Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

Введем теперь эту информацию в хорошую логическую машину. Она вынесет ясный и строгий приговор: «Информация противоречива». Сигнал очень тревожный. Но прежде чем переходить к решению проблемы, найденному Эйнштейном, прочтите описание поучительного фокуса.

ФОКУС

Этот неправдоподобный трюк познакомит вас с трудностью в признании теории относительности. Счет предметов — вещь абсолютная, не зависящая от точки зрения, так что этот фокус может ее понравиться физику с математическим складом ума, хорошо чувствующему природу. Пусть он отнесется к нему со снисхождением. Однако то, что невозможно при сложении шаров, действительно проявилось в сложении скоростей.

Я хочу показать вам фокус.

Беру черный мешочек и демонстрирую, что он пуст. Кладу туда 2 белых шарика. Считайте, один, два…, затем еще два: три, четыре. А теперь смотрите: я вынимаю 5 белых шариков, и мешочек снова пуст. Вложите эти данные в логическую машину и она вам скажет: «Противоречие». Что вы ответите на это? Обман зрения?

Нет. Можете проделать это сами. (Миллер повторил опыт Майкельсона-Морли с большой точностью.)

Хотите проверить, нет ли в мешочке потайных карманов? Пожалуйста. Их нет. Вернемся к записи. Мешочек без секретов, шарики круглые и крепкие, подсчитано все правильно: положили 2 + 2 и вынули 5. Что вы на это скажете? Если нельзя опровергнуть перепроверенные и несомненные наблюдения, то вы должны либо отречься от науки и потерять рассудок, либо перекромсать правила логики, включая и основные правила арифметики. Вы вынуждены будете признать: « В некоторых случаях 2 + 2 не дает 4 ». Но прежде чем искать спасения в коварной фразе «2 + 2 дает нечто», вы можете взяться за перечисление событий, где 2 + 2 дает 4, например сложение горошин на столе или денег в кошельке, и за перечень событий, где 2 + 2 дает нечто другое [254].

Для этого фокуса вы имеете три объяснения.

а) «Это — колдовство» — заключение безусловно ложное.

б) «Работает особый механизм» — заключение едва ли лучше первого, оно отдает науку во власть нечистой силы.

в) «Нужно изменить правила арифметики».

Как это ни неприятно, вернее всего остановиться на нем. Это уже крайние меры. Подумайте внимательно, что бы вы предприняли в таком бедственном положении?

В обычной жизни мы не сталкиваемся с арифметическими парадоксами, однако вернемся к движению. Исключив ошибку эксперимента, мы останемся с теми же возможностями: колдовство, особый механизм, изменение физических законов движения.

Сначала ученые изобретали различные механизмы наподобие сплющивания электронов в эллипсоид при движении, но это привело к еще большим трудностям. Пуанкаре и другие готовы были изменить определение времени и пространства. Затем последовали два блестящих предложения Эйнштейна: откровенная точка зрения и единственная гипотеза — его принцип относительности.

Точка зрения теории относительности состоит в следующем — наука должна строиться на понятиях, которые можно наблюдать экспериментально; нельзя считать реальными ненаблюдаемые детали, вопросы о таких деталях не только не имеют ответа, но даже непристойны и ненаучны. С этой точки зрения абсолютное пространство (и, как полагали, заполняющий его «эфир») нужно выбросить из наших рассуждений, коль скоро мы убедились, что все попытки зарегистрировать его, обнаружить движение в нем обречены на провал. Такая точка зрения просто говорит: «Давайте будем реалистами; ни капли жалости».

Все попытки наподобие эксперимента Майкельсона-Морли-Миллера не указывают на наличие изменений скорости света. Опыты же с аберрацией вовсе не говорит, что свет движется с новой скоростью. Они просто дают новое направление его кажущейся скорости. Итак, гипотеза теории относительности состоит в следующем: Измеряемая скорость света (скорость распространения электромагнитных волн) одна и та же независимо от движения наблюдателя или источника . Это в корне противоречит здравому смыслу. Мы ожидали, что свет будет двигаться быстрее или медленнее в зависимости от того, бежим мы навстречу ему или от него. Тем не менее это просто реалистический итог всех опытов, в которых не удалось обнаружить движение наблюдателя или наличие «эфирного ветра». Вложим эти гипотезы в логическую машину, которая сначала ответила нам «Противоречие», но теперь удалим из нее «геометрические правила» для пространства-времени и движения, а также преобразования Галилея. Вместо этого попросим ее дать новые (простейшие) правила, которые делали бы всю схему внутренне непротиворечивой . Поскольку механика Ньютона выдержала проверку временем (движение кораблей, поездов, Солнечной системы и т. д.), новые правила должны сводиться при малых скоростях [255] к преобразованиям Галилея. Логическая машина ответила бы. «Есть только одна разумная схема — преобразования, предложенные Лоренцем и принятые Эйнштейном».

Вместо преобразований Галилея

x' = x— vt,

y' = y,

z' = z,

t' = t

должны быть справедливы преобразования Лоренца-Эйнштейна

x' = ( x— vt)/√(1 — ( v 2/ c 2)),

y' = y,

z' = z,

t' = ( t— ( xv/ c 2))/√(1 — ( v 2/ c 2))

которые при замене v на —v переходят в преобразования

x= ( x' + vt')/√(1 — ( v 2/ c 2)),

y' = y,

z' = z,

t= ( t' + ( x' v/ c 2))/√(1 — ( v 2/ c 2))

где с — скорость света в пустоте . Эта скорость существенно входит в новые правила измерения, ибо новые преобразования так и выбраны, чтобы все попытки измерить эту скорость давали один и тот же ответ. Симметричная форма преобразований показывает, что эксперимент никогда не выяснит абсолютного движения. Мы можем обнаружить движение одного экспериментатора относительно другого, но никогда не сможем сказать, кто из них движется на самом деле.

Новые преобразования, конечно, объясняют и нулевой результат опыта Майкельсона-Морли-Миллера, ибо они специально для этого предназначены. Они объясняют и аберрацию, предсказывая одну и ту же аберрацию независимо от того, что движется — звезды или мы. Но они ведут к видоизменению механики Ньютона. Другими словами, из двух бед нам предстоит выбрать наименьшую: старые преобразования нарушают вид законов электромагнетизма, а новые — законов механики. Но старые законы электромагнетизма дают хорошее и простое описание природы в любых экспериментах как при высоких, так и при низких скоростях, а законы механики в своей классической форме все же нарушаются при высоких скоростях. Поэтому мы выбираем новые преобразования, модифицируем с их помощью законы механики и очень довольны, обнаружив, что модифицированные законы прекрасно описывают более точные эксперименты.