Очевидное? Нет, еще неизведанное…
Шрифт:
Трудно понять, как именно он понял то, что он понял. Пожалуй, решающую роль сыграло то непонятное и неуловимое, что обычно определяют как «интуиция».
Как рассказывает сам Эйнштейн, с 16 лет он задумался над вопросом: что увидит наблюдатель, который движется за лучом света со скоростью света?
«Если бы я стал двигаться за лучом света со скоростью с (скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли» [59] .
59
Легко
Кстати, забавно, хотя и не очень связано с тем, что нас сейчас волнует, что наблюдатель, начавший в какой-то момент двигаться от источника света со скоростью большей, чем скорость света, должен видеть события, происходящие в источнике света, в обратном порядке. Он как бы увидит кинопленку, пущенную от конца к началу.
Итак, Эйнштейн не понимал, как можно удовлетворительно построить теорию, допуская, что скорость света в разных системах отсчета различна и зависит от движения источника света в данной системе. После многих лет размышлений он, наконец, находит выход: следует изменить не только электродинамику, нет… всю физику. Как видите, все было очень просто.
Вот как он формулирует постулаты новой теории в первой работе.
1. «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения относятся».
2. «Каждый луч света движется в „покоящейся“ системе координат (в любой данной инерциальной системе координат. — В. С.) с определенной скоростью с, независимо от того, испускается этот луч покоящимся или движущимся телом».
Итак, первое — принцип относительности, второе — независимость скорости света от движения источника.
А как быть с эфиром в новой теории?
«Введение светового эфира окажется при этом излишним, — пишет Эйнштейн, — поскольку в предполагаемой теории не вводится абсолютно покоящегося пространства, наделенного особыми свойствами…»
Как видите, загадку эфира Эйнштейн решает сразу. Эфира нет. Не существует никакой гипотетической среды с механическими свойствами. Просто само пространство обладает свойствами передавать электромагнитные колебания, и только. Вообще-то для истребления эфира достаточно одного принципа относительности, и в баллистической теории Ритца эфир также уничтожается.
Ну что же, эфиром скрепя сердце можно пожертвовать. В конце концов отрицательные результаты всех попыток выявить абсолютное движение Земли принцип относительности объясняет сразу, а с эфиром достаточно намучились и помимо опыта Майкельсона.
Второй постулат сам по себе выглядит также довольно естественно (между прочим, он был принят в теории неувлекаемого эфира).
Но как можно их согласовать? Ведь совсем недавно мы как будто показали, что из принципа относительности однозначно следует баллистическая теория.
Если вспомнить, как доказывалась зависимость скорости света от движения источника, мы увидим: кроме принципа относительности, использовалась только формула сложения скоростей, хорошо известная из механики. Вот она.
Если скорость тела B относительно тела A равна v1, а скорость C относительно B — v2, то скорость C относительно A равна v1 + v2.
Вспомним пример со световыми вспышками в вагоне поезда и посмотрим, можно ли совместить принцип относительности с постулатом о постоянстве скорости света.
Попытаемся опровергнуть Эйнштейна. Чтобы показать несостоятельность теории относительности, используем, например, классический прием — reductio ad absurdum («приведение к нелепости», или «доказательство от противного»). Примем постулаты Эйнштейна и посмотрим, к каким выводам они приводят [60] .
60
Здесь уместно сделать маленькое отступление. Так же как и в классической физике, в специальной теории относительности «пустое пространство» считается «однородным и изотропным». Иными словами, физические свойства пространства совершенно идентичны по всем возможным направлениям. Выделенного направления нет (изотропность). Точно так же равноправны все точки пространства (однородность). Изотропность и однородность пространства подразумеваются всюду в дальнейшем.
Строго говоря, это тоже некий постулат, вытекающий из всего нашего опыта. Изотропность пространства по отношению к «электромагнитным процессам» видна, например, из того факта, что скорость света одинакова во всех направлениях (фронт световой волны занимает поверхность сферы). Еще раз с удовольствием отметим: физические утверждения даже самого общего характера всегда диктуются только опытом. Без ссылки на опыт всякие рассуждения беспредметны. Могло оказаться, что «пустое» пространство устроено подобно кристаллу и анизотропно. Только практика может убедить в противном. Она и убеждает…
Пусть точно в середине вагона экспресса произошла мгновенная вспышка света. Световая волна побежит во все стороны и через ничтожный промежуток времени достигнет как передней, так и задней стенок вагона. Допустим, этот момент прихода мы можем зафиксировать точными приборами.
Одновременно или неодновременно придет световой сигнал к задней и передней стенкам?
Наблюдатель, использующий систему отсчета, жестко связанную с вагоном (для естественности посадим его внутрь вагона), заявит: «Конечно, световой сигнал дошел до обеих стенок одновременно». Действительно, скорость света одинакова во всех направлениях (изотропность пространства), расстояние до стен одинаковое (источник в середине), вагон покоится. Естественно, сигнал дойдет одновременно до задней и передней стенок.
Наблюдатель же на полотне (система отсчета — полотно железной дороги) заявит, что сигнал дошел до стенок неодновременно. Действительно, источник света в его системе движется, но согласно второму постулату Эйнштейна это движение на распространение света никак не влияет. Световой сигнал снова распространяется по всем направлениям с одной и той же скоростью с относительно источника. Однако передняя стенка вагона «убегает» от светового сигнала, а задняя соответственно «набегает» на него. Следовательно, задней стенки сигнал достигнет несколько раньше, чем передней.
Итак, п'aра событий в одной системе одновременна, а в другой — нет. Результат достаточно странный. Может быть, этот «нелепый» вывод доказывает, что постулаты Эйнштейна противоречивы?
Число таких парадоксальных примеров можно увеличить. Однако, вероятно, и сказанного вполне достаточно, чтобы прийти в недоумение.
Подведем итог.
В самом начале работы Эйнштейн сталкивается с такими следствиями своих постулатов, что совершенно ясно: либо надо сразу признать полную несостоятельность теории, либо придется менять все основные представления о пространстве и времени, структуру всей физики с начала до конца.