Естествознание. Базовый уровень. 10 класс
Шрифт:
Впервые приблизительно оценить скорость света удалось в 1676 г. датскому астроному Олафу Рёмеру. Он пытался объяснить непонятное явление, которое заключалось в том, что в те периоды, когда Юпитер находится на большом расстоянии от Земли, его спутники обращаются вокруг него медленнее, чем тогда, когда он приближается к Земле. Но время обращения спутников Юпитера не может зависеть от его расстояния до Земли. Рёмер предположил, что эта нерегулярность связана с конечной скоростью распространения света, которому требуется различное время для преодоления больших и малых расстояний. Ему удалось рассчитать скорость света, которая, как впоследствии оказалось, довольно близка к истинной. Эта точка зрения вначале вызвала резкие возражения со стороны последователей Декарта, но спустя полвека была подтверждена в более точных наблюдениях и с тех пор получила всеобщее признание.
В
Вскоре удалось показать, что скорость света не зависит от скорости того источника, из которого этот свет был испущен. Приведём пример. Если орудие, установленное на движущемся танке, выстрелит одновременно с точно таким же неподвижным орудием, то танковый снаряд полетит быстрее, так как скорость его вылета сложится со скоростью танка. Если же они одновременно зажгут прожекторы, то скорости обоих лучей не будут различаться. Ранее мы говорили о том, что со времён Гюйгенса общепринятым было мнение, что эти колебания происходят в особой среде – эфире, который иногда называли также светоносным эфиром. Эфир заполняет всю Вселенную, проникая во все материальные тела, и заполняет даже абсолютный вакуум. Он неподвижен, а все предметы проходят сквозь него подобно ситу, движущемуся в воде.
Здесь напрашивается сравнение со звуком. Представьте себе, что воздух, в котором распространяется звук, неподвижен (т. е. погода безветренная), а через него едет открытый автомобиль. Пассажиры автомобиля ощущают сильный ветер, дующий им навстречу. Из-за этого скорость звука в направлении от заднего сиденья к переднему будет меньше обычной, а в направлении от переднего сиденья к заднему – больше обычной. Пассажир на заднем сиденье легко расслышит слова водителя, но водитель с трудом услышит слова, сказанные пассажиром. Физики XIX столетия были уверены в том, что эфир должен вести себя точно так же, как и воздух, навстречу движущейся вокруг Солнца Земле должен дуть «эфирный ветер», который увеличивает или уменьшает скорость света в зависимости от направления, в котором этот свет распространяется. Измерив разницу между скоростью света, движущегося в восточном и западном направлении, можно определить скорость движения Земли относительно неподвижного эфира, её абсолютную скорость.
Такое измерение в 1881 г. провёл американский физик Альберт Майкельсон (1852–1931) с помощью сконструированного им прибора. Результат был поразительным. К своему величайшему удивлению, ни в одном направлении компаса он не обнаружил разницы в скорости, с которой свет проходил определённые расстояния. Это было похоже на то, как если бы пассажиры движущегося автомобиля не замечали дующего им в лицо встречного ветра. Большинство физиков отказались верить результатам опыта Майкельсона, впрочем, он и сам им не очень доверял, поскольку используемый им прибор не обладал очень высокой точностью. Однако, не обнаружив ошибок в своём опыте, он старался повторить его. Вскоре он познакомился с профессором химии одного американского университета Эдвардом Морли (1839–1923), и оба исследователя приступили к совместным экспериментам. В 1887 г. они провели знаменитый эксперимент Майкельсона – Морли, ставший одной из поворотных точек физики.
Прибор представлял собой систему зеркал, направлявшую световой пучок в определённом направлении. Лучи света отражались от зеркал, так что свет двигался несколько раз туда и обратно. Это было сделано для того, чтобы удлинить путь пробега. В то же время другая система зеркал точно так же заставляла пучок света
Такие результаты требовали объяснения. Проще всего было бы предположить, что Земля неподвижна, но в XIX в. в это уже никто не мог поверить. Наилучшим объяснением была теория, утверждающая, что эфир увлекается Землёй подобно воздуху в закрытом автомобиле. Но другие опыты опровергли такое объяснение. Лучший выход из этого запутанного положения нашёл Альберт Эйнштейн, создавший теорию относительности.
1. Как называлась среда, в которой, как предполагали физики до конца XIX в., распространяется свет?
2. Сравните распространение света и звука. В чём их сходство и отличия?
3. В чём состояло открытие Майкельсона и Морли?
4. Какие гипотезы предлагали учёные для объяснения результатов экспериментов Майкельсона – Морли?
§ 67 Основы теории относительности
В работе, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн сделал очень важное заключение. Он утверждал, что причина, по которой Майкельсон и Морли не могли наблюдать эфирный ветер, в том, что эфирного ветра нет.
Как мы знаем, классическая физика Галилея и Ньютона утверждает, что если вы находитесь внутри равномерно движущегося тела, скажем в вагоне поезда, и при этом не видите окружающий пейзаж, то не существует такого механического эксперимента, с помощью которого вы могли бы доказать, что движетесь. Если вы подбросите шарик прямо вверх, он упадёт прямо вниз. Всё происходит точно так же, как если бы поезд стоял. В то же время наблюдатель, стоящий на земле около вагона, если бы он умел видеть сквозь стены, увидел бы путь шарика кривым. По отношению к нему шарик опускался бы не в той же точке, откуда взлетал.
Теория относительности – это шаг вперед от физики Галилея– Ньютона. Она утверждает, что равномерное движение невозможно обнаружить не только с помощью механического измерения, но также и с помощью оптического измерения, т. е. измерения путём наблюдения электромагнитного излучения. Другими словами, если вы даже видите пробегающий за окном пейзаж, вы не сможете установить (конечно, если поезд движется абсолютно равномерно), что же именно движется – поезд или Земля.
Часто приходится слышать, что теория относительности утверждает, что всё в мире относительно, что она разрушает все абсолюты. Это утверждение совершенно неверно. В теории относительности есть по крайней мере одна абсолютная величина – скорость света в вакууме. В уравнениях её обозначают латинской буквой с. В классической физике скорость света должна была меняться в зависимости от движения наблюдателя. Но в опытах Майкельсона и Морли это положение было опровергнуто – скорость света была постоянной, независимо от того, был ли свет направлен вдоль или поперёк вращения Земли. Значит, неважно, как движется источник света или наблюдатель, скорость света по отношению к наблюдателю не меняется. Представим себе, что космонавт летит в космическом корабле вдоль светового луча со скоростью, равной половине скорости света. Измерения покажут, что свет относительно него всё равно движется со скоростью 300 000 км/с. Если бы свет двигался медленнее, то это означало бы, что навстречу движения корабля дует тот самый эфирный ветер, который обнаружить не удалось. А что будет, если космонавт движется по направлению к источнику света? Казалось бы, что свет приближается к нему в полтора раза быстрее. На самом деле свет всё равно движется к нему со скоростью 300 000 км/с.