Олег Фейгин - Удивительная относительность

В 1907 году профессор и руководитель физического отделения новооснованного Чикагского университета Майкельсон стал первым американским лауреатом Нобелевской премии по физике «За создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью».

В своих опытах Майкельсон руководствовался распространенной в то время моделью эфира, как материальной всепроникающей субстанции абсолютно неподвижной и дающей абсолютную систему отсчета для любых движений во Вселенной. В таком случае наблюдатель, находящийся на поверхности Земли и несущийся вместе с ней в пространстве вокруг Солнца, должен ощущать «эфирный ветер», подобно тому, как стоящий на палубе быстро движущегося судна матрос чувствует на лице дуновение ветра, хотя в действительности воздух совершенно спокоен.

Майкельсон считал, что сможет обнаружить эфирный ветер, налетающий на Землю, при ее движении в неподвижном эфире, и для своего эксперимента сконструировал довольно сложную установку. Однако сама схема опыта была проста – ученый измерял скорость света вдоль и поперек полета Земли в эфирном океане: ясно, что если ветер дует нам навстречу, наша скорость снижается, а если сбоку то всего лишь нарушается равновесие.

Пользуясь этой простой аналогией, Майкельсон рассудил, что эфир будет меньше замедлять свет, если свет распространяется под прямым углом к направлению движения Земли вокруг Солнца, чем если он движется в пространстве в том же направлении, что и Земля. Если же эфира не существует, то направление распространения света не будет играть никакой роли.

Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931)

Американский физик. Изобретатель оптического прибора исключительно высокой точности, интерферометра. Целью его первого эксперимента было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Опыты Майкельсона являются эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности.

Экспериментатор построил схему своего опыта следующим образом. Он собирался послать один луч света на известное расстояние в одном направлении, а другой луч – на такое же расстояние под прямым углом к первому. Оба луча будут отправлены одновременно и возвратятся в одну и ту же исходную точку. Если эфир действительно существует, лучи, как в случае с двумя гребцами, должны вернуться в исходную точку в разное время, и будет иметь место явление интерференции – одно из свойств волнового движения. Оно выразится в том, что в точке пересечения волн двух лучей получатся перемежающиеся полосы света, известные как характерная картина интерференции.

Интерференция сама по себе довольно любопытное волновое явление, на котором основано множество оригинальных опытов и демонстраций. Она происходит при смешении двух волн, и если гребень одной волны совпадает со впадиной другой, волна погашается, а если гребень одной волны совпадает с гребнем другой волны – усиливается. Точно так же, когда гребень одной световой волны встречается со впадиной другой, происходит погашение света и, если смотреть через небольшую зрительную трубу или проектировать изображение на экран, можно видеть перемежающиеся темные и светлые полосы.

Объясняя результаты эксперимента Майкельсона – Морли, можно было, конечно, вернуться к средневековой картине мира в геоцентрической системе отсчета с абсолютно неподвижной Землей, вокруг которой вращалась бы вся остальная Вселенная. Но со времен Коперника ученые уже получили много экспериментальных доказательств движения Земли. Да и кто же в конце просвещенного века пара и электричества мог согласиться с абсурдной картиной обращения вокруг нашей планеты гигантского светила, в 1 300 000 раз большего Земли?

Казалось бы, Майкельсон задумал вовсе не такой уж трудный опыт, однако на деле осуществить его было необыкновенно сложно. Ведь свет распространяется с огромной скоростью, пролетая в пространстве 300 000 км за каждую секунду, а замедление одного из лучей будет в самом лучшем случае ничтожно мало. Для проведения такого опыта нужен был прибор необычайной чувствительности в сочетании с безукоризненной техникой экспериментатора.

Итак, Майкельсон и Морли начали серию своих измерений… Опыты повторялись много раз в различное время суток и года и всегда давали четкий отрицательный результат. Движение эфира зафиксировать не удавалось, и скорость света была абсолютно одинакова во всех направлениях!

Опыты завершились в июле 1887 года. Когда все результаты были сведены воедино, проанализированы и неоднократно проверены, исследователи оказались перед лицом парадоксального факта. Против всякого ожидания, смещения того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было. Какой же следовало сделать вывод из такого решительно неудавшегося эксперимента?

Майкельсон и Морли послали свое сообщение под заглавием «Об относительном движении Земли и светоносного эфира» в крупнейшее научное периодическое издание того времени: «Американский научный журнал». В том же году оно было также напечатано в английском «Философском журнале», и парадоксальные результаты опытов американских физиков стали известны ученым всего мира.

Получалось, что в каком бы направлении ни двигался наблюдатель, уловимой разницы в скорости света не обнаруживалось. Иными словами, приходилось признать невероятное: как бы быстро мы ни бежали за светом, догнать его невозможно. Он по-прежнему будет убегать со скоростью 300 000 км в секунду. Такое заключение противоречило всему человеческому опыту, и многие ученые стали искать пути спасения для гипотезы мирового эфира. Первым предложил свои соображения ирландский физик Джордж-Френсис Фицджеральд (1851–1901).

Джордж-Френсис Фицджеральд (1851–1901)

Ирландский физик. Последователь Максвелла, разрабатывал теорию электрических и магнитных явлений. Для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона – Морли выдвинул независимо от Лоренца гипотезу о сокращении размеров движущихся тел в направлении движения.

Фицджеральд был блестящим теоретиком конца позапрошлого века и вошел в историю науки своими работами по теории относительности. Фицджеральд вывел формулу субсветового изменения пространственных размеров, известную как преобразование или сокращение Лоренца – Фицджеральда. Свой путь в науке он начал с критического исследования вышедшего в 1873 году труда Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». Максвелл предложил теорию электромагнетизма, в которой описывал, как свет проходит через пространство, представляя собой сочетание электрических и магнитных возмущений. Фицджеральд был одним из немногих ученых, которые оценили всю значимость работы Максвелла, и начал широко пропагандировать достижения выдающегося физика.