Что такое теория относительности
Шрифт:
Вправе ли мы, однако, уподобить земной шар движущемуся поезду, о котором речь шла выше и который завел нас в тупик? Ведь поезд перемещается прямолинейно и равномерно, а Земля — по окружности? Вправе. Вполне допустимо считать, что за ничтожную долю секунды, необходимую свету, чтобы пройти через лабораторные приборы, Земля движется прямолинейно и равномерно. Ошибка, допускаемая при этом, столь мизерна, что не может быть обнаружена.
Но раз мы сравнили поезд и Землю, естественно было бы ожидать, что и на Земле, как и в нашем поезде, свет будет вести себя столь же странно: в разные стороны распространяться с
Принцип относительности торжествует
Такой опыт и был произведен в 1881 году одним из величайших экспериментаторов прошлого столетия Майкельсоном, который с весьма высокой точностью измерил скорость света в различных направлениях относительно Земли. Чтобы уловить ожидавшуюся небольшую разницу в скоростях, Майкельсону пришлось воспользоваться очень тонкой экспериментальной техникой и проявить в этом отношении огромную изобретательность. Точность опыта была столь велика, что можно было бы обнаружить и гораздо меньшую разницу в скоростях, чем предполагавшаяся.
Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Распространение света в движущейся лаборатории в действительности оказалось протекающим совсем иначе, чем это следовало из наших рассуждений. А именно: Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью. В этом отношении распространение света происходит так же, как и полет пули, — независимо от движения лаборатории, с одинаковой скоростью относительно ее стен по всем направлениям.
Таким образом, опыт Майкельсона показал, что явление распространения света, в противоположность нашим рассуждениям, нисколько не противоречит принципу относительности движения, а, напротив, находится в полном с ним согласии. Другими словами, наши рассуждения на стр. 27–29 оказались ошибочными.
Из огня да в полымя!
Итак, опыт освободил нас от тяжелого противоречия между законами распространения света и принципом относительности движения. Противоречие оказалось только кажущимся, обязанным, очевидно, ошибочности наших рассуждений. В чем же, однако, заключается эта ошибка?
Почти четверть века, с 1881 по 1905 год, физики всего мира ломали головы над этим вопросом, но все предлагавшиеся объяснения неизбежно приводили все к новым и новым противоречиям между теорией и опытом.
Если источник звука и наблюдатель перемещаются в движущейся клетке, сделанной из тонких прутьев, то этот наблюдатель чувствует сильный ветер. Если измерять скорость звука по отношению к клетке, то в сторону движения она будет меньше, чем в обратном направлении. Однако, помещая источник звука и производя измерения скорости звука в вагоне с закрытыми дверьми и окнами, мы найдем, что поскольку воздух увлекается вместе с вагоном, скорость звука в нем окажется одинаковой по всем направлениям.
Переходя от звука к свету, можно было бы для объяснения результата опыта Майкельсона сделать следующее предположение. При своем движении в пространстве Земля не оставляет эфир неподвижным, проходя через него подобно клетке из тонких прутьев. Наоборот, допустим, что она увлекает эфир, составляя с ним в своем движении одно целое. Тогда результат
Но это предположение находится в резком противоречии с большим количеством других опытов, например с распространением света в трубе, по которой движется вода. Если бы предположение об увлечении эфира было верным, то, измеряя скорость света в направлении движения воды, мы получили бы скорость, равную скорости света в неподвижной воде плюс скорость движения воды. Между тем непосредственное измерение дает скорость меньшую, чем следует из этого рассуждения.
Мы уже говорили о крайне странном положении, когда тела, проходя через эфир, не испытывают заметного трения. Но если они не только проходят через эфир, но и увлекают его за собой, то трение во всяком случае должно бы стать значительным!
Таким образом, все попытки обойти противоречие, создавшееся после неожиданного результата опыта Майкельсона, оказались безуспешными.
Подведем итоги.
Опыт Майкельсона подтверждает принципы относительности движения не только для движения обычных тел, но и для явления распространения света, то есть для всех явлений природы.
Как мы видели раньше, из принципа относительности движения непосредственно вытекает относительность скоростей: значения скорости должны быть различными для различных движущихся друг относительно друга лабораторий. Но, с другой стороны, скорость света — 300 000 километров в секунду — оказывается в различных лабораториях одинаковой. Следовательно, она не относительна, а абсолютна!
Глава четвертая
ВРЕМЯ ОКАЗЫВАЕТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ
А есть ли на самом деле противоречие?
На первый взгляд может показаться, что мы имеем дело с чисто логическим противоречием. Постоянство скорости света в разных направлениях подтверждает принцип относительности, в то же время сама скорость света — абсолютна.
Вспомним, однако, отношение средневекового человека к факту шарообразности Земли: для него шарообразная форма Земли стояла в резком противоречии с наличием силы тяжести, поскольку все тела должны были бы скатиться с Земли «вниз». Между тем мы достоверно знаем, что никакого логического противоречия здесь нет. Просто-напросто понятия верха и низа являются не абсолютными, а относительными.
То же положение имеет место и в вопросе о распространении света.
Было бы напрасным искать логическое противоречие между принципом относительности движения и абсолютностью скорости света. Противоречие появляется здесь лишь потому, что мы при этом незаметно для самих себя ввели еще и другие предположения, подобно тому как, опровергая шарообразность Земли, средневековые люди считали абсолютными понятия верха и низа. Эта смешная для нас вера в абсолютность верха и низа создавалась вследствие ограниченности их опыта: в то время люди мало путешествовали и были знакомы лишь с небольшими участками земной поверхности. Очевидно, нечто подобное произошло и с нами — по-видимому, из-за ограниченности нашего опыта мы что-то относительное приняли за абсолютное. Что же именно?