Марк Лашье-Рей - Эйнштейн на отдыхе. Постигаем теорию относительности

ПРОТИВНАЯ ПРОБЛЕМА СКОРОСТЕЙ

Однако как Эйнштейну удалось обойтись без времени? Благодаря удивительной нерешенной задаче, которая возникла из галилеевой кинематики.

Последняя, как мы уже упоминали, описывает движения свободных объектов, не вступающих ни в какие взаимодействия. Подобное движение, таким образом, не может зависеть ни от чего, кроме как от собственных свойств времени и пространства! И кинематика предстает как проявление свойств пространства и времени и взаимодействий, которые их связывают.

Кинематика Галилея (или Ньютона) имеет одно важное ограничение: скорости объектов в рассматриваемых ею задачах складываются линейно, арифметически: если вы идете со скоростью V 1в поезде, мчащем со скоростью V 2, то относительно рельсов вы движетесь со скоростью V 1 + V 2. Этот очевидный и априорный вывод породил тем не менее научный кризис…

Физики еще в XIX веке понемногу начали замечать, что свет не подчиняется законам механики Ньютона: вместо того чтобы прибавлять к собственной скорости скорость источника света, свет движется всегда одинаково! Несоответствие игнорировать не получалось, оно было подтверждено в 1887 году эпохальным опытом Майкельсона и Морли. Эксперимент убедил научное сообщество: свет не подчиняется законам кинематики, в отличие от материи. Но как интерпретировать это несоответствие, если считать, что кинематика отражает фундаментальные взаимоотношения пространства и времени? Как свойства пространства и времени могут отличаться в зависимости от того, что вы рассматриваете – свет или материю? Это была настоящая тайна.

В том же XIX веке физики полагали, что свету, чтобы распространяться, нужна некая среда, занимающая собою все пространство. Эту среду они называли «светоносным эфиром». Свет казался волной, похожей на волны на воде, а эти последние распространяются во вполне конкретной среде. Ученые предполагали, что эфир может играть для света ту же роль, что, скажем, море – для волн. Однако если бы свет распространялся в эфире согласно законам механики Галилея и Ньютона, его скорость суммировалась бы со скоростью источника света при условии, что свет движется. Физики полагали, что можно определить скорость движения Земли в эфире, измеряя скорости (априори предполагавшиеся разными) нескольких лучей света: один луч распространялся бы в направлении вращения Земли по орбите вокруг Солнца, а другой – против или перпендикулярно орбите.

В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли использовали интерферометр (весьма точный инструмент, изобретенный Майкельсоном) для проведения этого опыта. Результат оказался отрицательным: в какую бы сторону ни направлялся световой луч, скорость света оставалась неизменной и никаких признаков «эфирного ветра» обнаружено не было…

Некоторые физики предполагали, что у загадки есть ответ. В начале ХХ века Джордж Фицджеральд, Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре предлагали независимо друг от друга формулы, позволяющие решить неудобную проблему. Они изменяли (кинематический) принцип сложения скоростей: предлагалось не складывать скорости арифметически, но подвергать их математическому преобразованию, которое позднее получило название «преобразование Лоренца». Формулы учитывали особенности поведения и материи, и света [1] Если точнее, в 1904 году нидерландский физик Хендрик Лоренц вывел систему уравнений, позволяющую преобразовывать координаты и время какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. В инерциальной системе отсчета все тела движутся прямолинейно и равномерно либо покоятся. Теоретически может существовать любое количество инерциальных систем отсчета, в которых физические законы действуют одинаково. – Здесь и далее примеч. ред. .

При первом приближении, когда скорости изучаемых объектов невелики, результат преобразования почти равен сумме, полученной при классическом арифметическом сложении. Это правило распространяется на все объекты из нашей обычной жизни, для них формула Галилея дает вполне адекватную точность.

Однако если одна из двух скоростей равна с , то есть скорости света в вакууме, результат оказывается все равно равным с ; таким образом поучается, что скорость света неизменна и постоянна! К тому же формула подразумевает что ни один материальный объект не может достичь этой скорости с – и она стала абсолютным пределом.

Таким образом новая формула позволила найти решение задачи со скоростями. Однако физикам казалось непонятным, как и почему эта формула «смешивала» координаты времени и пространства, да еще самым удивительным образом. Людям было очень трудно совместить ее с привычными представлениями о времени и пространстве, и формула оставалась неразрешимой головоломкой для ученых, ускользая от любых попыток ее интерпретации вплоть до 1905 года… Эйнштейн понял, что она требует полного пересмотра классических представлений, бывших в ходу со времен Галилея и Ньютона, и прежде всего отказа от привычных понятий времени и пространства. Немного позднее немецкий физик Герман Минковский (бывший учитель Эйнштейна) предложил новое понятие пространства-времени. И именно оно стало идеальным фоном для формулирования новых кинематических преобразований и специальной теории относительности Эйнштейна.

В 1676 году, наблюдая за спутниками планеты Юпитер, датский астроном Олаф Рёмер первым в истории понял, что свет распространяется со скоростью, имеющей конечное значение. Но тогда еще ничего не было известно о том, что эта скорость какая-то особенная. Только в XIX веке в представлениях ученых произошли изменения: Максвелл открыл, что свет имеет электромагнитную природу. Самым революционным открытием стало обнаружение того факта, что скорость света не суммируется с другими скоростями (как происходит у материальных объектов), но остается неизменной и постоянной.

Альберт Эйнштейн объяснил все эти странности в специальной теории относительности: скорость света как константа (обозначаемая в физических формулах с ) является неотъемлемым свойством пространства-времени. И любое другое электромагнитное излучение распространяется с той же скоростью с. Сегодня физики считают эту скорость фундаментальной константой самого Мироздания, характеристикой собственно пространства-времени, а не света.