Олег Фейгин - Удивительная относительность

И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время. То есть полагали, что можно однозначно измерить интервал времени между двумя событиями, и полученное значение будет одним и тем же, кто бы его ни измерял, если использовать точные часы. В отличие от абсолютного пространства, абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона. И большинство людей считает, что это соответствует здравому смыслу.

Тем не менее в двадцатом столетии физики были вынуждены пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в дальнейшем, ученые обнаружили, что интервал времени между двумя событиями, подобно расстоянию между отскоками теннисного шарика, зависит от наблюдателя. Физики также открыли, что время не является независимым от пространства.

Ключом к прозрению стало новое понимание свойств света. Свойства эти, казалось бы, противоречат нашему опыту, однако здравый смысл, исправно служащий нам, когда речь идет о планетах, которые движутся сравнительно медленно, перестает работать в мире околосветовых скоростей.

Но для осознания всей глубины новых релятивистских представлений понадобилось разобраться с еще одним наследием века пара и электричества – концепцией «мирового светоносного эфира».

Надо сказать, что понятие эфира является одним из древнейших метафизических образов, дошедших до нас из недр древнегреческой философии, где оно сопоставлялось с понятиями «воздух», «небо» или «верхние области небосвода». Еще античные мыслители пытались при помощи небесного эфира объяснить принципы движения Луны и планет, да и всего мироздания в целом. Любопытно, что при этом древние мыслители разработали «схему применения» нескольких эфиров, имеющих разные качества, такие как плотность, вязкость и температура, к тому же занимающие разное положение в небесных сферах.

Сверхтвердая и неуловимая субстанция – очень странные качества, которые ни тогда, ни сейчас никто бы не смог объяснить – конечно, с научной точки зрения. Учителя никогда не любили каверзных вопросов, и любопытный гимназист, пытавшийся узнать, почему он не может потрогать вездесущее «кристаллическое тело эфира», получал вместе с подзатыльником (обычная воспитательная мера в те времена) стандартный ответ – «так устроен мир». Зачем же понадобилась ученым такая противоречивая физическая модель эфира? Для объяснения распространения света!

Свет всегда был (и остается!) очень загадочным физическим объектом. Долгое время ученые спорили о том, из чего состоит луч света – из частиц или волн. В конце концов победил компромисс, и мы знаем, что световые волны разлиты электромагнитными волнами в пространстве, а когда их прибой достигает вещества, они распадаются, превращаясь в частицы света – фотоны. Впрочем, это современный взгляд на природу света, а в конце позапрошлого века в очередной раз победила волновая теория. Согласно ей распространение света напоминает волны на безбрежной поверхности мирового «светоносного эфира».

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые впервые попытались осмыслить природу света. Автором первой эфирной теории света был выдающийся голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс, который в 1678 году сделал сообщение об этом на одном из заседаний парижской Академии наук.

В этом труде Гюйгенс утверждал, что для движущихся тел имеет физическое значение только относительная скорость этих тел. Так он стал первым ученым, сформулировавшим принцип относительности движения, состоящим в том, что системы отсчета, которые движутся по отношению друг к другу с постоянной прямолинейной скоростью, равноценны для описания физических явлений. Эта эквивалентность называется в настоящее время принципом относительности Галилея, но правильнее было бы называть ее принципом относительности Гюйгенса.

В 1665 году Гюйгенс был приглашен в Академию наук, где с энтузиазмом включился в решение разных теоретических и прикладных задач. Он, например, испытал ход часов с маятником на плавающих кораблях, оценил скорость света и длину окружности земного шара. За время работы в Академии Гюйгенс написал две важные книги: «Маятниковые часы» (1673) и «Трактат о свете» (1690), где предположил существование промежуточной материи – эфира – из очень плотно упакованных частиц. По мнению Гюйгенса, свет распространяется последовательными толчками, а каждая частица эфира действует как передаточный центр.

Гюйгенс исходил из конечности скорости света, опровергая устоявшееся мнение о его бесконечной величине и поддерживая наблюдения датского астронома Оле Ремера, оценившего скорость света более чем в 200 000 км/с (действительная скорость равна почти 300 000 км/с). В его теории свет распространялся, заполняя сферическое пространство фронта волны. Причем любая точка фронта волны сама являлась источником новых вторичных волн и фронтов. Этот принцип, который применим ко всем волновым явлениям в материальных средах, известен как принцип Гюйгенса.

В труде «О причине тяготения», опубликованном в 1690 году, ученый ввел особый вид «тонкой эфирной материи», состоящей из неких мельчайших частиц (мельче, чем частицы светоносного эфира). По мысли Гюйгенса этот «гравитационный эфир» циркулирует вокруг Земли во всех направлениях с очень большой скоростью, а сама сила тяготения возникает из-за того, что при столкновении с частицами «гравитационного эфира» материальные тела получают импульс, направленный в сторону Земли. Эта вычурная модель не могла объяснить очень многие закономерности тяготения, в частности постоянство ускорения силы тяжести для всех тел. Поэтому еще при жизни Гюйгенса его модель полностью уступила теории всемирного тяготения Ньютона.

Еще одним камнем преткновения в дискуссиях Гюйгенса и Ньютона была относительность движения. Гюйгенс формулировал принцип относительности для равномерных прямолинейных движений и применял его для описания столкновений твердых тел. Он также считал, что все движения, как прямолинейные, так и вращательные, имеют относительный характер, а абсолютного движения не существует. Это в корне противоречило мнению Ньютона, который уверял, что вращения абсолютны по своей природе, поскольку именно в них возникают центробежные силы.

Согласно теории Гюйгенса, светящееся тело, будь то Солнце, свеча или молния, порождает некие колебания мировой всепроникающей среды эфира, и эти волны, распространяясь во все стороны, доносят свет до глаз наблюдателя. К тому времени уже было надежно установлено, что звук, вызываемый колебаниями таких материальных тел, как колокол, духовые музыкальные инструменты или барабан, представляет собой волны плотности в окружающем воздухе, распространяющиеся со строго определенной скоростью.