Стивен Хокинг - Великий замысел

Если Вы мчитесь через воздух к звуковой волне, волна приближается к Вам быстрее, и если Вы мчитесь от нее, это приближается к Вам более медленно. Точно так же, если бы был эфир, то скорость света изменилась бы в зависимости от Вашего движения относительно эфира. Фактически, если свет действовал бы подобно звуку, так же, как люди на сверхзвуковом самолете никогда не будут слышать звука, который доносится из самолета, также путешественники, мчащиеся достаточно быстро через эфир были бы в состоянии опередить световую волну. Рассуждая таким образом, Максвелл предложил эксперимент. Если есть эфир, Земля должна перемещаться сквозь него, поскольку она вращается вокруг Солнца. И так как Земля движется в другом направлении в январе чем, скажем, в апреле или июле, можно было бы заметить небольшое различие в скорости света в разное время года — см. рисунок ниже.

От публикации этой идеи в «Трудах Королевского Общества» Максвелла отговаривал его редактор, который не считал, что эксперимент сработает. Но в 1879, незадолго до того, как он умер в сорок восемь лет от рака желудка, Максвелл послал письмо о этом своему другу. Письмо было издано посмертно в журнале Nature, где его прочитал, среди прочих, американский физик по имени Альберт Майкельсон. Вдохновленный предположением Максвелла, в 1887 году Майкельсон и Эдвард Морли выполнили очень чувствительный эксперимент, задуманный, чтобы измерить скорость, с которой Земля движется сквозь эфир. Их идея состояла в том, чтобы сравнить скорость света в двух различных направлениях, под прямым углом. Если бы скорость света была постоянным числом относительно эфира, измерения должны были обнаружить скорости света, которые отличались бы в зависимости от направления луча. Но Майкельсон и Морли не заметили такого различия.

Результат эксперимента Майкельсона и Морли находится ясно в конфликте с моделью электромагнитных волн, распространяющихся через эфир, и заставил отказаться от модели эфира. Но цель Майкельсона состояла в том, чтобы измерить скорость Земли относительно эфира, а не доказать или опровергнуть гипотезу эфира, и что он открыл, не подтолкнуло его прийти к заключению, что эфира не существует. Никто больше также не пришел к такому выводу. Известный физик сэр Уильям Томсон (Лорд Келвин) сказал в 1884 году, что эфир был «единственной субстанцией, в которой мы уверены в динамике». Единственное, в чем мы уверены, так это в истинности и реальности люминофорного эфира.

Как можно верить в эфир, не смотря на результаты эксперимента Майкельсона — Морли? Как мы уже говорили, люди часто пытаются спасти изобретенную модель специальными дополнениями. Некоторые постулировали, что Земля тянула эфир за собой, таким образом, мы фактически не двигались относительно него. Голландский физик Хендрик Антун Лоренц и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд предположили, что в структуре, которая перемещалась относительно эфира, вероятно из-за некоторого все же неизвестного механического эффекта, ход времени замедляется, и расстояния сокращаются таким образом, что измерение скорости света дает то же самое значение. Такие усилия спасти понятие эфира продолжались в течение почти двадцати лет до замечательной статьи молодого и неизвестного клерка в патентном бюро в Берне, Альберта Эйнштейна.

Эйнштейну было двадцать шесть лет в 1905, когда он опубликовал свою работу «Zur Elektrodynamik bewegter Korper» («К электродинамике движущихся тел»). В ней он сделал простое предположение, что законы физики и в особенности скорость света, должны быть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей. Эта идея совершила революцию в нашем понятии о пространстве и времени. Чтобы понять почему, вообразите два события, которые имеют место в той же самой точке, но в разное время в реактивном самолете. Для наблюдателя на самолете расстояние между этими двумя событиями будет нулевым. Но для второго наблюдателя на Земле события будут отделены расстоянием, самолет пролетел за время между событиями. Это показывает, что два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, не смогут прийти к соглашению о пройденном расстоянии между двумя событиями.

Теперь предположите, что эти два наблюдателя наблюдают луч света, направляющегося от хвоста самолета к его носу. Так же, как в вышеупомянутом примере, они не смогут договариваться о расстоянии, которое прошел свет от хвоста самолета к его носу. Так как скорость — это расстояние, пройденное за определенное время, это значит, что если они придут к соглашению о скорости, с которой распространяется луч — скорости света — это значит, что они не придут к соглашению об интервале времени между началом распространения луча вдоль самолета и его окончанием.

В чем странность этого явления — в том, что, хотя эти два наблюдателя измерили различные интервалы времени, они наблюдали тот же самый физический процесс. Эйнштейн не пытался искусственным образом объяснить это. Он вывел поразительное заключение, что измерение затраченного времени на преодоление расстояния, зависит от наблюдателя, проводящего измерение. Тот эффект является одним из ключевых в теории, описанной в статье Эйнштейна в 1905 году, которая получила название специальной теории относительности.

Мы можем видеть, как этот анализ может применяться к устройствам хронометрирования, если мы рассматриваем двух наблюдателей, наблюдающих за часами. Специальная теория относительности считает, что часы бегут быстрее согласно наблюдателю, который находится в покое относительно часов. Наблюдателям, которые не являются в покое относительно часов, кажется, что часы бегут медленнее. Если мы уподобляем световой импульс, идущий из хвоста до носа самолета, тиканью часов, мы видим, что для наблюдателя на Земле часы идут медленнее, потому что в той системе координат луч света должен переместиться на большее расстояние. Но результат не зависит от механизма часов; он справедлив для всех часов, даже наших собственных биологических.

Работа Эйнштейна показала, что, как и понятие покоя, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон. Другими словами, невозможно определить для каждого события время, с которым согласится любой наблюдатель. Вместо этого у всех наблюдателей есть свои собственные меры времени, и время, измеренное двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга, не будет совпадать. Идеи Эйнштейна вступают в противоречие с нашей интуицией, потому что их последствия не заметны на скоростях, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни. Но они неоднократно подтверждались экспериментально. Например, представьте себе эталонные часы в состоянии покоя в центре земли, другие часы на поверхность земли, а третьи на борту самолета, летящего либо по направлению, либо против направления вращения Земли. По отношению к часам в центре земли часы на борту самолета, движущегося в восточном направлении — в направлении вращения земли — перемещаются быстрее, чем часы на поверхности Земли, и поэтому они должны идти медленнее. Точно так же в отношении часов в центре земли, часы на борту самолета, летящего на запад — против вращения земли — перемещаются медленнее, чем часы на поверхности, что означает, что эти часы должны идти быстрее, чем часы на поверхности. И это в точности наблюдалось, когда в эксперименте, проделанном в октябре 1971, очень точные атомные часы облетели вокруг света. Таким образом, можно растянуть свою жизнь, постоянно летя в восточном направлении вокруг света, хотя Вы могли бы устать от просмотра всех тех кинофильмов авиалиний. Однако эффект очень мал, приблизительно 180 миллиардных частей секунды за оборот (и он также несколько уменьшается из-за влияния разницы в силе тяжести, но нам здесь не нужно в это вдаваться).