершенно одинаковой скоростью. По­ лучалось, что свет не подчиняется классическому закону сложения скоростей. Иначе говоря, если в мчащемся ми­ мо платформы поезде, например, пустить луч света по ходу поезда или против него, его скорость в отношении платформы оказывается точно такой же, как и в отно­ шении стенок поезда, т. е. 300 000 км/сек. Свой опыт они повторяли и позже с более совершенными приборами, но всякий раз результат был отрицательным, т. е. интер­ ференционная картина не менялась. Повторяли подоб­ ные эксперименты и другие исследователи. Гарднер, на­

свет от противоположных сторон вращающегося Солнца. Все результаты опытов, при помощи которых пытались установить скорость движения тел относительно мирово­ го «эфирного моря», т. е. абсолютную, истинную ско­ рость, отличающуюся от скоростей относительных, ока­

зались о т р и ц а т е л ь н ы м и .

63

Сами Майкельсоы и Морли так и не могли с этим сми­ риться. Они относили отрицательные результаты своих опытов, например, за счет возможных просчетов в техни­ ке эксперимента. Физики временно стали в тупик перед столь невообразимой для привычного образа мышления ситуацией. Выдвигались самые разнообразные гипотезы и предположения. Одни считали, что эфир, как воздух внутри замкнутой системы, полностью увлекается дви­ жущимся телом (Стокс), другие — что он увлекается ча­ стично (Френель). Но все эти предположения оказыва­ лись весьма искусственными, придуманными, как гово­ рится, ad hoc К Они не разрешали сложившейся драма­ тической ситуации. Драматизм ее, пожалуй, возник гораздо раньше (хотя и не был замечен) уже тогда, ког­ да теоретически был введен в картину мира «Эфир». Эфир приводил к необходимости отказаться от всеобще­ го значения принципа относительности, потому что давал возможность устанавливать и состояние абсолютного покоя, и абсолютную скорость движения, в то время как в механике Галилея — Ньютона все «покоящиеся», а так­ же без ускорения равномерно движущиеся системы бы­ ли равноправны, поскольку все тела в них подчинялись одинаковым законам движения, скорость их движения практически выступала всегда относительной. В расче­ тах существовала не одна «покоящаяся» система отсче­ та, а бесчисленное множество «покоящихся» материаль­ ных систем, движущихся относительно друг друга равно­ мерно без ускорения, с различными скоростями. Если бы обнаружили теперь абсолютную, в отношении мирового эфира, скорость движения, что было бы со в с е м и инерциальными системами, с галилеевым принципом от­ носительности, по которому в с е без исключения инер-1

1 К случаю.

64