В 80-х годах прошлого века этой проблемой заинтересовался уже знакомый нам американский физик А. Майкельсон. Он сконструировал совершенный инструмент (его называют «интерферометр Майкельсона»), который, по всем расчетам, должен был решить задачу.
Но как измерить скорость Земли относительно эфира? Ведь набегающий на Землю «эфирный ветер», в противоположность обычному ветру в атмосфере, свободно проходит сквозь тела, не оказывая на них ни малейшего давления. Определение ожидаемого перемещения Земли относительно эфира можно проделать следующим образом.
Будем в «лаборатории», которая движется вместе с Землей сквозь эфир, посылать световые сигналы вдоль направления движения с тем, чтобы они, отразившись от зеркала, возвращались к источнику света. Назовем их сигналами — А. Другие сигналы — Б — будем посылать поперек движения Земли. Сигналы Б, отразившись от другого зеркала, находящегося от источника на таком же расстоянии, как и первое, вновь возвращаются к источнику. Если Земля покоится в эфире, то, очевидно, сигналы А и сигналы Б затратят одинаковое время на путешествие. Если же Земля движется, то, как легко посчитать время будет несколько разным. Сигналы Б затратят немного меньше времени для путешествия. Зная размеры прибора и время запаздывания, нетрудно вычислить скорость «эфирного ветра», набегающего на Землю из-за ее движения.
В приборе А. Майкельсона путь, проходимый световыми сигналами, был около 22 метров. Если считать, что скорость «эфирного ветра» такая же, как скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, то время запаздывания сигналов А, по расчетам, должно было быть всего около трех десятитысячных миллионной миллионной доли секунды (три делить на единицу с шестнадцатью нулями).
Прибор был настолько совершенен, что позволял намерить запаздывание еще в сто раз меньшее!
Разумеется, Земля движется в эфире не только по околосолнечной орбите, но и перемещается вместе с Солнцем, со всей Солнечной системой. Поэтому направление «эфирного ветра» заранее неизвестно. Но экспериментаторы предусмотрели и это. Они заставляли свой прибор, плавающий в бассейне со ртутью, медленно поворачиваться, меняя ориентацию. Наконец, не исключена была возможность, что орбитальное движение Земли в момент измерения случайно скомпенсируется перемещением Солнца в противоположном направлении. Для исключения этого совпадения опыты повторялись каждые три месяца, когда направление орбитального движения Земли изменялось.
В 1887 году А. Майкельсон и Е. Морли опубликовали результаты серии своих точнейших измерений с этим прибором. Никакого эфирного ветра обнаружено не было. В это время А. Майкельсон писал знаменитому английскому физику Дж. Рэдею: «Эксперименты по обнаружению относительного движения Земли и эфира завершились и результат решительно отрицательный».
Полученный итог озадачил всех. А Майкельсон был явно разочарован. Многие пытались найти какие-либо дефекты в его опытах или дать иные формулировки теории мирового эфира; пытались поставить другие опыты по обнаружению эфирного ветра, в том числе и опыты в горах, где, как полагали некоторые, действие эфирного ветра должно быть заметнее. Но все было тщетно. Любые эксперименты давали отрицательный результат. Большое разочарование А. Майкельсона обернулось самым значительным триумфом его жизни. Отрицательный результат означал, что эфир никак не проявляет себя не только во влиянии на движение небесных тел, что было ясно и раньше, но и во всех опытах со светом. Значит, он является надуманной фикцией!
Но опыты Майкельсона — Морли означали не только сокрушительный удар по теории эфира. Их значение гораздо большее. По существу, в этих опытах было показано, что движение Земли никак не влияет на скорость света: она всегда остается неизменной. И полученный вывод уже не зависел от природы света.
И все же, что такое свет, если он не является колебаниями какой-то мировой среды, какого-то «эфира»?
К концу прошлого века физики уже были готовы к ответу на этот вопрос. Работами М. Фарадея, Дж. Максвелла, Г. Герца было доказано, что свет — это колебания электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн, не нуждаясь в каких-либо средах, любых эфиров. И стало ясно, что нашему «эфиру» в природе ничто не соответствует.
Итак, свет как электромагнитные волны распространяется в пространстве без всякого эфира.
Но опыты Майкельсона — Морли и многочисленные другие показали удивительные свойства света. Оказалось, что, движется ли наблюдатель навстречу световому лучу или убегает в противоположном направлении, скорость луча относительно него не меняется! (Заметим, что уже в наше время использование лазеров позволило установить с точностью до 0,03 миллиметра в секунду, что скорость света не зависит от скорости источников.) Это было тогда совершенно необъяснимо. Ведь ясно же, что если по дороге идет автомобиль со скоростью 60 км/ч, и я, как наблюдатель, еду на другом автомобиле ему навстречу с той же скоростью, то по отношению ко мне первый автомобиль приближается со скоростью 120 км/ч. Это действительно так. В данном примере скорости просто складываются. Но вот если один автомобиль заменить световым сигналом, то ответ будет другим! Скорость сближения со световым сигналом не меняется при изменении движения наблюдателя.
Уже в середине нашего века известный польский физик Л. Инфельд писал: «Знаменитый эксперимент Майкельсона — Морли… доказал окончательно, что нет разных скоростей света! Они одинаковы во всех направлениях, и их значение есть с, скорость света, которая весьма странным образом остается сама собой, всегда постоянной, всегда неизменной.
Для механиста результат катастрофический».
Да, это был сокрушительный удар по старым представлениям. Как оказалось позже (и мы об этом будем говорить в последующих главах), опыты А. Майкельсона продемонстрировали, по существу, неизбежность того, что свойства пространства и времени меняются при движении с очень большими скоростями.
Это открытие, означавшее научную революцию в естествознании, было сделано в 1905 году А. Эйнштейном.
БЕГ ВРЕМЕНИ МОЖНО ЗАМЕДЛИТЬ!
Здесь мы начинаем рассказ о великих достижениях науки, относящихся к нашему, XX веку. Пожалуй, удивительнейшее открытие было сделано в самом начале его А. Эйнштейном, создавшим так называемую теорию относительности. Он показал, что никакого «абсолютного времени», никакой единой неизменной реки времени, совершенно одинаково несущей в себе все события Вселенной, не существует.
«Величайшим открытием Эйнштейна, составившим не только краеугольный камень теории относительности, но и поворотный пункт в общем физическом и философском понимании проблемы пространства и времени, было открытие того, что абсолютного времени в действительности нет», — писал академик А, Александров.
Время, очевидно, проявляет себя как река с неизменной скоростью только в привычных нам условиях сравнительно медленных движений и не очень больших энергий взаимодействий. В других — непривычных — условиях свойства времени иные! Поговорим об этом подробнее.
Открытие относительности времени содержится в созданной А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности. Об А. Эйнштейне написано много книг, наверняка больше, чем о каком-либо другом физике. Этому было несколько причин. Мы приведем здесь мнение известных ученых, лично знавших его, и высказывания самого А. Эйнштейна, которые помогут хоть в малой степени создать образ этого человека и выявить истоки его огромной популярности.
Прежде всего, конечно, он был величайшим исследователем, и открытия его касались самых загадочных свойств времени и пространства. Загадочность всегда влечет к себе тех, кто хочет хоть сколько-нибудь серьезно поразмыслить о мире, о сущности бытия (и кто находит в себе силы уделить время для этого в вечной сутолоке жизни). Советский физик-теоретик академик И. Тамм писал о нем: «Эйнштейн, которого Ленин назвал одним из великих преобразователей естествознания, по праву сопоставляется с Ньютоном. Это сопоставление справедливо, по-моему, не только в том смысле, что Ньютон и Эйнштейн знаменуют собой вершины человеческих достижений в познании природы, вершины, доминирующие над 300-летним периодом развития точных наук и непосредственно перекликающиеся друг с другом на этом громадном расстоянии. Эйнштейна и Ньютона можно, по-моему, сопоставить и в том смысле, что Ньютон заложил основы современного естествознания, а творение Эйнштейна — теория относительности — увенчало собой здание классической физики».
