Рюдигер Ваас – Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении (страница 2)

Конец эфира…

Специальная теория относительности, описание которой Эйнштейн предложил для публикации 30 июня 1905 года, отвечала на два важнейших вопроса, волновавшие тогда физиков. Над ними уже работали другие ученые, и некоторые из них были довольно близки к решению.

Если бы существовал подвижный эфир, с которым были бы связаны свет и другие электромагнитные волны, то эксперименты исключительной точности показали был наличие эфирного ветра.

Но никому не удалось найти то решение, которое разрубило бы запутанный узел теорий, распутать который было уже невозможно. Только Эйнштейн смог так изменить привычную точку зрения, чтобы увидеть путь к этому решению. Кстати, Эйнштейн не был особенно доволен термином «теория относительности». «Я признаюсь, что это не было счастливой находкой, и она дала повод для философских заблуждений», – писал он в 1921 году. Теория ни в коем случае не утверждала относительность всего, она показывает то, что справедливо во всех системах отсчета, т.е. что не зависит от координат или точки зрения наблюдателя.

Одна проблема была в противоречии между теорией и результатами опытов (то есть реальностью). Другая – в противоречиях между двумя теориями, которые были хорошо подтверждены экспериментами. Эти противоречия ставили под сомнение привычную картину мира и одновременно побуждали к поиску лучших объяснений.

Первая проблема требовала наличия в пространстве некоего неощутимого посредника – эфира. Именно в нем должны были распространяться электромагнитное излучение (например свет или радиоволны), так же как звук распространяется по воздуху. Это утверждала уже очень хорошо зарекомендовавшая себя теория электромагнетизма.

Если эфир существует, скорость света, измеренная на Земле, должна различаться в зависимости от направления солнечных лучей относительно эфира. Земля летит вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду, скорость света будет меняться в зависимости от того, совпадает ли движение Земли с движением эфирных волн, перпендикулярно, или затем снова противоположно направлению движения Земли.

Если Земля движется в абсолютно неподвижном эфире, то два луча света, направленные перпендикулярно друг другу, будут иметь разную скорость. Это проверили в эксперименте с интерферометром Майкельсона – Морли. Луч света «расщеплялся» с помощью полупрозрачного зеркала, и каждый новый луч направлялся по своему пути, отражался в другом зеркале, и наконец эти два луча снова «собирались» на детекторе. Если устройство поворачивать под разным углом к гипотетическому «эфирному ветру», то, с точки зрения неподвижного наблюдателя, луч света, движущийся в направлении движения Земли, должен быть немного медленнее, чем луч, направленный перпендикулярно ему. Поэтому, если бы эфир существовал, то световые лучи не попали бы на экран одновременно. Более того, из-за движения Земли по орбите «эфирный ветер» должен был «обдувать» ее по-разному в зависимости от времени года. Тогда экспериментаторы бы заметили, что интерференционная картина (чередование светлых и темных полос) смещается. Однако эта картина постоянна, никаких изменений нет, как очевидно, не было и эфира.

Но точнейшие измерения, проводившиеся с 1881 года в первую очередь американскими физиками Альбертом Абрахамом Майкельсоном[8] и Эдвардом Уильямсом Морли[9], показали, что таких изменений не происходит.

Специальная теория относительности не нуждалась в существовании эфира. «Введение светоэфира кажется излишним» – так сформулировал это Эйнштейн в своей новаторской работе, и благодаря ей все физики получили известие о кончине эфира.

…и электризующее противоречие

Другая проблема казалась чисто теоретической. Она звучит как жалобы мнительного бухгалтера, однако коренится в нашем повседневном опыте.

Часто бывает трудно понять, находимся ли мы в покое или движемся. Это не признак безумия. Любой, кто часто путешествует на поезде, знаком с этим явлением: если вы спокойно смотрите в окно или на отражение в оконном стекле, то иногда видите поезд, идущий по соседнему пути… и чувствуете, что движется ваш поезд. Или наоборот. Хотя эта иллюзия пропадает, стоит вам почувствовать ускорение, но если вы хотите спать или увлечены чтением книги, то можете не заметить, что ваш поезд тронулся в путь.

Эйнштейн охотно пользовался примером с поездами для описания относительности движения. Он писал:

«Если кто-то находится в вагоне, который движется равномерно по прямой и окно которого завешено, то он не сможет решить, в каком направлении и с какой скоростью едет вагон; если исключить неизбежную тряску, невозможно будет решить даже вопрос, едет вагон или нет. Выражаясь абстрактно: мы не найдем различий между первоначальной системой отсчета (Земля) и равномерно движущейся системой (вагон), для равномерно движущейся системы (вагон) действуют те же законы, что и относительно исходной системы (Земля); мы называем это утверждение принципом относительности равномерного движения».

Этот принцип уже применялся в классической механике Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном. Два наблюдателя, равномерно и прямолинейно движущиеся относительно друг друга, не могут определить, кто из них «главный», они равноправны.

Тогда любое событие можно описать как в одной системе отсчета, так и в другой. Нужно только «перевести» движение из одной системы координат в другую. И для этого существует правило преобразования, разработанное Галилеем. Оно работает для всех инерциальных систем классической механики – это системы отсчета, которые находятся в состоянии покоя или движутся равномерно и прямолинейно.

Поезда, стоящие на подъездных путях или проезжающие мимо друг друга с постоянной скоростью, являются примерами таких инерциальных систем. Если мы будем проводить в них физические эксперименты, то придем к тем же результатам и выведем из них те же законы природы.

Правила преобразования координат имеют большое значение. Ведь законы природы не зависят от того, где находится ученый. Поэтому Ньютон ввел понятия абсолютного времени и пространства в качестве основы физики: относительно них движение можно было описать повсюду во Вселенной и с точки зрения всех наблюдателей, независимо от их собственной скорости.

Таким образом и тот, кто, задыхаясь, бежит стометровку, и тот, кто предпочитает целый день неподвижно лежать на пляже, с точки зрения физики абсолютно равноправны.

Согласно Ньютону, время абсолютно и ни от чего не зависит. Время и пространство – это неподвижная мировая сцена, на которой разыгрывается действие. А значит, абсолютна и одновременность событий. Она не зависит ни от систем отсчета, ни от положения наблюдателя. И именно эти предположения опровергла специальная теория относительности. Второй и очень важной для Эйнштейна проблемой была несовместимость законов классической механики с теорией электромагнитных полей. Центром этой теории являются уравнения электродинамики Максвелла. Джеймс Клерк Максвелл[10] сформулировал их в Лондоне в 1864 году, и это было нечто «самое глубокое и плодотворное, что физика открыла со времен Ньютона», как сказал Эйнштейн в 1931 году на праздновании 100-летия со дня рождения Максвелла.

Но описания физических процессов с точки зрения различных наблюдателей, которые равномерно и прямолинейно движутся друг относительно друга, не совпадают и в классической механике, и в теории электромагнитных полей!

Для уравнений Максвелла применяется другое преобразование, чем для механики, – преобразование Лоренца, названное в честь Хендрика Антона Лоренца[11].

То, что для систем координат необходимо использовать два разных правила преобразования, можно было бы сравнить с раздвоением личности. Одно и то же событие пришлось бы описывать разными способами, хотя мир все же кажется единым целым, тем более что электромагнитные явления могут воздействовать и на механические, и наоборот. Это фундаментальное противоречие между двумя хорошо подтвержденными экспериментально физическими теориями Эйнштейн считал «невыносимым». Оно стало отправной точкой его революционных идей. Он не хотел соглашаться с тем, что природе понадобились два разных правила для систем координат: преобразования Галилея и преобразования Лоренца.

Хотя эта абстрактная проблема может показаться надуманной и скучной, она буквально наэлектризовала Эйнштейна и некоторых его современников. И именно электродинамика стала для них головной болью (как и проблема эфира). Неслучайно знаменитая статья Эйнштейна по теории относительности озаглавлена «К электродинамике движущихся тел». Звучит довольно безобидно, не так ли? Но на самом деле это была настоящая революция в физике! Она привела к совершенно новому пониманию пространства и времени, материи и энергии. И это несмотря на то, что Эйнштейн был убежден:

«Вся наука – это всего лишь усовершенствование повседневного мышления».

Специальная теория относительности – пространство и время относительны

Короче говоря, Эйнштейн отказался от правил преобразования, принятых в механике, и признал верными только правила электродинамики. При этом он утверждал, что противоречия и исчезают, если отказаться от абсолютного времени пространства. Это было не просто математическим упражнением, не просто мысленным экспериментом, в специальной теории относительности был физический смысл. Ее практические следствия противоречили предыдущей теории, но оказались подтвержденными экспериментально. А это – лучшее, что может случиться с научной теорией!