Текст книги "Падение Рыжего Орка (СИ)"
Автор книги: Дарья Волкова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 22 страниц)
На эту титаническую работу ушло десять лет. Но полученные результаты не встретили признания. Одних смущали математические гипотезы. Они считали теорию спекулятивной. Другие не могли понять ее сложной математики, принять непривычное абстрактное понятие поля. Отлично сознавая значение своей работы, Максвелл решается на необычный шаг. Он отказывается от всякой служебной деятельности и, уединившись в родном доме, в течение последующих восьми лет пишет «Трактат по электричеству и магнетизму». Этот выдающийся труд представляется нам, людям ХХI века, образцом систематичности и ясности. Основные уравнения теории вобрали в себя всю совокупность известных фактов и, как мы теперь знаем, много неизвестного ни самому Максвеллу, ни его современникам. Именно они породили крылатую фразу о том, что уравнения зачастую знают больше, чем их создатель. Ведь в то время, когда Максвелл писал свой «Трактат», многие основные выводы теории еще не были получены.
Несмотря на то, что физическое содержание уравнений Максвелла не только не могло быть проиллюстрировано при помощи механических моделей, но и не поддавалось сведению к уравнениям движения ньютоновской механики, уравнения Максвелла, по существу, чрезвычайно точно соответствовали идейным основам, заложенным Ньютоном. Уравнения Максвелла, как и уравнения движения, являются законом, вернее, математической формулировкой закона, следующего из немногих «принципов», выражающих объективные закономерности природы, в данном случае связи между электрическими зарядами, токами и магнитами. Эти уравнения, в свою очередь, объясняют всю совокупность известных опытных фактов и предсказывают новые неизвестные явления без привлечения дополнительных гипотез.
Для Чего нужны мировые константы
Еще одна существенная черта сближает между собой великие творения Ньютона и Максвелла. Как и уравнения механики, система уравнений Максвелла содержит постоянные множители, неполучаемые из исходных «принципов». В законе тяготения — это гравитационная постоянная, в уравнениях Максвелла это диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества. Эти множители можно определить только путем измерений. Но кощунство заключалось в том, что Максвелл приравнял к веществу… пустое пространство!
Структура уравнений Максвелла требовала, чтобы пространству, свободному от каких-либо тел, были приписаны вполне определенные свойства. И выражаться они должны численными значениями величин, имеющих смысл диэлектрической и магнитной проницаемости пустого пространства.
Людям той эпохи казалось недопустимым думать о каких-то конкретных характеристиках совершенно пустого пространства, и было вполне естественно приписать эти проницаемости эфиру, заполняющему пространство. Поэтому те, кто верил в эфир, были довольны: существование эфира получило как бы новое подтверждение. Максвелл же не ставил себе целью утверждать или отвергать эфир, он размышлял над новой загадкой, которую преподнесли ему его уравнения. Загадка таилась в удивительном совпадении значения квадратного корня из произведений диэлектрической и магнитной проницаемости эфира с величиной скорости света в пустоте… Именно этот намек послужил для Максвелла убедительной основой, чтобы считать свет одним из видов электромагнитных воли…
Сделаем отступление — несколько слов о мировых константах. Гравитационная постоянная q и скорость света с знакомы нам со школьной скамьи. Физики знают магическое число 137, которое получается из комбинации важнейших констант: скорости света, заряда электрона и по-постояннойПланка. Почему это число равно именно 137? Это одна из загадок, объяснения которой не найдено до сих пор. Таково свойство природы, это дают измерения — единственно, что объективно может констатировать ученый.
Много волнений связано и с другими константами, входящими в формулы, которые зарекомендовали себя как основа наших знаний.
Присутствие в теории и в ее уравнениях постоянных величин, получаемых из измерений, представляет собой характерную особенность феноменологических теорий. По мере углубления теории, количество таких независимых эмпирических (получаемых из опыта) постоянных уменьшается. Целью каждой теории является вычисление большинства постоянных, исходя из уравнений самой теории и из возможно меньшего количества постоянных, лежащих за пределами теории. Такие постоянные возводят в ранг универсальных постоянных, иногда их называют мировыми константами.
С повестки научных обсуждений по сей день не сходит вопрос: почему существуют именно те универсальные постоянные, которые нам известны, и почему их величины именно таковы, какую дают результаты измерений? Это не перестает тревожить ученых. Их высшей целью остается создание теории, способной объяснить все. Универсальные постоянные всегда возникали как привязка теории к реальному явлению. Ведь так было и с постоянной Планка h, и со скоростью света с, и с гравитационной постоянной q, и со всеми остальными мировыми константами. То же произошло и с константами Максвелла — они вошли в теорию не по его капризу, а в силу интуитивной уверенности в объективном существовании природы.
Дедуктивное изложение теоретической части «Трактата» Максвелла, вся абстрактная структура его теории, как уже упоминалось, мешали ее усвоению. Несмотря на ее успехи, в большинстве университетов мира вплоть до начала XX века профессора излагали оптику Френеля, трактуя свет как упругие волны эфира. Профессора поступали так не из снисхождения к невежеству студентов, а потому, что сами не понимали всю глубину теории Максвелла или даже не были с нею знакомы. Наиболее разительным доказательством трудности понимания идей Максвелла для его современников являются лекции выдающегося физика Больцмана, которые он в 1891 году, излагая теорию Максвелла, начал строками из «Фауста»:
Я должен тяжким потом исходить,
Чтоб вас тому, чего не знаю, обучить.
Больцман считал, что теория Максвелла остается для большинства современных ему физиков книгой за семью печатями, но понимал необходимость ознакомления с ней будущих физиков. Далеко не каждый профессор решится сообщить студентам, что он сам еще не вполне овладел излагаемым предметом. Борн вспоминает, что знаменитый автор курса оптики Шефер еще в 1897 году говорил в лекциях только об упругих волнах эфира.
Первым, кто понял важность работы Максвелла, был молодой лейденский студент Лоренц. Он случайно наткнулся в журналах, пылившихся на полках библиотеки, на статьи Максвелла, посвященные синтетической теории электромагнетизма. Ясность и монолитность, с которыми перед ним предстала обширная и дотоле несвязная совокупность разнообразных электрических и магнитных явлений, поразили воображение Лоренца. После того как порыв восторга уступил место творческому возбуждению, Лоренц приступил к систематическому изучению теории Максвелла. Он начал применять ее к решению различных конкретных проблем и частных задач, связанных с многочисленными экспериментами, до того порождавшими различные, порой весьма частные, гипотезы, способные объяснить только данный опыт. Теория Максвелла позволила разобраться во всех сомнительных случаях, не требуя никаких дополнительных гипотез. Лишь одно оставляло чувство неудовлетворенности — необходимость введения в расчеты феноменологических постоянных. Лоренц задался целью дополнить теорию Максвелла так, чтобы новая теория содержала все необходимое для вычисления этих постоянных, исходя лишь из небольшого количества первичных универсальных постоянных. Мысленно оглядев все известные ему опыты, проведенные различными исследователями, Лоренц обнаружил один из циклов замечательных опытов Фарадея, не использованных Максвеллом при создании его теории. Более того, этот цикл опытов лежал как бы в стороне от теории, не нуждаясь в ее объяснениях и не противореча ей. Это был электролиз. Что-то подсказало Лоренцу — не проходи мимо, задержись…
Сила Лоренца
Явление электролиза возникает при пропускании электрического тока через растворы. Известны жидкости, практически не пропускающие электрического тока, например многие масла. Но имеются и жидкости, очень хорошо проводящие электрический ток. Таковы растворы некоторых солей. Фарадей обнаружил, что при пропускании электрического тока через такие жидкости на электродах выделяются слои металла или пузырьки газа. Фарадей был блестящим экспериментатором, изобретательным, наблюдательным и вдумчивым. Он, как никто до него, умел придумывать опыты, способные ответить на интересовавший его вопрос, и толковать их результаты. Еще лучше он умел формулировать вопросы, подлежащие проверке. А правильно поставленный вопрос в существенной мере определяет ценность ответа.
Фарадей впервые соединил последовательно несколько сосудов с различными проводящими жидкостями. Он назвал такие жидкости электролитами, а пластины, введенные в сосуды, соответственно: анодом — тот, на котором выделяется кислород, и катодом — на котором выделяются водород или металлы. Наблюдая результат прохождения электрического тока через цепочку сосудов, Фарадей обнаружил, что отношения весов различных металлов, выделяющихся на катодах сосудов, всегда остаются одинаковыми, несмотря на изменения силы тока и времени его действия. Эти отношения не меняются при замене данной соли, содержащей применяемый металл, другой солью этого же металла. Так Фарадей установил основной закон электролиза: химическое действие тока пропорционально количеству прошедшего электричества. В отличие от предшественников, Фарадей считал, что разложение солей не есть результат действия тока. Он ввел гипотезу о том, что электролиты под действием внутренних сил самой жидкости распадаются на ионы двух типов. Электрический ток лишь переносит их к аноду и к катоду. Те, что оседают на анодах, он назвал анионы, на катоде — катионы. Другими словами, носителями тока в электролитах, по мнению Фарадея, являются заряженные частицы — анионы и катионы. О природе электрического тока в проводниках Фарадей не высказывался столь определенно.
Он писал: «Под током я разумею нечто распространяющееся, будь то электрический флюид, или два движущихся в противоположных направлениях флюида, или только колебания, или, выражаясь еще более обще, распространяющиеся силы».
Пусть Фарадей не знал, что такое электрический ток. Очень важно, что он наконец-то сказал слово об электрически заряженных частицах. Лоренц сохраняет основную идею Фарадея, воплощенную Максвеллом в «Трактате»: электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством поля. А так как Лоренц верил в эфир, то именно его считал носителем поля. По его мнению, эфир неподвижен и проникает во все тела.
Это заблуждение не помешало ему сделать великий шаг. Лоренц предположил, что любые тела, а не только электролиты, как считал Фарадей, состоят из маленьких заряженных частиц, существующих в эфире, погруженных в него. Став на эту точку зрения, Лоренц пересмотрел строение веществ, электромагнитных полей и их взаимоотношения. Он догадался, что число частиц, несущих положительные заряды, в обычных условиях равно числу отрицательно заряженных частиц. Поэтому все тела, за исключением особых случаев, электрически нейтральны. Компенсация разноименных зарядов обеспечивает нейтральность и твердых тел, и жидкостей, и газов. Как повлияет на нейтральные тела внешнее электрическое поле? — спросил он себя. Поле, вызывающее движение ионов, обнаруженное Фарадеем в растворах электролитов, может вызвать в твердых или жидких диэлектриках только небольшие местные смещения заряженных частиц. Поэтому их заряды внутри диэлектрика остаются скомпенсированными. Избыточные заряды проявляют себя только на поверхности диэлектриков.
Но только ли этим выдают свое присутствие заряды, скрытые в диэлектрике? Нет, решил Лоренц, они «нагружают» эфир подобно тому, как мелкие плавающие предметы или слой масла нагружают поверхность воды, замедляя скорость бегущих по ней волн. Заряженные частицы замедляют скорость электромагнитных волн, в том числе скорость света в прозрачных телах. И Лоренц создал теорию, которая позволяет вычислить это замедление, вычислить скорость света в прозрачных телах, а значит, и диэлектрические постоянные, входившие в теорию Максвелла как эмпирические величины, определяемые из опыта. Уже одно это обеспечивало Лоренцу почетное и заметное место в истории физики.
Теория Лоренца позволила объяснить и таинственное явление, открытое Холлом. Оно состоит в появлении напряжения, направленного поперек проводника, если вдоль него течет электрический ток и проводник подвергается действию сильного магнитного поля. В течение пяти лет ученые ломали голову над этим загадочным явлением. Лоренц показал, что это, результат действия магнитного поля на электрические заряды, образующие ток в проводнике. Магнитное поле отклоняет их в поперечном направлении, что и приводит к возникновению напряжения, обнаруженного Холлом. Мы знаем теперь, что тот же механизм приводит в действие электромоторы. Магнитное поле, действуя на заряды, образующие электрический ток, вызывает движение проводника, по которому течет ток. Если проводник закреплен неподвижно, то смещаются лишь текущие по нему заряды, возникает эффект Холла. Сила, действующая на заряды, движущиеся в магнитном поле, была названа «силой Лоренца». Она играет важнейшую роль в науке и технике.
Прежде чем представления Максвелла о самостоятельной природе электромагнитных волн слились с фактом существования заряженных частиц Лоренца, должен был родиться электрон. Честь открытия электрона принадлежит Дж. Дж. Томсону, он же определил величину его заряда и массы. Конечно, это открытие возникло не на пустом месте. Еще в 1862 году Вебер полагал, что с весомыми атомами связаны электрические атомы. Максвелл высказал мысль о том, что явление электролиза связано с молекулами электричества, но не развил эту мысль и не ввел молекулы электричества в свою теорию. В 1874 году Стоней, выступая на заседании Британского физического общества, предположил, что в природе есть три «естественные единицы»: скорость света, постоянная тяготения и заряд электрического атома. Он даже определил величину этого атома, разделив количество электричества, затрачиваемого на получение при помощи электролиза одного кубического сантиметра водорода, на число атомов водорода в этом объеме. Стоней предложил называть этот электрический атом электроном.
Через шесть лет Гельмгольц, по-видимому не зная о выступлении Стонея, говорил в своей фарадеевской лекции об электрических зарядах ионов, играющих роль атомов электричества. Это была идейная линия, приведшая к теории Лоренца. Параллельно развивались эксперименты. Начало им положил Гитторф, изучавший электрические разряды в разреженных газах. В 1869 году ему удалось снизить давление в разрядной трубке менее чем до 1 мм ртутного столба. При этом он заметил, что темное, несветящееся пространство, до того прилегавшее к катоду трубки, начало быстро увеличиваться, захватывая весь ее объем. Теперь вся внутренняя часть трубки стала темной, но стенки начали сильно флюоресцировать. При этом светящиеся места на стенках можно было перемещать, воздействуя на трубку магнитом. Конечно, это был явный намек на электрическую природу свечения. Исследования Гитторфа через десять лет продолжил Крукс. Проведя целый цикл эффектных опытов, Крукс писал: «…явления в этих разреженных трубках открывают перед физикой новый мир — мир, в котором материя существует в четвертом состоянии; мир, к которому применима корпускулярная теория света, — здесь свет не всегда движется по прямой линии; мир, в который мы никогда не будем в состоянии войти и по отношению к которому мы должны удовлетворяться наблюдениями и опытами со стороны».
Открытие Крукса вызвало волну интереса, а его опыты стали любимой демонстрацией не только в физических лабораториях, но и в частных домах. Однако объяснения Крукса встретили возражения, и почти двадцать лет большинство физиков предпочитало объяснять опыты Крукса особыми волнами эфира. Но сам Крукс считал, что открыл особые катодные лучи. Воззрения Крукса приобрели право гражданства, лишь когда Перрен обнаружил, что катодные лучи несут с собой электрические заряды.
Дж. Дж. Томсон писал: «Исследования, которые привели к открытию электрона, начались с попытки объяснить расхождения между поведением катодных лучей в магнитном и электрическом полях». Томсон измерил отношение заряда частиц, составляющих катодные лучи, к их массе и нашел, что этот заряд совпадает с зарядом, переносимым при электролизе. Измерения показали, что масса частицы катодных лучей меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Теперь мы знаем, что масса электрона в 1840 раз меньше массы протона — ядра атома водорода.
Томсон понял, что явления, открытые Круксом, свидетельствуют о делимости атомов. Из любого атома под действием электрического поля, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла можно вырвать одинаковые частицы, несущие одинаковый отрицательный заряд. Томсон говорил об электронах — это они давали о себе знать в трубке Гитторфа, это их наблюдали Крукс и Перрен. Так, одновременно, был открыт электрон и подтверждена атомная структура вещества путем отказа от многовекового представления о неделимых атомах. Атомы существуют, но они делимы!
Откуда подул эфирный ветер
Воображение Лоренца заработало с новой силой. Перед ним было добытое Максвеллом знание о том, что Вселенная пропитана электромагнитным полем, и теперь он знал, что частицами, взаимодействующими с этим полем, являются электроны. Как они взаимосвязаны друг с другом, то есть какова структура Вселенной, ее плоть и кровь? Лоренц угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы электричества, входящие в состав нейтральных атомов. Сочетание электрических зарядов, связанных с веществом, и электромагнитного поля образует все многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение зарядов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение зарядов.
Электромагнитная теория Фарадея — Максвелла — Лоренца стала на твердую почву. Теория поля слилась воедино с представлением об атомной структуре вещества. Еще один раздел классической физики казался полностью завершенным. Но недаром говорят: в науке каждый решенный вопрос ставит новые нерешенные проблемы.
Разгорелся спор о применимости уравнений Максвелла к движущимся телам, — ведь они были созданы для неподвижной среды. Особенно горячие дискуссии возникли между Лоренцем и Герцем. Таковы противоречия творчества — Лоренц, сделавший новаторское дополнение к теории Максвелла, не верил в самостоятельную сущность электромагнитных волн. Он верил в эфир и считал свет колебаниями волн эфира. В теории Лоренца эфир неподвижен, и сквозь него движутся все тела, нейтральные или заряженные частицы вещества… Эфир выступает как нечто неподвижное, абсолютное, сродни Ньютонову абсолютному пространству. Возникает искушение считать, что принцип относительности Галилея тут не работает и неподвижный эфир может служить надежной базой для определения абсолютного движения в пространстве.
С этим был не согласен Герц, замечательный экспериментатор, которому посчастливилось через двенадцать лет после создания Максвеллом его теории обнаружить реальное существование электромагнитных волн. Герц был не только экспериментатором. Как теоретик он исходил из того, что электромагнитные процессы в движущихся телах подчиняются тем же законам, что и в неподвижных. Тем самым он распространял принцип относительности Галилея с механических явлений в область электромагнитных процессов. Но он тоже верил в эфир. Чтобы удовлетворить принципу относительности, Герц предположил, что эфир, заключенный внутри тел, принимает участие в их движении. Но ему самому было ясно, что это предположение является вымыслом того сорта, с которым боролся Ньютон. Сразу понадобилась новая гипотеза, чтобы связать части эфира, движущиеся с телами, с остальным неподвижным эфиром. Каждое движущееся тело, подобно ложке, перемещающейся сквозь кисель, должно было тянуть за собой «эфирный хвост».
Кто же прав? Положение усугубляется тем, что Лоренца подводят его же уравнения. Они преподносят Лоренцу сюрприз. Вычисляя скорость света в движущейся среде, он приходит к неожиданному результату: решение уравнений таково, как будто эфир, заключенный внутри тела, следует за его движением. Лоренц написал свои уравнения, предполагая, что эфир всегда неподвижен, а решения уравнений показали, что он должен частично увлекаться движущимися телами. Получается парадоксальное положение: уравнения Лоренца не удовлетворяют принципу относительности, но их решения с большой точностью удовлетворяют ему!
Так это началось. В теории Герца скорость света в движущихся и покоящихся средах одинакова. В теории Лоренца она различна. В спор вмешался сам Максвелл. Незадолго перед смертью он указал на опыт, который мог бы стать арбитром. Его письмо редактору журнала «Нейчур» было опубликовано в 1886 году, уже после смерти автора. Максвелл писал: можно, хотя чрезвычайно трудно, определить из опыта скорость движения Земли сквозь эфир, подобно тому, как можно определить скорость корабля, измеряя скорость звука. Имеется в виду, конечно, что скорость звука измеряется на палубе, где воздух не участвует в движении корабля, а не в каюте, где такие измерения не позволяют узнать ничего, в соответствии с принципом относительности Галилея.
Этот спор воспламенил молодого офицера Военно-морского флота США Майкельсона. Он решил провести опыт, предложенный Максвеллом. После двухлетней морской службы он начинает преподавать физику и химию в Военно-морской академии в Аннаполисе. У него мало опыта и знаний. Он едет учиться в Европу. В Берлинском университете в лаборатории великого Гельмгольца Майкельсон знакомится с посмертной статьей Максвелла и приступает к опытам. Его цель — поймать эфирный ветер. Он строит соответствующую установку — но… эфирного ветра не обнаруживает…
Жизнь с открытой раной
Лоренца очень занимает этот опыт. В соответствии с его теорией результат должен быть положительным, ведь Земля перемещается в недвижимом эфире, и приборы должны обнаружить, как эфир «обдувает» Землю. Лоренц проверяет расчеты молодого физика и обнаруживает в них ошибку. Измеряемая величина должна быть вдвое меньшей, чем ожидал Майкельсон. Вопрос остается открытым…
Проходят шесть лет. Майкельсон не забыл своего намерения. Он готовится к более решительному наступлению на эфирный ветер. Теперь он не один. Вернувшись из Европы, он преподает в Кливленде, штат Огайо, и дружит с Мор-ли, преподавателем химии из соседнего университета. По-разному коротают время их коллеги. Майкельсон же, нарядный, безупречно выбритый, и Морли, рассеянный, небрежный в одежде, с рыжей щетиной на щеках, спускаются в подвал лаборатории, где и проводят все свободное время.
Тут смонтирован прибор для обнаружения эфирного ветра. Их опыт (1887 год) одна из поворотных точек в судьбе физики, хотя достичь цели не удалось — эфир не был обнаружен. Вот как пишет современный ученый о значении этого опыта: «Никогда раньше в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон 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».
Как встретили ученые весть о неудаче Майкельсона и Морли? Австрийский физик Мах немедленно заявил, что представление об эфире надо отбросить, он не верит в абсолютное движение через эфир. Одни ученые его поддержали, другие метали громы и молнии. Начались споры — есть ли эфирный ветер или его нет, может быть, эфир следует за Землей и потому необнаружим. Решающим голосом никто из ученых тогда не обладал. Возникла парадоксальная ситуация. Один-единственный опыт свидетельствовал против всех остальных, возможно, он свидетельствовал в пользу Герца против теории Лоренца. Все остальные опыты соответствовали теории Лоренца.
Однако в этом суде необходимо единогласие.
При одном «против» вопрос остается открытым.
Ирландский физик Фицджеральд высказал ошеломившую всех мысль: возможно, эфирный ветер давит на движущиеся предметы и… сокращает их размеры… Сокращает ровно настолько, что сводит результат опыта Майкельсона к нулю… Эту экзотическую гипотезу независимо высказал и Лоренц! Он добавил, что в движущихся сквозь эфир телах меняется и время… На движущейся Земле, где все одинаково сокращается, это сокращение невозможно заметить. Так было бы, если пытаться обнаружить усадку ткани при помощи «метра», изготовленного из той же ткани. Все эти изменения мог бы заметить лишь наблюдатель со стороны, находящийся вне Земли…
В этой любопытной гипотезе скорость света выступала как предел скорости тел, ибо длина тела, движущегося со скоростью света, при справедливости этой гипотезы, обращается в нуль, а время останавливается. Гипотеза Фицджеральда-Лоренца, выдвинутая специально для объяснения одного-единственного опыта, выглядела весьма искусственной, и большинство ученых отнеслись к ней с недоверием. Но лучших объяснений не было. Физики привыкали жить с открытой раной…
Много было передумано, переговорено на этот счет. Как тут не вспомнить простой мысленный эксперимент замечательного французского математика Пуанкаре. Что будет, спрашивает он, если однажды ночью, когда все мы крепко спим, Вселенная увеличится в размерах? Мы сами, атомы, столы и стулья, Солнце, Земля — все станет в миллион раз больше? Ничего не будет. Никто ничего не заметит. Но может быть, можно провести какой-нибудь эксперимент, чтобы обнаружить это общее увеличение Вселенной? Нет, такого эксперимента нет и не может быть. Ведь все приборы тоже изменили свои габариты в соответствии со всеобщим увеличением. Вот если бы увеличились в своих размерах, скажем, только Земля и все предметы на ней, это можно было бы увидеть с другой планеты.
То же произойдет и с изменениями течения времени, интервалов времени. Можно заметить только местные изменения времени, как, скажем, в знаменитом рассказе Уэллса «Новый ускоритель». Ученый открыл способ ускорения всех процессов в своем организме. Все в мире вокруг него замерло… Но если бы все ускорилось или замедлилось во всей Вселенной, никто бы ничего не заметил…
По существу, это тот же круг вопросов, над которым думал Галилей, постепенно приходя к пониманию закона природы, который он назвал принципом относительности. Раз-мер предметов сравнивают с эталоном длины, часы сверяют с эталоном времени, для определения движения какого-либо предмета нужен другой предмет… Движение и покой, большое и малое, быстрое и медленное, верх и низ, левое и правое — все это равноправные, симметричные понятия. Ни одно из них не абсолютно, не выделено чем-то уникальным. Представляете, какую надежду возлагали ученые на эфир, который предлагал себя в качестве надежной, абсолютной опоры в этом мире относительности!
Мудрый Максвелл не зря предложил свой опыт. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с определенной скоростью и если эта скорость не зависит от скорости движения источника, то скорость света может служить эталоном для определения абсолютного движения наблюдателя. И вот опыт, придуманный им, не обнаружил эфирного ветра. Нет ли его в природе, или он действительно так деформирует измерительный прибор, что делает незаметным свое присутствие?
Этот опыт был поставлен впервые, когда Эйнштейну было два года. И если следовать хронологии, то мнение Эйнштейна по этому поводу приводить еще рано. Но у нас — не история физики, скорее, роман мысли, драма идей, как говорил сам Эйнштейн. Поэтому как раз к месту подчеркнуть радикальный подход Эйнштейна к загадке эфира. Фицджеральд и Лоренц считали, что эфирный ветер искажает истинные размеры предметов и истинное течение времени. Они верили, что тела имеют абсолютные размеры — скажем, длину. Сокращение виделось им как физическое, реальное изменение длины, вызванное давлением эфирного ветра. И когда тела — в их уравнениях — сокращались, они воспринимали это как отклонение от «истинной» длины. Эйнштейн не только отбросил эфир как воплощение абсолютного покоя. Он отбросил понятие абсолютной длины и абсолютного времени. Вернее, счел, что понятия абсолютной длины или времени лишены смысла. Есть длина или время, полученные в результате измерении, и эти измерения меняются в зависимости от относительной скорости объекта и прибора, при помощи которого проводят измерения.
Если повстречаются два космических корабля, то наблюдатель на каждом из них будет видеть другой корабль как бы укоротившимся в направлении движения. Эффект заметен при больших скоростях. Два велосипедиста при сближении этого не заметят. Сокращение их размеров при небольшой скорости очень мало. Фицджеральд сказал бы, что космический корабль меняет свои истинные размеры, свои абсолютные размеры. Эйнштейн понял, что укорочение размеров — результат измерений данного наблюдателя. Для другого наблюдателя, связанного с другим космическим кораблем, измерения дадут другую величину сокращения размеров.
Так же обстоит дело и с течением времени. Ньютон считал само собой разумеющимся, что единое универсальное абсолютное время течет одинаково во всей Вселенной. Лоренц верил, что эфирный ветер искажает это «истинное» время при измерениях на движущихся телах. Эйнштейн отказался от понятия абсолютного времени, как от лишенного смысла. Имеются только местные времена. При встрече космических кораблей часы каждого из них покажут свое время. Это не будет «искаженное абсолютное время», это местное время, свое для каждой системы координат.
Итак, поворот в логическом восприятии событий можно описать так: нет «истинной» длины, нет «истинного» времени. Длина и время, понятие одновременности связаны с данной системой отсчета. Дело не в том, что один наблюдатель прав, а другой ошибается. Что у одного правильные приборы, у другого они врут. Просто показания приборов обусловлены движением системы отсчета и связанных с нею приборов. Эти показания объективны, они могут быть записаны автоматическими приборами. Результаты измерения длины, времени и, добавим, массы тела относительны и связаны с применяемой системой отсчета.
