Мартин Гарднер - Теория относительности для миллионов

Действительно, ветер будет увеличивать скорость в одном направлении на точно такую же величину, как уменьшать ее в другом, но — и это самое важное — ветер будет уменьшать скорость в течение большего промежутка времени. Вычисления показывают, что на преодоление полного пути против ветра затрачивается больше времени, чем при отсутствии ветра. Ветер будет оказывать замедляющее действие и на пучок, распространяющийся под прямым углом к нему. В этом также легко убедиться.

Оказывается, что замедляющее действие меньше, чем в том случае, когда пучок распространяется параллельно ветру. Если Земля движется через море неподвижного эфира, то должен возникать эфирный ветер и прибор Майкельсона — Морли должен его зарегистрировать. И действительно, оба ученых были уверены, что они смогут не только обнаружить такой ветер, но и определить (вращая плиту до тех пор, пока не найдут то положение, в котором разность времени прохождения света в обоих направлениях максимальна) в любой заданный момент точное направление движения Земли через эфир.

Надо отметить, что прибор Майкельсона — Морли не измерял истинной скорости света каждого из пучков. Оба пучка после того, как они совершали нужное количество пробегов туда и обратно, объединялись в единый пучок, который можно было наблюдать в небольшой телескоп. Прибор медленно поворачивался. Любое изменение относительных скоростей обоих пучков вызвало бы сдвиг интерференционной картины чередующихся светлых и темных полос.

И снова Майкельсон был поражен и разочарован.

Удивлены были и все физики во всем мире. Несмотря на то что Майкельсон и Морли поворачивали свой прибор, они не заметили и следа эфирного ветра!

Никогда раньше в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон снова решил, что его эксперимент не удался. Он никогда не думал, что эта «неудача» сделает его опыт одним из наиболее значительных, революционных экспериментов в истории науки.

Позже Майкельсон и Морли повторили свой опыт с еще более совершенным прибором. Другие физики сделали то же. Наиболее точные опыты выполнил в 1960 г. Чарльз Таунс в Колумбийском университете.

Его прибор, использующий мазер («атомные часы», основанные на колебаниях молекул), был настолько чувствителен, что мог бы заметить эфирный ветер, даже если бы Земля двигалась со скоростью, составляющей всего лишь одну тысячную истинной. Но и следа такого ветра не было обнаружено.

Физики вначале были настолько изумлены отрицательным результатом опыта Майкельсона—Морли, что начали придумывать всевозможные объяснения для спасения теории эфирного ветра. Конечно, если бы этот эксперимент был выполнен несколькими столетиями раньше, то, как отмечает Г. Дж. Уитроу в книге «Строение и развитие Вселенной», очень простое объяснение о неподвижности Земли быстро пришло бы на ум каждому. Но это объяснение опыта казалось неправдоподобным. Наилучшим объяснением была теория (значительно более старая, чем опыт Майкельсона — Морли), утверждающая, что эфир увлекается Землей, подобно воздуху внутри закрытого вагона. Также думал и Майкельсон. Но другие опыты, один из которых Майкельсон выполнил собственноручно, исключали и это объяснение.

Наиболее необычное объяснение дал ирландский физик Джордж Фрэнсис Фитцджеральд. Возможно, говорил он, эфирный ветер давит на движущийся предмет, заставляя его сокращаться в направлении движения.

Чтобы определить длину движущегося предмета, надо его длину в состоянии покоя умножить на величину, даваемую формулой

где v2 — квадрат скорости движущегося тела, а с2 — квадрат скорости света.

Из этой формулы можно видеть, что величина сокращения пренебрежимо мала при малых скоростях тела, возрастает с ростом скорости и становится большой при приближении скорости тела к скорости света. Так, космический корабль, по форме напоминающий длинную сигару, при движении с большой скоростью приобретает форму короткой сигары.

Скорость света — недостижимый предел; для тела, движущегося с этой скоростью, формула имела бы вид

а это выражение равно нулю. Умножив длину предмета на нуль, мы получили бы в ответе нуль. Другими словами, если какой-либо предмет сможет достичь скорости света, то он не будет иметь никакой длины в направлении своего движения!

Элегантную математическую форму теории Фитцджеральда придал голландский физик Хендрик Лоренц, который независимо пришел к такому же объяснению. (Позже Лоренц стал одним из ближайших друзей Эйнштейна, но в то время они еще не были знакомы.) Эта теория получила известность как теория сокращения Лоренца — Фитцджеральда (или Фитцджеральда — Лоренца).

Легко понять, как теория сокращения объяснила неудачу опыта Майкельсона — Морли. Если бы квадратная плита и все приборы на ней немного сокращались в том направлении, в котором дул эфирный ветер, то свет проходил бы более короткий полный путь.

И хотя ветер оказывал бы в целом тормозящее действие на движение пучка в прямом и обратном направлениях, более короткий путь позволил бы пучку закончить это путешествие за точно такое же время, как если бы не было ни ветра, ни сокращения. Иначе говоря, сокращение было точно таким, чтобы сохранить постоянство скорости света независимо от направления поворота прибора Майкельсона — Морли.

Почему, можете спросить вы, нельзя было просто измерить длину прибора и посмотреть, происходило ли в действительности укорачивание в направлении движения Земли? Но ведь линейка тоже сокращается и в той же самой пропорции. Измерение дало бы такой же результат, как и при отсутствии сокращения.

На движущейся Земле все подвержено сокращению.

Положение такое же, как и в мысленном опыте Пуанкаре, в котором Вселенная внезапно становится в тысячу раз больше, но только в теории Лоренца — Фитцджеральда изменения происходят в одном-единственном направлении. Так как этому изменению подвержено все, то нет способа его обнаружить. Внутри определенных пределов (пределы устанавливаются топологией — наукой о свойствах, сохраняющихся при деформации предмета) форма столь же относительна, как и размер. Сокращение прибора, как и сокращение всего на Земле, мог бы заметить лишь тот, кто находится вне Земли и не движется вместе с нею.

Многие писатели, говоря о теории отностельности, считали гипотезу сокращения Лоренца — Фитцджеральда гипотезой ad hoc (латинское выражение, означающее «только для данного случая»), не поддающейся проверке какими-либо другими экспериментами. Адольф Грюнбаум считал, что это не вполне справедливо. Гипотеза сокращения была ad hoc только в том смысле, что в то время не было пути проверить ее. В принципе она вовсе не ad hoc. И это было доказано в 1932 г., когда Кеннеди и Торндайк экспериментально опровергли эту гипотезу.

Рой Дж. Кеннеди и Эдвард М. Торндайк, два американских физика, повторили опыт Майкельсона — Морли. Но вместо того, чтобы стремиться сделать оба плеча по возможности равными, они постарались сделать их длины максимально различными. Для того чтобы обнаружить разницу во времени, затрачиваемом светом на прохождение в двух направлениях, прибор поворачивали. В соответствии с теорией сокращения разность времен должна была изменяться при повороте. Ее можно было бы заметить (как и в опыте Майкельсона) по изменению интерференционной картины, возникающей при смешении двух пучков. Но такого изменения не обнаружили.

Наиболее просто проверить теорию сокращения можно было бы, выполнив измерения скорости пучков света, распространяющихся в противоположных направлениях: вдоль направления движения Земли и против него. Очевидно, сокращение пути не делает невозможным обнаружение эфирного ветра, если он существует. До недавнего открытия эффекта Мёссбауэра (о нем будет говориться в гл. 8) гигантские технические трудности мешали провести этот опыт.

В феврале 1962 г. на собрании Королевского общества в Лондоне профессор Христиан Мёллер из Копенгагенского университета рассказал о том, как легко можно выполнить этот эксперимент при использовании эффекта Мёсебауэра. Для этого источник и поглотитель электромагнитных колебаний устанавливают на противоположных концах вращающегося стола. Мёллер указал, что такой эксперимент мог бы опровергнуть первоначальную теорию сокращения.

Возможно, что за время печатания этой книги такой эксперимент будет выполнен.

Хотя эксперименты такого рода и не могли быть выполнены во времена Лоренца, он предусматривал принципиальную возможность их и считал вполне обоснованными предположения о том, что эти опыты, подобно опыту Майкельсона, дадут отрицательный результат. Чтобы объяснить такой вероятный результат, Лоренц сделал важное добавление к первоначальной теории сокращения. Он ввел изменение времени. Он говорил, что часы замедлялись бы под действием эфирного ветра, причем таким образом, что измеренная скорость света всегда составляла 300 000 км/сек.