Жуков О.І. "Введення в теорію відносності" (фрагменти з книги)

[ повернутися до змісту сайту ]

Отже, фізичні поняття і величини діляться на абсолютні і відносні. Вимірюючи відносні величини, ми завжди повинні вказувати, по відношенню до якого тіла вони вимірюються; для велич абсолютних такого вказівки не потрібно. І ми так звикли до цього поділу, що найменший відступ від нього вважаємо верхом безглуздя. Що б ми, справді, сказали про людину, який став би стверджувати, що швидкість абсолютна, а маса відносна? Швидше за все порадили б йому звернутися до лікаря ...

Принцип відносності, який підтверджується все новими і новими фактами, увійшов в фізику настільки міцно, що став необхідною складовою частиною наукового світогляду.

§ 3. Швидкість світла

Все це не залишало б бажати нічого кращого, якби не деякі факти, вперто не бажали укладатися в таку струнку і логічно закінчену схему. Особливо перекірливими в цьому відношенні виявилися закони поширення світла.

Швидкість світла вперше була виміряна в 1675 році. Вона виявилася колосальною - близько 300000 км / сек

*) .

Зрозуміло, що маленькій вона виявитися і не могла - адже вважали ж довгий час, що світло поширюється миттєво. Однак швидкість - поняття відносне. Говорячи про швидкість світла, ми повинні вказати, по відношенню до якого тіла вона становить 300 000 км / сек. Принцип є принцип.

Ось тут-то природа і задала фізикам велике завдання.

Справді, до якого тіла віднести швидкість світла? Мабуть, перше, що тут може прийти на розум, - це припустити, що світло рухається зі швидкістю 300 000 км / сек по відношенню до свого джерела. Іншими словами, швидкість світла повинна складатися зі швидкістю джерела, подібно до того, як швидкість кулі складається зі швидкістю рушниці, з якого вона вилетіла. Але біда в тому, що ця гіпотеза ніяк не узгоджується з деякими астрономічними спостереженнями.

Мал. 3.

Астрономи відкрили на небі велика кількість так званих подвійних зірок, т. Е. Пар зірок, що знаходяться один від одного на порівняно невеликій відстані і звертаються навколо одна одної за законом всесвітнього тяжіння. Для багатьох подвійних зірок вдалося виміряти їх відстань від Землі, відстань один від одного і швидкість обігу. І ці результати дозволяють винести гіпотезі "рушниці і кулі" самий недвозначний і безапеляційний вирок.

Уявімо собі (рис. 3), що зірка У обертається навколо зірки А за годинниковою стрілкою. У положенні

1

швидкість відправляється нею на Землю світла повинна складатися зі швидкістю зірки, а в положенні 2 швидкість зірки буде відніматися з швидкості світла. І хоч зірки рухаються в порівнянні зі світлом надзвичайно повільно, все ж цієї різниці швидкостей цілком достатньо, щоб протягом свого довгого подорожі "швидкий" світло наздогнав і перегнав "повільний", перш ніж обидва вони потраплять в уготованную їм пастку - об'єктив телескопа. Неважко собі уявити, що тоді повинен побачити астроном. Якщо обидва променя дійдуть до нього одночасно, він замість подвійної зірки побачить потрійну, так як, окрім центрального світила, свій "привіт" надішле йому і супутник, причому відразу в двох примірниках, з двох різних місць. Якщо відстань ще більше, то спостерігач побачить зірку-супутника в положенні 2 раніше, ніж в положенні 1, а часом супутник буде подвоюватися. Але ніяких таких зоряних "привидів" на небі ніхто ніколи не бачив, хоча, згідно з точним розрахунками, вони обов'язково повинні були б спостерігатися. Доводиться визнати, що наша гіпотеза про швидкість світла суперечить досвіду і повинна бути відкинута.

Отже, швидкість світла не може залежати від швидкості джерела. Існує ще один вихід - припустити, що світло поширюється в якоїсь середовищі, подібно до того, як звук поширюється в повітрі. На це вказує і хвильова природа світла. Швидкість звуку дорівнює

~ 330 м / сек щодо повітря. Швидкість світла повинна бути дорівнює 300 000 км / сек по відношенню до гіпотетичної світлоносний середовищі.

Теорія, що визнає існування особливої світлоносний середовища - ефіру - існувала у фізиці досить довго. Відповідно до цієї теорії, світло являє собою пружні коливання ефіру, так само як звук - це пружні коливання повітря. Успіхи гідродинаміки і акустики вказали шлях до побудови точної математичної теорії руху ефіру. Однак, незважаючи на те, що теорія ефіру змогла дати якісне пояснення багатьом оптичних явищ, для точного кількісного узгодження теорії з досвідом ефір довелося наділити вельми дивними і навіть фантастичними властивостями. Він повинен був бути невагомим, не міг чинити опору руху тіл і в той же час вільно проникати всередину принаймні всіх прозорих середовищ. Коротше кажучи, ефір все більш підозріло став схожим на ті самі гіпотетичні "середовища" і "рідини", які свого часу були придумані для пояснення недостатньо досліджених явищ і які були скасовані подальшим розвитком науки. Наприклад, для пояснення явища горіння був винайдений флогистон. Розвиток хімії привело до

відмови від цієї гіпотези. Та ж доля спіткала і теплород - "рідина", покликану пояснити теплові явища. Теорія електронів не залишила каменя на камені і від "електричних рідин". У такій ситуації ефір виглядав якимось "останнім з могікан". Його терпіли остільки, оскільки замінити його було нічим.

Але нас цікавить в першу чергу питання про швидкість світла. Чи може теорія ефіру пояснити все досліди?

Мал. 4.

Рухаючись навколо Сонця, Земля летить крізь ефір. Але тоді зі світлом має відбуватися явище, подібне косоокому дощу. Коли немає вітру, краплі дощу падають вертикально. Але якщо такий дощ спостерігати з вікна вагону під час руху, він буде косим, ​​його краплі будуть падати під кутом

, Тим гострішим, ніж більше швидкість поїзда. Навпаки, якщо спостерігач нерухомий, але дме вітер, дощ знову-таки буде косим. Точно так же промені світла від зірок, які насправді знаходяться у нас прямо над головою, повинні падати на землю кілька косо (з точки зору земних спостерігачів). Мал. 4 пояснює це явище. Поки промінь світла, випущений зіркою, йде від об'єктива телескопа до його окуляра, сам телескоп разом із Землею встигне просунутися на деяку відстань вправо, так що для того, щоб "спіймати" цей промінь в окуляр, спостерігач повинен нахилити трубу дещо вперед у напрямку руху землі. Тому ми повинні бачити цю зірку не на її справжнє місце, а зрушеною вперед. Якби Земля рухалася рівномірно і прямолінійно, це зрушення виявити було б неможливо - адже "справжні" напряму на зірки нікому невідомі, не можна ж, справді, попросити Землю на хвилинку зупинитися, - але, на щастя, Земля рухається не по прямій, а по еліпсу. Відповідно до цього і зірки повинні описувати на небі маленькі еліпси.

Таке явище, дійсно, було виявлено ще в 1725 році англійським астрономом Брадлеем, які витратили багато сил і часу на пошуки в небі доказів руху Землі. Явище це отримало назву аберації; величина аберації виявилася в прекрасному згоді зі швидкістю руху Землі навколо Сонця.

Здавалося б, все благополучно - Земля летить крізь ефір, її обдуває "ефірний вітер", створюючи аберацію. Цікаво було б знайти швидкість Землі щодо ефіру! Аберація цієї можливості нам не дає - вона дозволяє визначити лише різницю швидкостей Землі в одну і іншу сторону, яку ми і без того добре знаємо.

Але ж для знаходження істинної швидкості руху Землі відносно ефіру досить, здавалося б, виміряти швидкість світла в двох перпендикулярних напрямках - уздовж руху Землі і впоперек. Ці швидкості будуть, взагалі кажучи, різні, так як "ефірний вітер" буде змінювати швидкість світла в поздовжньому напрямку. У поперечному ж напрямку швидкість світла виявиться незмінною. Різниця цих швидкостей і дасть шукану швидкість "ефірного вітру", рівну швидкості Землі. Однак зробити це виявилося не так-то просто, хоча швидкість світла фізики навчилися вимірювати з досить високим ступенем точності. Справа в тому, що швидкість ця так велика, що для її вимірювання довелося розробити спеціальні, особливо точні методи. Всі вони так чи інакше засновані на явищі інтерференції світла. Для цього треба було змусити промінь світла після деякого подорожі повернутися назад, до вихідної точки, де він повинен був взаємодіяти з самим собою, вірніше, з іншою частиною того ж променя. Значить, якщо ми спробуємо спрямувати світло у напрямку руху Землі, він неминуче повинен буде пройти таку ж відстань і в зворотному напрямку. При цьому різниця швидкостей "туди" і "назад" буде компенсуватися, ми отримаємо лише середню швидкість, яка дорівнює швидкості світла в поперечному напрямку. Тут утворився якесь зачароване коло.

При більш детальному розгляді питання з'ясувалося, що все ж компенсація швидкостей відбувається не повністю - деяка, надзвичайно мала, різниця все ж залишається. І фізики-експериментатори зосередили свої зусилля на тому, щоб вловити і виміряти цю різницю.

Перший досвід був поставлений в 1881 році американським фізиком Майкельсона. З тих пір цей досвід багато разів в різних варіантах повторювався як самим Майкельсоном, так і іншими дослідниками, причому точність вимірювань безперервно зростала. Всі ці виміри самим певним чином показували,

що швидкість світла у всіх напрямках однакова - ніякого "ефірного вітру" не існує.

Не відразу фізики усвідомили, яка катастрофа на них насувається. Цікаво, що, зустрічаючи перший день нового двадцятого століття, знаменитий англійський фізик Томсон у своїй новорічній промові охарактеризував становище в фізиці як цілком благополучний, зазначивши лише два "хмарки", одним з яких був якраз негативний результат досвіду Майкельсона. Хто б міг подумати, що з цих невинних "хмарок" скоро прийдуть такі громи і блискавки, що справа закінчиться повним переглядом всього фізичного світогляду і виникненням двох нових наук - теорії відносності та квантової механіки ...

Після того як фізики волею-неволею повинні були визнати результат досвіду Майкельсона, події стали розгортатися з загрозливою швидкістю. Адже йшлося не лише про дивну поведінку світла. На той час найбільшим англійським фізиком-теоретиком Максвеллом була розроблена досить струнка, послідовна і досконала теорія електромагнітного поля, що представляє собою узагальнення всіх відомих на той час електричних і магнітних явищ. Ця теорія вперше виявилася в стані з єдиної точки зору пояснити все різноманіття накопичених в цій області фактів і закономірностей, а також передбачити цілий ряд нових, невідомих у той час явищ. Одним з таких явищ були електромагнітні хвилі. Досліджуючи властивості своїх рівнянь, Максвелл прийшов до висновку, що в певних умовах електромагнітне поле здатне здійснювати коливання, які повинні поширюватися на всі боки, мов кола на воді. Ці хвилі незабаром виявив на досвіді Герц, а в 1895 році наш великий співвітчизник А. С. Попов успішно використовував ці хвилі для зв'язку на відстані без проводів. так виникло

радіо.

Обчислюючи швидкість електромагнітних хвиль, Максвелл виявив, що вона повинна бути дорівнює 300000 км / сек. Тут він вперше зрозумів, що світло - це електромагнітні коливання.

Тим самим, проте, все, що стосувалося швидкості світла, найбезпосереднішим чином торкалося всю теорію електромагнітного нуля. Швидкість світла фігурує в якості коефіцієнта мало не у всіх рівняннях Максвелла. Але ж будь-яка швидкість є величина відносна. Значить, якщо два рухомих один щодо одного дослідника вивчають один і той же електромагнітне явище, то його закони будуть виглядати для одного спостерігача інакше, ніж для іншого - коефіцієнти в рівняннях Максвелла будуть різні. А це означає, що теорія Максвелла не підкоряється принципу відносності.

..

Досвід Майкельсона найдивнішим і несподіваним чином врятував теорію Максвелла від цього важкого звинувачення. Швидкість світла виявилася не залежить не тільки від джерела, але і від спостерігача. Коефіцієнти рівнянь електромагнітного поля тим самим ставали постійними. Але від цього положення у фізиці аж ніяк не поліпшувався. Адже в такому разі під ударом опинявся сам принцип відносності Галілея! Дійсно, він стверджує, що будь-яка швидкість відносна. І не треба забувати про аберації, самим певним чином показує наявність "ефірного вітру".

Як тут бути? Як завжди в таких випадках, фізики спочатку пустилися на всілякі хитрощі, намагаючись якось витлумачити всі ці факти в рамках класичного принципу відносності Галілея. Були перепробувані найрізноманітніші моделі ефіру. Але найбільших успіхів на цьому шляху досяг голландський фізик Лоренц. Він припустив, що "ефірний вітер", наскрізь "продуваючи" все тіла, впливає на них таким чином, що ці тіла скорочують свої розміри в напрямку руху. Якщо допустити, що такого скорочення піддаються всі деталі, з яких побудований прилад Майкельсона, то виявиться, що цей прилад дасть однакові показання, як і вона була швидкість "ефірного вітру". Таким чином, по Лоренцу, швидкість світла, як їй і належить, є величина відносна. Але цієї відносності, в силу ефекту лорвнцова скорочення, ми помітити не в змозі.

Крім того, Лоренцом був отриманий ще один важливий результат. Розробляючи на основі теорії Максвелла свою електронну теорію, він виявив, що рівняння Максвелла підкоряються якомусь новому принципу відносності. Однак фізичного тлумачення цього принципу Лоренц дати не зміг; він мав у нього чисто математичне, формальне значення.

У 1905 році в одному науковому журналі з'явилася невелика стаття мало кому в той час відомого автора А. Ейнштейна, фізика за освітою, який служив у той час в Швейцарії в патентному бюро. Стаття називалася "До електродинаміки рухомих тіл" і містила принципово новий підхід

до всього питання в цілому. Основна думка Ейнштейна полягала в тому, що суперечності, в яких, здавалося, безнадійно заплуталася фізика, - протиріччя зовсім іншого порядку, ніж досі уявлялося. Вони відбуваються не тому, що ніяк не вдається придумати досить дотепного пояснення результату досвіду Майкельсона, а тому, що уявлення фізиків про таких фундаментальних поняттях, як простір і час, не зовсім відповідають дійсності. І Ейнштейн дав нову теорію простору і часу, створивши нову науку - теорію відносності.

*) Найбільш точні сучасні виміри дають для швидкості світла (в порожнечі) величину 299 792 км / сек.

Дата установки: 24.11.2007
[ повернутися до змісту сайту

]