книги из ГПНТБ / Станис Л.Я. Движение, пространство, время и теория относительности

нам следовать за историей отдельных тел в пространст­ ве, то уравнения электродинамики позволяют нам следо­ вать за эволюцией поля в целом в отношении мирового эфира. Сам Максвелл предложил один из возможных экспериментов установления абсолютной скорости дви­ жения тел относительно мирового «эфирного моря». По­ добных попыток было сделано много К Однако все они, как казалось, были неудачными, потому что никак не могли зафиксировать таковую скорость.

Самый серьезный удар по теории эфира был нанесен опытами американских ученых, сначала опытом Майкельсона (1881), затем более точными экспериментами Майкельсона совместно с его другом и коллегой Морли

(1887).

Суть опыта Майкельсона — Морли заключалась в по­ пытке установить движение Земли относительно мирово­ го эфира по той разнице, которая должна была получать­ ся в скорости распространения луча света от одного источника, но в разных направлениях. В одном случае при помощи специальной системы зеркал он направлял­ ся продольно к движению Земли вокруг Солнца. В дру­ гом — в поперечном направлении. Движение света туда и обратно в одном, например в продольном, направле­ нии должно было бы продлиться несколько дольше, чем в другом, поперечном направлении. На преодоление полного пути прямо против эфирного «ветра» должно было бы затрачиваться больше времени, чем в том слу­ чае, когда пучок распространялся перпендикулярно к не­ му на очень небольшую величину, пропорциональную1

1 К ним в определенной мере относятся опыты Aparo (1810), Физо (1851), Эйри (1871) и др. См.: Б. И. С п а с с к и й . Очерк возникновения и развития теории относительности. История и мето­ дология естественных наук. Вып. 1. Физика. Изд-во МГУ, 1960.

61

квадрату отношения скорости Земли к скорости света1. И все-таки эта разница должна была быть обязательно обнаружена интерферометром Майкельсона, так как оба луча, сходясь в один, должны были бы изменять интер­ ференционную картину спектра в зависимости от степе­ ни поворота этих лучей к направлению движения Земли. Ничего подобного не произошло. Схематично опыт мож­

/

Солнца. См. популярное объяснение в книге Гарднера «Теория отно­ сительности для миллионов», М., 1965, стр. 30—33.

62

Теоретически предполагалось, что положение интер­ ференционных полос должно заметно меняться, так как оно определяется разностью в абсолютной скорости, полученной 1 и 2 лучами за время, в течение которого они проходят соответственно равные пути от пластины Д до зеркал 5 ^ 2 и обратно; при этом вся система могла поворачиваться вокруг своей оси и менять направление лучей 1 и 2 к движению Земли в отношении покояще­

гося мирового эфира.

Свет вел себя, с точки зрения классической физики, очень странно: он обладал особой, универсальной приро­ дой постоянства. Майкельсон и Морли обнаружили, что

и т. п.), как бы с совершенно одинаковой скоростью. По­ лучалось, что свет не подчиняется классическому закону сложения скоростей. Иначе говоря, если в мчащемся ми­ мо платформы поезде, например, пустить луч света по ходу поезда или против него, его скорость в отношении платформы оказывается точно такой же, как и в отно­ шении стенок поезда, т. е. 300 000 км/сек. Свой опыт они повторяли и позже с более совершенными приборами, но всякий раз результат был отрицательным, т. е. интер­ ференционная картина не менялась. Повторяли подоб­ ные эксперименты и другие исследователи. Гарднер, на­

свет от противоположных сторон вращающегося Солнца. Все результаты опытов, при помощи которых пытались установить скорость движения тел относительно мирово­ го «эфирного моря», т. е. абсолютную, истинную ско­ рость, отличающуюся от скоростей относительных, ока­

зались о т р и ц а т е л ь н ы м и .

63

Сами Майкельсоы и Морли так и не могли с этим сми­ риться. Они относили отрицательные результаты своих опытов, например, за счет возможных просчетов в техни­ ке эксперимента. Физики временно стали в тупик перед столь невообразимой для привычного образа мышления ситуацией. Выдвигались самые разнообразные гипотезы и предположения. Одни считали, что эфир, как воздух внутри замкнутой системы, полностью увлекается дви­ жущимся телом (Стокс), другие — что он увлекается ча­ стично (Френель). Но все эти предположения оказыва­ лись весьма искусственными, придуманными, как гово­ рится, ad hoc К Они не разрешали сложившейся драма­ тической ситуации. Драматизм ее, пожалуй, возник гораздо раньше (хотя и не был замечен) уже тогда, ког­ да теоретически был введен в картину мира «Эфир». Эфир приводил к необходимости отказаться от всеобще­ го значения принципа относительности, потому что давал возможность устанавливать и состояние абсолютного покоя, и абсолютную скорость движения, в то время как в механике Галилея — Ньютона все «покоящиеся», а так­ же без ускорения равномерно движущиеся системы бы­ ли равноправны, поскольку все тела в них подчинялись одинаковым законам движения, скорость их движения практически выступала всегда относительной. В расче­ тах существовала не одна «покоящаяся» система отсче­ та, а бесчисленное множество «покоящихся» материаль­ ных систем, движущихся относительно друг друга равно­ мерно без ускорения, с различными скоростями. Если бы обнаружили теперь абсолютную, в отношении мирового эфира, скорость движения, что было бы со в с е м и инерциальными системами, с галилеевым принципом от­ носительности, по которому в с е без исключения инер-1

1 К случаю.

64

циальные системы являются равноправными? От него пришлось бы отказаться, сохранив классический закон сложения скоростей. Или, наоборот, если сохранить принцип относительности для всех процессов, происхо­ дящих в инерциальных системах, в том числе и для све­ та, надо было бы отказаться от классического закона сложения скоростей. Для разрешения противоречия Эйнштейн выбрал последнее, все остальные по сути дела

выбирали первое.

Отказаться от того или другого принципов, веками признававшимися истинными и взаимозависимыми, было чрезвычайно трудно. Нужна была необыкновенная тео­ ретическая и философская проницательность, чтобы ре­ шить эту сложную задачу. Вот что натворил свет своим особенным, ни на что известное до сих пор не похожим поведением. Хотя ньютоново методологическое признание абсолютного пространства как абсолютной системы от­ счета всегда противоречило последовательному проведе­ нию принципа относительности, это никого особенно не беспокоило, поскольку абсолютное пространство и абсо­ лютная скорость предполагались существующими чисто теоретически, непосредственно же они нигде и никогда не фиксировались. Наоборот, практически механика все­ гда имела дело с относительным покоем и с относитель­ ными скоростями, поэтому и сосуществовали мирно два противоречащих и взаимоисключающих представления. Установление постоянства скорости света в отношении привилегированного и покоящегося тела отсчета — «эфи­ ра» меняло положение. Появилась, как казалось, экспе­

самым существование абсолютного покоя. Однако ре­

дежд, возлагавшихся на эфир и постоянство скорости света в нем, по установлению абсолютной скорости дви­ жения.

Никогда, пожалуй, в истории науки «отрицательный» опыт не был столь разрушительным и плодотворным одновременно, как в случае опыта Майкельсона. Именно его отрицательные результаты вполне положительно были оценены и объяснены при помощи теории относи­ тельности Эйнштейна, но лишь 24 года спустя, в 1905 го­ ду. Появилась знаменитая, очень небольшая по объему работа Эйнштейна под совершенно неприметным назва­ нием: «К электродинамике движущихся тел», где впер­ вые излагались идеи теории относительности, положив­ шие начало новому революционному перевороту в фи­ зике.

Эйнштейн самым последовательным образом распро­ странил-галилеев принцип относительности на электро­ магнитные процессы. Тем самым он перечеркнул все надежды, возлагавшиеся на мировой эфир и постоянство скорости света как на абсолютные системы отсчета для установления различий между абсолютной (в отноше­ нии мирового эфира) и относительной (в отношении друг друга) скоростями движения тел. Для этого Эйнштейну пришлось отказаться от абсолютной истинности галиле­ евых преобразований координат и классического прин­ ципа сложения скоростей, заменить их лоренцовыми преобразованиями координат и собственным принципом сложения скоростей, которые включали в себя галилеевы преобразования как предельный случай. Все это стало возможным благодаря коренному изменению классиче­ ских представлений о п р о с т р а н с т в е и в р е ме н и , их связи с м а т е р и а л ь н ы м д в и ж е н и е м , которые, как теперь выяснилось, носили весьма ограниченный, во многом антропоцентрический характер.

66

Релятивистская физика в других выражениях, с иной стороны, под другими, как говорят, парусами пришла к тому же берегу, что и Ф. Энгельс, который в «Диалек­ тике природы» о пространстве и времени писал: «Разу­ меется, обе эти формы существования материи без материи, суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове»1

1 Ф. Э н г е л ь с . Диалектика природы. М., 1948. стр. 189.

з*

5.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И НЕКОТОРЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ ВЫВОДЫ

Прежде чем перейти к краткому изложению содержа­ ния теории относительности, для последующего сравне­ ния напомним сначала классический закон сложения скоростей и галилеевы преобразования координат, при­ бегая к наиболее простой их иллюстрации.

Представим себе поезд, движущийся прямолинейно и равномерно со скоростью 100 километров в час. Внутри одного из вагонов этого поезда вы, предположим, тоже идете со скоростью 5 километров в час. В зависимости от того, будете вы двигаться в направлении хода поезда или против него, ваша скорость относительно будки же­

законе сложения скоростей, когда v = V\±V2 , основаны следующие галилеевы преобразования координат.

Представим себе две инерциальные системы отсчета (рис. 4) хуг и х'у'г', из которых одна движется относи­ тельно другой со скоростью V. Обе они, конечно, могут находиться в состоянии инерциального движения к треть­ ей (как в случае с человеком, поездом и будкой).

Для простоты расчетов предположим, что их оси х и х' совпадают одна с другой, т. е. система х'у'г' своей осью х' как бы скользит по оси х. Если допустим также, что в начальный момент времени, когда ¿ = 0, начала обеих координат совпадали, мы сможем выразить дви­ жение любой точки в одной из этих координатных си­ стем через параметры ее движения в другой на основе следующих, введенных Галилеем, преобразований: х —

— х'— у = у', г = г'. К этим трем формулам необходи­

68

мо добавить четвертое положение. Течение времени t остается одинаковым как в первой, во второй, так и в любой другой инерциальной системе координат. Оно вез­ де воплощает некую абсолютную, ни к чему не относи­ мую однородную длительность. Секунда везде одинакова так же, как одинаковыми будут час, год, век и т. д. Син-

УУ'

хронизированные часы любых движущихся инерциально систем будут идти абсолютно одинаково, поэтому всегда можно будет определить, какие события происходят во всех этих системах одновременно, в тот или иной момент времени. О д н о в р е м е н н о с т ь в природе будет в та­ ком случае носить а б с о л ю т н ы й х а р а к т е р , безот­ носительный к чему бы то ни было.

Выводы, к которым привела теория относительности, оказались противоположны только что изложенному.

Обратимся для подтверждения к опыту. В отличие от предыдущего он может быть осуществлен пока как мыс­ ленный наглядный эксперимент, ибо техника еще весьма далека от того, чтобы предоставить человеку возмож­ ность экспериментировать с поездами или ракетами, дви­

жущимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

И Галилей и Эйнштейн развивали свои принципы, ис­ кусно теоретически интерпретируя объективные опытные факты. Первый опирался на наблюдение и сравнительно простые наглядные факты, второй — на результаты спе­ циальных экспериментов, выходивших далеко за рамки обычных жизненных наблюдений. Галилей и Ньютон опе­ рировали движением макротел со сравнительно неболь­ шими скоростями. Диапазон скоростей у Эйнштейна неизмеримо шире. Он анализировал возможные состоя­ ния материального движения со скоростями порядка околосветовой и световой. В данном случае количество при­ водило к коренному качественному изменению как самих объективных процессов, так и к новому качественному содержанию понятий, описывающих эти процессы.

Для иллюстрации принципиально новых выводов об­ ратимся к краткому пересказу, который приводится в очень популярной, небольшой и вместе с тем глубокой брошюре Л. Д. Ландау и Ю. Б. Румера под названием «Что такое теория относительности». Мысленно авторы оперируют так называемым поездом Эйнштейна очень больших размеров, который может достигать огромных скоростей. Предварительно напомним два постулата, т. е. два исходных положения, которые Эйнштейн берет за

основу.

1. Из принципа относительности следует, что гово­ рить о скорости прямолинейного и равномерного движе­

такого соотнесения по внутреннему поведению тел в си­ стеме никакой скорости не зафиксируешь, потому что во всех системах, движущихся инерциально, движение тел

70