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

происходит по одним и тем же законам. Только движе­ ние системы с ускорением, замедлением или изменением направления движения вызывает соответствующие внут­ ренние эффекты, внутренние силы инерции, по которым всегда можно измерить степень изменения скорости, но опять-таки не саму скорость.

2. Распространение света в «пустоте» в отличие от всех других движений обладает тем особенным свойст­ вом, что его нельзя ни замедлить, ни ускорить; вместе с тем скорость света оказывается в с е г д а о д и н а к о в о й во всех системах отсчета, в любых направлениях. Она не зависит от движения ни источника, ни приемника света.

независима от относительных скоростей движущихся си­ стем, она безотносительна к чему бы то ни было друго­

инерциальных системах предельной скоростью распро­ странения любых взаимодействий. В нашем мире не мо­ жет быть скорости распространения материальных взаи­ модействий больше, чем скорость света в «пустоте». Бесконечная скорость, мгновенное распространение взаимодействий полностью исключатся теорией относи­ тельности из возможностей природы. П р е д е л ь н а я скорость распространения взаимодействий, равная ско­ рости света в вакууме, рассматривается в теории отно­ сительности как у н и в е р с а л ь н ы й з а к о н п р и р о ­ ды, который опирается не только на опыты Майкельсо-

по измерению лучевых скоростей небесных тел и др. Мы

рассмотрим здесь только эксперимент Майкельсана— Морли и его интерпретацию с точки зрения теории от­ носительности.

Представим себе поезд длиной 5 400 000 км, движу­ щийся прямолинейно и равномерно со скоростью 240 000 км/сек мимо платформы (рис. 5). Точно в сере­ дине поезда находится источник света (С). В тот момент,

Рис. 5

когда источник света (С) будет находиться как раз на­ против приемника света (К), установленного на «поко­ ящейся» платформе, лампочка в середине поезда вспых­ нет. В переднем и заднем вагонах поезда устроены такие

С — источник света. В точке К — приемник света. В точ­ ках А и В — автоматически открывающиеся двери с до­ полнительными источниками света. Платформа «покоит­ ся», поезд идет в указанном стрелкой направлении. Для пассажиров, сидящих внутри поезда, двери откроются одновременно, т. е. через 9 секунд,

( 2 700 000 к м _ _ 9 с е к \ _ 300 000 км/сек

72

Для людей, находящихся на платформе у приемника излучения, двери откроются в разное время. Как только двери откроются, на них зажгутся сигнальные лампочки. От сигнальной лампочки задней двери по классическому принципу сложения скоростей к платформе свет должен пойти со скоростью 540 000 км/сек (300 000 км/сек ско­ рость света плюс 240 000 км/сек скорость поезда).

Поэтому момент открытия задней двери на платфор­ ме должен быть зафиксирован через 5 сек после того,

передней двери свет должен прийти значительно позже. Его скорость в отношении платформы окажется >60 000 км/сек, потому что передняя дверь как бы убегает от приемника света (300 000 км/сек минус 240 000 км/сек). Только через 45 сек свет от лампочки задней двери дой-

Иначе говоря, события, происходящие о д н о в р е м е н н о в одной инерциальной системе — в поезде, оказываются р а з н о в р е м е н н ы м и в другой — на платформе. Учи­ тывая постоянство и предельность скорости света, можно, конечно, по последовательности событий в одной системе, зная расстояние, судить о том, в какой последователь­ ности и с какими интервалами они происходят в других системах. И все-таки благодаря тому, что все матери­ альные системы находятся в вечном, абсолютном состоя­ нии взаимодвижения, нельзя в этом беспокойном клубке кинематических взаимодействий выделить ни одной си­ стемы, которую можно было бы рассматривать в качестве а б с о л ю т н о п р и в и л е г и р о в а н н о й системы от­ счета. Понятие одновременности в классической физике признавалось абсолютно однозначным для всей Вселен­ ной по двум причинам: во-первых, благодаря признанию

73

абсолютного покоя как единой привилегированной систе­ мы отсчета (в форме пустого пространства или запол­ нявшего все пространство мирового эфира), во-вторых, благодаря признанию принципа дальнодействия (распро­ странения взаимодействия с бесконечной, мгновенной скоростью). Благодаря последнему предполагалось воз­ можным давать единое, мгновенное сечение всех событий бесконечного Мира.

В т е о р и и о т н о с и т е л ь н о с т и , " исключавшей

с т о я н и я д в и ж е н и я о д н и х с и с т е м в о т н о ­ ше н и и к д р у г и м .

Итак, суждение «в одно и то же время» оказалось столь же относительным, как и суждение «в одном и том же месте». Последнее понять просто, оно осязаемо и наглядно, первое понять очень трудно, потому что в обыденной жизни ничего подобного мы заметить не мо­ жем. Очевидно, например, что встреча двух приятелей в одном и том же месте вагона-ресторана движущегося поезда, за одним и тем же обеденным столиком еще не означает одного и того же места на Земле. Одно и то же место на Земле не означает одного и того же места в Солнечной системе и т. д. Теперь получалось, что одно и то же время двух или многих событий в системе, дви­ жущейся с большой скоростью (в поезде Эйнштейна, например), не означает одного и того же времени этих событий в других системах, связанных с первой различ­ ными скоростями движения. Не наглядно, не очевидно, сложно, но совершенно необходимо для правильного по­ нимания Мира.

Недалеко ушло то время, когда люди вкладывали абсолютно однозначное содержание в понятия «верх» и

74

«низ» благодаря тому, что средства сообщения были весьма примитивны, скорость передвижения мизерной. Земля поэтому представлялась плоской. За убеждения в шарообразности Земли, которые служили основанием представлений об относительности «верха» и «низа», людей подвергали страшным гонениям, как посланников дьявола. На стороне церковников против подобных «ере­ тических» представлений был ограниченный опыт чело­ вечества, не дававший большинству людей возможности представить, каким же образом с обратной стороны ша­ рообразной Земли люди могут ходить «верх» ногами и «вниз» головой. Теперь нам кажется это смешным, а представление об относительности понятий «верх» и «низ» само собою разумеющимся. В отношении понятия

которые в свое время абсолютизировали понятие верха и низа.

Отказываться от абсолютизации фундаментальных понятий особенно трудно потому, что содержание их за­ креплялось длительной, исторически ограниченной прак­ тикой человечества. Современный уровень научной и технической революции выдвигает все больше новых тео­ ретических и практических проблем. Для их решения при­ ходится все чаще и чаще преобразовывать одни, отвер­ гать другие и выдвигать третьи понятия, адекватно и все более точно отражающие новые горизонты и новые глубины объективной действительности, которыми чело­

с неба в готовом виде. Оно всегда есть не только резуль­ тат новых экспериментов и новых идей, но и следствие п р е е м с т в е н н о с т и в развитии идей, результат преобразования исторического в логическое.

75

Вернемся, однако, к конкретным расчетам парамет­ ров движения поезда Эйнштейна. В них придется внести необходимые поправки, которые, правда, не изменят об­ щих выводов об относительности одновременности собы­ тий, происходящих в движущихся относительно друг друга системах, но станут более точными. В нашем при­ мере мы рассуждали до сих пор так, будто распростра­ нение света, несмотря на свое постоянство внутри инер­ циальной системы, вместе с тем подчиняется обычному классическому закону сложения скоростей, как только рассматривается относительное движение двух, по край­ ней мере, систем. Именно поэтому луч света от лампочки задней двери в отношении платформы у нас смог дви­ гаться со скоростью 540 000 км!сек. Эти расчеты, однако, противоречат одному из постулатов теории относитель­ ности— универсальному, предельному характеру скоро­

п р о б л е м а . На разрешении ее построены о б щ е т е о ­ р е т и ч е с к и е в ы в о д ы и р а с ч е т ы с п е ц и а л ь ­ ной т е о р и и о т н о с и т е л ь н о с т и 1.

До Эйнштейна задачу, связанную с отрицательным результатом опыта Майкельсона — Морли, пытались ре­ шать многие ученые. Они, однако, стремились при этом спасти теорию эфира и все связанные с нею представле­

1 «Специальной» потому, что она специально рассматривает пространственно-временные отношения инерциально движущихся систем, не касаясь систем, движущихся с ускорением, вращением и т. д. Последние рассматриваются в общей теории относительности. Специальную теорию относительности называют также частной.

76

ния классической физики в неизменном виде. Их гипо­ тезы сводились к тому, чтобы отсутствие «эфирного ветра» в экспериментах и «нарушение» светом классиче­ ского принципа сложения скоростей истолковать как кажущиеся явления, в основе которых лежат какие-то другие, реальные причины. Так, например, ирландский физик Фитцджеральд выдвинул предположение, что при движении сквозь эфир все-таки возникает «эфирный ве­ тер», он как бы давит на движущийся предмет и тем самым сокращает, сжимает его в направлении движения

в строго определенной пропорции 1 — — Фор-

мула сокращения размеров тела в направлении его дви-

жения будет иметь вид 1= 1 о ^ ~ 1------- , где V — скорость

С2

движущегося тела, а с — скорость света, I — длина дви­ жущегося тела, /о — его «истинная» длина в состоянии покоя. В сравнении с-«истинными» размерами в покоя­ щемся состоянии в указанной пропорции сокращаются все тела в направлении движения. При скоростях, очень малых в сравнении со скоростью света, эффект сокра­ щения тел пренебрежимо мал.

Независимо от Фитцджеральда к подобному же объ­ яснению .пришел крупнейший голландский физик Лоренц. Гипотеза получила название теории сокращения Фитц­ джеральда— Лоренца. Она следующим образом объяс­ няла отрицательный результат поисков абсолютной скорости движения Земли в опытах Майкельсона — Морли. Так как в направлении движения Земли все тела со-

кращаются как I, , то луч света, проходивший С2

в таком направлении, должен был бы преодолевать более короткое расстояние до зеркала-экрана 52 и обратно в

77

сравнении с лучом, который проходил в поперечном на­ правлении к зеркалу и обратно (см. рис. 3 на стр. 62). Хотя «эфирный ветер» и оказывал бы в целом «тор­ мозящее» действие на движение пучка света в продоль­ ном, в отношении движения Земли к эфиру, направлении, соответственно сократившиеся в этом же направлении размеры плеча, т. е. более короткий путь луча, позволили бы полностью выровнять окончательный результат дви­ жения лучей как в продольном, так и в поперечном на­ правлениях. Благодаря этому скорость света, с точки

отсутствующим, а интерференционная картина остава­ лась неизменной. Предполагалось, что такому сокраще­ нию подвержены все тела, поэтому не предвиделось ни­ какого способа его обнаружить. На движущейся Земле все приборы, т. е. все «линейки», при помощи которых мы попытались бы обнаружить сокращение, сами бы сокращались, а масштабы отношений измерительных приборов и измеряемых объектов оставались неизмен­ ными '. Однако если остановиться на преобразовании лишь пространственных параметров тела, движущегося со скоростью, сравнимой со скоростью света, его сокра­ щение в принципе можно заметить, как и сокращение всех тел на Земле в направлении ее движения, если су­ меть расположиться вне Земли, на отдаленном космиче­ ском теле, движущемся в отношении Земли с околосветовой скоростью. При этом не только Земля, но и все1

1 Довольно удачно и наглядно предполагаемые эффекты пока­ заны в 20-минутном фильме по теории относительности, выпущенном в 1964 году Московской студией научно-популярных фильмов. В учебных занятиях по философии этот фильм может быть исполь­ зован при изучении темы «Материя и ее формы существования».

78

атомы вместо «шарообразных» стали бы «эллипсообраз­

ными».

Во времена Лоренца практически о таких экспери­ ментах нечего было и думать. Однако даже и в том случае, если бы они в конце концов были выполнены, Лоренц не надеялся на положительные результаты экс­ периментов. Он считал, что опыты, подобные опытам Майкельсона — Морли, в принципе никогда не смогут зафиксировать реальное сокращение тел, в какую бы точку мирового пространства для проведения опытов мы ни переместились. К гипотезе сокращения размеров тел Лоренц сделал очень важное дополнение. Он ввел п р е ­ о б р а з о в а н и е параметров кажущегося течения вре­ мени в движущихся системах. С его точки зрения, ход часов, точнее любой ритм вменений в движущихся си­ стемах, под действием эфира (его «давления» или «вет­ ра»), аналогично сокращению размеров тел, замедлялся бы в отношении «истинного» мирового потока времени как раз в такой пропорции, что измеряемая скорость всегда оказывалась бы равной 300 000 км/сек. На самом же деле, считал Лоренц, скорость света в движущихся материальных системах может становиться и большей, чем 300 000 км/сек, но ритм изменений, в том числе и «тиканье» часов, при помощи которых она измеряется, становятся замедленными ровно настолько, что скорость света всегда кажется неизменно постоянной, предельной.

Из новой теории Лоренца тем самым вытекала прин­ ципиальная невозможность экспериментального обнару­ жения абсолютной скорости материальных систем, при сравнении их движения с распространением света. На самом же деле скорость света, как представлял Лоренц, не является предельной универсальной постоянной вели­ чиной. Таковой она лишь кажется. Многим физикам, од­ нако, такая аргументация казалась странной. Говоря

79

словами Эйнштейна, получалось, что бог играет с нами в кости, а природа будто бы специально скрывает свои истинные законы движения за кажущейся предельной скоростью света. По Лоренцу, она должна была скры­ вать их только затем, чтобы сохранить верность основам классической механики и физики. Все это, однако, не помешало Лоренцу дать точное математическое описание экспериментально установленным новым феноменологи­ ческим эффектам. Он разработал такие преобразования координат и времени, в которых наиболее последова­ тельно выражался как принцип относительности, так и постоянный, кажущийся предельным характер скорости света. Когда математическая модель явления создана, она становится достоянием науки и начинает как бы жить самостоятельной жизнью. Интерпретировать ее воз­ можно по-разному, иногда прямо противоположно авто­ ру математической модели. Так случилось с преобразо­ ваниями Лоренца. Приведем их и посмотрим, как они выглядят в сравнении с преобразованиями Галилея. Бе­ рем пример с теми же скользящими осями координат х и х'. Вот они:

У Х

стью не отрицают галилеевых, они включают в себя клас­ сические преобразования как предельный случай, когда скорость движения одной системы относительно другой очень мала в сравнении со скоростью света.

80