Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении (страница 2)
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!
Эйнштейн сформулировал два принципа/предположения, которые доказывают свою ценность и по сей день. Они составляют ядро специальной теории относительности.
Принцип относительности: физические законы работают одинаково во всех неподвижных или прямолинейно и равномерно движущихся (то есть без ускорения) системах отсчета.
Постоянство скорости света: скорость света одинакова во всех системах отсчета (при условии ее измерения в вакууме).
Этим Эйнштейн показал, что правила классической механики, основанные на представлении об абсолютном пространстве и времени и математически опирающиеся на преобразование Галилея, не абсолютны. Они не подходят для околосветовых скоростей. Здесь преобразование Галилея необходимо заменить преобразованием Лоренца в уравнениях Максвелла, которое является единственным правилом преобразования, достаточным для всех систем координат. Специальная теория относительности одним махом разрешила все проблемы механики и электродинамики. Отпала необходимость в «абсолютной» системе отсчета. Правда, в повседневной жизни преобразованием Лоренца приходится пользоваться не так уж часто, даже небесная механика не всегда его применяет. Например, при вращении Земли вокруг Солнца, со скоростью около 30 километров в секунду, отклонения составляют всего 100 миллионных долей процента.
Преобразование Галилея дает хороший приблизительный результат, но, строго говоря, оно неточно. Зато преобразование Лоренца работает не только для электродинамики, но и для классической механики. Это и доказал Эйнштейн.
Но для этого ему понадобилось новое понятие «одновременности»: абсолютного времени не существует, оно зависит от конкретной системы отсчета! То, что кажется одновременным одному наблюдателю, не является одновременным для другого, если он находится в другом месте, но движется с той же скоростью или движется в том же месте, но быстрее или медленнее. Таким образом, расстояния и временные промежутки не универсальны, а относительны: время может как бы растягиваться, а пространство сокращаться. Разумеется, это противоречит повседневному опыту. Но эти эффекты впоследствии были блестяще подтверждены многочисленными экспериментами.
Однако не все относительно.
Скорость света Эйнштейн признал постоянной и не зависящей от системы отсчета.
Если измерить скорость света в вакууме, она будет равна 299 792,458 километрам в секунду. Везде и всегда.