Теория относительности. Для тех, кто хочет всё успеть

В опыте Майкельсона – Морли световой луч делили на два и отправляли по плечам прибора, расположенным перпендикулярно друг другу. Затем лучи снова объединялись, и исследователи наблюдали интерференционную картину. Если «эфирный ветер» существует, то луч, идущий по «ветру» или против него, должен был испытывать небольшую задержку по сравнению с идущим поперек. Эту задержку ожидали увидеть как заметный сдвиг интерференционных полос при повороте прибора.

Почему нужен поворот? Потому что направление «эфирного ветра» относительно установки меняется, если повернуть прибор на девяносто градусов: то, что было вдоль «ветра» становится поперек и наоборот. Интерференционная картина должна была сдвигаться – именно этого и ждали экспериментаторы.

Альберт Майкельсон стал первым американским ученым, получившим Нобелевскую премию по физике. В 1907 году его наградили за разработку исключительно точных оптических методов измерения

В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли вместе провели знаменитый опыт. Они установили интерферометр на массивной платформе, которую можно было плавно вращать. Чтобы уменьшить вибрации и температурные эффекты, установка была тщательно изолирована, а измерения повторялись многократно в разное время суток и в разные сезоны. Это было важно: предполагалось, что скорость Земли относительно эфира должна меняться по мере движения по орбите, и эффект мог проявляться сильнее или слабее в разные периоды года.

Ожидание было вполне определенным: при повороте прибора полосы должны сдвинуться. Однако на деле сдвиг либо отсутствовал, либо был настолько мал, что не соответствовал расчетам. Проще говоря, «эфирный ветер» обнаружить не удалось.

Созданный Майкельсоном интерферометр оказался настолько чувствительным прибором, что позднее его применяли для уточнения длины световой волны и более точного определения скорости света

Нулевой результат опыта Майкельсона – Морли не означал, что экспериментаторы сделали ошибку. Напротив, тщательность подготовки и повторяемость измерений заставили физиков задуматься: что именно не работает в привычной картине мира? Если эфир существует и Земля движется через него, почему прибор не видит ожидаемой разницы в скорости света?

Сначала многие пытались спасти гипотезу эфира, предлагая разные объяснения. Одно из них сводилось к тому, что эфир может увлекаться Землей. Если бы эфир частично двигался вместе с планетой, то относительная скорость между ним и лабораторией уменьшалась бы, а значит, «эфирный ветер» становился бы слабее. Однако такой вариант плохо согласовывался с другими явлениями – например, с аберрацией света в астрономии, которая уже тогда была известна и указывала на то, что эфир не ведет себя как обычная среда, «прилипшая» к Земле.

Другой, более изощренный вариант независимо друг от друга предложили голландский физик Хендрик Лоренц и его коллега из Ирландии Джордж Фицджеральд. Они выдвинули гипотезу сокращения длины: если тело движется через эфир, то его размеры в направлении движения немного уменьшаются. В таком случае во время опыта плечо интерферометра, ориентированное по направлению «эфирного ветра», становилось чуть короче. Это могло компенсировать ожидаемую задержку луча и спрятать эффект. Иными словами, «эфирный ветер» существует, но прибор устроен так, что одновременно с изменением скорости света происходит изменение размеров установки, и результаты взаимно уничтожаются.

После эксперимента Майкельсона – Морли аналогичные измерения проводились в разных лабораториях. Более совершенные приборы позволяли фиксировать еще более малые эффекты, однако результат оставался тем же

Это объяснение выглядело как математически возможное, но вызывало ощущение искусственно притянутого. Почему тела должны сокращаться именно так, чтобы скрыть эффект? Какой физический механизм за этим стоит? И главное, почему сокращение должно зависеть от скорости относительно эфира, который при этом остается необнаружимым?

Появлялись и другие гипотезы: о неравномерности эфира, о сложных взаимодействиях с веществом, о температурных влияниях, которые могли бы маскировать эффект. Но со временем стало ясно, что проблема не исчезает: последующие опыты, выполняемые с большей точностью, также не обнаруживали ожидаемого «эфирного ветра».

Постепенно сложилось странное положение. С одной стороны, теория Максвелла прекрасно описывала электромагнитные явления и давала постоянную скорость распространения электромагнитных волн, а классические представления о сложении скоростей и о «механической» природе пространства подталкивали к идее эфира и к ожиданию «эфирного ветра». С другой стороны, эксперимент упорно показывал: никакого «ветра» не видно.

Здесь и произошел радикальный поворот в истории физики: так как эфир не удалось обнаружить никакими опытами, его статус стал сомнительным. Из физической сущности он превратился в удобную, но пустую гипотезу. Все больше ученых приходили к мысли, что, возможно, ошибочно само исходное ожидание и скорость света не должна складываться с движением источника или наблюдателя по классическим правилам.

На этом фоне стало возможным новое решение, предложенное Эйнштейном. Он не пытался придумывать новые способы «спасти» эфир, а пересмотрел сами основы того, как мы понимаем время, длину и одновременность в разных системах отсчета. Но к этому мы подойдем постепенно – сначала нужно четко сформулировать принципы, на которых построена специальная теория относительности.

Голландский физик Хендрик Лоренц предположил, что размеры движущихся тел могут сокращаться. Но материального сокращения при этом не происходит. Это своеобразный кинематический эффект, связанный с измерениями длины в разных системах отсчета согласно все той же теории относительности

Как мы видим, к концу XIX века физика оказалась в необычном положении. С одной стороны, механика Ньютона прекрасно описывала движение тел – от падения камней до траекторий планет. С другой – теория Максвелла успешно объясняла электрические, магнитные и световые явления. Обе концепции давали точные предсказания и подтверждались экспериментами. Однако при попытке объединить эти представления возникали трудности.

Классическая механика исходила из того, что пространство и время одинаковы для всех наблюдателей. Если два события происходят одновременно в одной системе отсчета, то они должны быть одновременны и в любой другой, движущейся равномерно. Кроме того, скорости должны складываться по обычному правилу: скорость тела относительно одной системы равна сумме его скорости относительно другой и скорости самой системы.

В конце XIX века многие физики считали, что основные законы природы уже открыты. Однако новые эксперименты в области электричества, излучения и атомной физики показали, что классическая картина мира требует пересмотра

Но электродинамика Максвелла приводила к иному результату. Из ее уравнений следовало, что электромагнитные волны распространяются в пространстве с определенной скоростью, которая не зависит ни от движения источника света, ни от движения наблюдателя. Здесь и возникало противоречие: если применять классическое правило сложения скоростей, то скорость света должна меняться при переходе из одной системы отсчета в другую, но уравнения Максвелла не допускали такого изменения, всегда давая одно и то же значение.

Физики пытались устранить это противоречие разными способами, но становилось ясно, что проблема лежит глубже и трудность возникает не из-за несовершенства экспериментов и даже не из-за отсутствия эфира. Возможно, пересмотра требовали сами основы классической картины мира.

До этого момента пространство и время считались независимыми и неизменными. Они служили своего рода контейнером, в котором происходят физические процессы; движение тел происходило в этом пространстве и измерялось одинаковым временем. Но если скорость света одинакова для всех наблюдателей, привычные представления о времени и расстоянии начинают вызывать вопросы. Возможно, измерения времени и длины в разных системах отсчета не так просты, как казалось раньше.

Начало XX века стало временем радикальных перемен в физике. Появились теория относительности, квантовая теория и новые представления о строении атома

В начале XX века молодой физик Альберт Эйнштейн предложил новое решение этой проблемы. Он исходил из двух простых предположений: законы физики должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета, а скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей.

Этих двух принципов оказалось достаточно, чтобы построить совершенно новую картину пространства и времени. Именно она получила название специальной теории относительности. В следующей главе мы рассмотрим, какие идеи лежат в ее основе и почему они привели к столь необычным выводам.

Альберт Эйнштейн был не только великим ученым, но и символом эпохи, чьи идеи изменили взгляд на устройство Вселенной и повседневные технологии

Альберт Эйнштейн, немецко-американский физик, создатель специальной и общей теории относительности. Фотография 1921 года

Юстус Сустерманс. Портрет Галилео Галилея. 1636–1640 годы. Национальный морской музей. Лондон, Великобритания