Лев Ландау - Что такое теория относительности. 3-е, дополненное издание

Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Распространение света в движущейся лаборатории в действительности оказалось протекающим совсем иначе, чем это следовало из наших рассуждений. А именно: Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью. В этом отношении распространение света происходит так же, как и полет пули, — независимо от движения лаборатории, с одинаковой скоростью относительно ее стен по всем направлениям.

Таким образом, опыт Майкельсона показал, что явление распространения света, в противоположность нашим рассуждениям, нисколько не противоречит принципу относительности движения, а, напротив, находится в полном с ним согласии. Другими словами, наши рассуждения на стр. 27–29 оказались ошибочными.

Итак, опыт освободил нас от тяжелого противоречия между законами распространения света и принципом относительности движения. Противоречие оказалось только кажущимся, обязанным, очевидно, ошибочности наших рассуждений. В чем же, однако, заключается эта ошибка?

Почти четверть века, с 1881 по 1905 год, физики всего мира ломали головы над этим вопросом, но все предлагавшиеся объяснения неизбежно приводили все к новым и новым противоречиям между теорией и опытом.

Если источник звука и наблюдатель перемещаются в движущейся клетке, сделанной из тонких прутьев, то этот наблюдатель чувствует сильный ветер. Если измерять скорость звука по отношению к клетке, то в сторону движения она будет меньше, чем в обратном направлении. Однако, помещая источник звука и производя измерения скорости звука в вагоне с закрытыми дверьми и окнами, мы найдем, что поскольку воздух увлекается вместе с вагоном, скорость звука в нем окажется одинаковой по всем направлениям.

Переходя от звука к свету, можно было бы для объяснения результата опыта Майкельсона сделать следующее предположение. При своем движении в пространстве Земля не оставляет эфир неподвижным, проходя через него подобно клетке из тонких прутьев. Наоборот, допустим, что она увлекает эфир, составляя с ним в своем движении одно целое. Тогда результат опыта Майкельсона стал бы совершенно понятен.

Но это предположение находится в резком противоречии с большим количеством других опытов, например с распространением света в трубе, по которой движется вода. Если бы предположение об увлечении эфира было верным, то, измеряя скорость света в направлении движения воды, мы получили бы скорость, равную скорости света в неподвижной воде плюс скорость движения воды. Между тем непосредственное измерение дает скорость меньшую, чем следует из этого рассуждения.

Мы уже говорили о крайне странном положении, когда тела, проходя через эфир, не испытывают заметного трения. Но если они не только проходят через эфир, но и увлекают его за собой, то трение во всяком случае должно бы стать значительным!

Таким образом, все попытки обойти противоречие, создавшееся после неожиданного результата опыта Майкельсона, оказались безуспешными.

Подведем итоги.

Опыт Майкельсона подтверждает принципы относительности движения не только для движения обычных тел, но и для явления распространения света, то есть для всех явлений природы.

Как мы видели раньше, из принципа относительности движения непосредственно вытекает относительность скоростей: значения скорости должны быть различными для различных движущихся друг относительно друга лабораторий. Но, с другой стороны, скорость света — 300 000 километров в секунду — оказывается в различных лабораториях одинаковой. Следовательно, она не относительна, а абсолютна!

На первый взгляд может показаться, что мы имеем дело с чисто логическим противоречием. Постоянство скорости света в разных направлениях подтверждает принцип относительности, в то же время сама скорость света — абсолютна.

Вспомним, однако, отношение средневекового человека к факту шарообразности Земли: для него шарообразная форма Земли стояла в резком противоречии с наличием силы тяжести, поскольку все тела должны были бы скатиться с Земли «вниз». Между тем мы достоверно знаем, что никакого логического противоречия здесь нет. Просто-напросто понятия верха и низа являются не абсолютными, а относительными.

То же положение имеет место и в вопросе о распространении света.

Было бы напрасным искать логическое противоречие между принципом относительности движения и абсолютностью скорости света. Противоречие появляется здесь лишь потому, что мы при этом незаметно для самих себя ввели еще и другие предположения, подобно тому как, опровергая шарообразность Земли, средневековые люди считали абсолютными понятия верха и низа. Эта смешная для нас вера в абсолютность верха и низа создавалась вследствие ограниченности их опыта: в то время люди мало путешествовали и были знакомы лишь с небольшими участками земной поверхности. Очевидно, нечто подобное произошло и с нами — по-видимому, из-за ограниченности нашего опыта мы что-то относительное приняли за абсолютное. Что же именно?

Чтобы обнаружить нашу ошибку, впредь будем основываться только на положениях, установленных опытом.

Представьте поезд длиной в 5 400 000 километров, который движется прямолинейно и равномерно со скоростью в 240 000 километров в секунду.

Пусть в некоторый момент времени в середине поезда зажглась лампочка. В переднем и заднем вагонах устроены автоматические двери, которые открываются в тот момент, когда на них падает свет. Что увидят люди в поезде и что увидят люди на платформе?

Отвечая на этот вопрос, будем, как условлено, придерживаться только опытных фактов.

Люди, сидящие в середине поезда, увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью — 300 000 километров в секунду, то через 9 секунд (2 700 000: 300 000) он дойдет одновременно до заднего и по переднего вагонов и обе двери откроются одновременно.

Что же увидят люди на платформе? Относительно станции свет также распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Но задний вагон идет навстречу лучу света. Поэтому свет встретится с задним вагоном через 2 700 000 / (300 000 + 240 000) = 5 секунд. Передний же вагон луч света должен догонять, и поэтому достигнет его лишь спустя 2 700 000 / (300 000–240 000) = 45 секунд.