Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

Это ведь и доказал опыт Майкельсона.

В самом деле, выкиньте из обсуждения знаменитого эксперимента разговоры об эфире. Что тогда останется? Останется вывод: оптическим опытом не удалось обнаружить движение Земли. Только и всего.

Каково движение Земли? Во время эксперимента Майкельсона планета двигалась прямолинейно и равномерно— крошечное искривление ее орбиты (помните, 3 миллиметра на 30 километров!) не могло заметно повлиять на картину интерференции.

Отсюда заключаем: оптическим экспериментом невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение — причем, разумеется, не только Земли, но и любого другого тела, на котором исполняется эксперимент. Этот вывод и сделал Эйнштейн. И этот вывод стал основой для еще более широкого обобщения, послужившего первым исходным пунктом — первым постулатом теории относительности. Вот он, в чуть упрощенной форме, первый постулат Эйнштейна: никаким физическим экспериментом невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение. Другими словами, движение инерциальной системы отсчета неотличимо от покоя. Оба состояния равноправны. Важнейшее положение! Оно касается самой сути движения.

Обратите внимание на усиление формулировки. Вместо слов «оптическим экспериментом» употреблены слова «никаким физическим экспериментом». Не слишком ли смело? Кто дал право сделать замену?

Наш старый знакомый — Галилео Галилей.

Когда Галилей, вооруженный своей прозорливой дипломатической мудростью, осторожно и тонко воевал за «еретические» идеи Коперника и доказывал, что Земля обращается вокруг Солнца, а не наоборот, он услышал, в числе множества возражений, и такое (очень, кстати, неплохое для XVI века):

— Если бы Земля двигалась, то птицы, летающие в воздухе, не могли бы поспеть за мчащимися вместе с Землей башнями и деревьями! Так-то, дерзкий сеньор!

В ответ Галилео прибег к сравнению. Ему поневоле приходилось быть не только ученым, но и популяризатором — иначе коллеги-богословы ничего бы не поняли.

Короче говоря, Галилео посоветовал спорщикам отправиться в трюм какого-нибудь корабля, запасясь мухами, бабочками, аквариумом с рыбками, а также кусочком ладана и кувшинами с водой. Пока корабль неподвижен, спорщикам предлагалось поэкспериментировать— попрыгать, покидать всевозможные предметы, внимательно понаблюдать за поведением летающих мух, плавающих рыбок, водяных капель, отвесно падающих вниз, дыма от ладана, поднимающегося прямо вверх.

Далее Галилео заявил:

Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения.

Прыжки и броски не станут труднее или легче, мухи и бабочки будут по-прежнему летать во все стороны, капли будут все так же отвесно падать, а дым отвесно же подниматься. Галилео заключил:

Ни по одному из этих явлений вы не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно.

Другими словами и чуть шире: никаким механическим опытом невозможно обнаружить собственное прямолинейное и равномерное движение.

Это утверждение — принцип относительности Галилея. Быть может, логичнее было бы сообщить его читателю пораньше — хотя бы там, где речь шла о падении тел и о ньютоновском законе инерции. Я приберег его до сих пор по единственной причине: уж очень похож принцип относительности Галилея на первый постулат Эйнштейна, о котором вы прочитали на предыдущей странице.

Галилей объявил, что равномерное движение невозможно установить с помощью механики. И, если говорить строго, именно на это утверждение опирался разбиравшийся во второй главе закон инерции.

Эйнштейн добавил совсем немного: даже если бы обитатели «Галилеева ковчега» обзавелись оптическим прибором Майкельсона, они все равно не обнаружили бы собственное равномерное и прямолинейное движение.

Механикой — нельзя, оптикой — нельзя. Конечно, тут не поможет и физика тепла. Учение же об электромагнетизме во времена Эйнштейна срослось с оптикой — после блестящих теоретических исследований Максвелла выявилась электромагнитная природа света (свет оказался электромагнитными волнами).

Вот Эйнштейн и получил право заявить свой первый постулат. Повторяю его в чуть измененной форме: природа устроена так, что никаким физическим экспериментом нельзя отличить покой от равномерного прямолинейного движения. Таков принцип относительности Эйнштейна.

В этом месте я задремал над сочинением этой книжки. И очутился в космической ракете. Невесомость, тишина, никакой тряски — все как полагается в современном «Галилеевом ковчеге». Мне хочется узнать, лечу ли я, и если лечу, то куда, и успею ли при жизни долететь до Земли. Но увы, я понимаю, что никакие опыты и измерения ответа не дадут: действует запрет, наложенный эйнштейновским принципом относительности. Тогда я начинаю размышлять о причинах своего плачевного положения.

Кто виноват в нем? Свет. На предыдущей странице он сам в этом признался. Так как же устроен свет, если он ведет себя столь невежливо?

Предположим на минутку, что свет — это не волны. Тогда, кажется, все встанет на место.

Пусть где-то в пустоте летит снаряд. Он взрывается. Осколки мчатся в разные стороны. Но скорость осколков складывается со скоростью снаряда. Если стать привидением (чтобы самому не взорваться) и до взрыва сесть верхом на снаряд, то после взрыва, продолжая по инерции двигаться так, как двигался исчезнувший снаряд, будешь сохранять его скорость и находиться в центре разлета осколков. Поэтому, измеряя скорость осколков, никогда не узнаешь, с какой скоростью летишь ты сам, то есть с какой скоростью летел снаряд.

Движущийся фонарь — как снаряд. Световая вспышка — как расширяющийся шар летящих «осколков» от какого-то взрыва. Взрыв этот можно отразить зеркалом в любую сторону, собрать линзой в тонкий луч. Но никаким опытом не удастся по измерениям скорости осколков (скорости света) узнать скорость фонаря.

Объяснен как будто главный итог опыта Майкельсона! Правда, остается еще как-то вывернуться — истолковать волновые причуды света, хоть то же явление интерференции. Но это, быть может, мелочи...

Изложенную теорию света сочинил в 1908 году один уважаемый физик, по фамилии Ритц. Называлась она баллистической (по аналогии со взорвавшимся снарядом). И оказалась катастрофически неверной.

Дело вот в чем. Если скорость осколков складывается со скоростью снаряда, а, согласно баллистической теории, роль снаряда играет движущийся фонарь, то скорость света должна складываться со скоростью фонаря. Именно при таком условии не удастся установить оптическим опытом собственное равномерное прямолинейное движение.

Но это утверждение можно проверить опытом или наблюдением, что и было сделано через несколько лет после провозглашения теории Ритца. К тому времени астрономы основательно изучили вращающиеся системы двойных звезд и научились сравнивать скорости света, испускаемого каждой из звезд такой «вальсирующей» пары. Как выяснилось, оба звездных «партнера» — и тот, что, «вальсируя», движется на нас, и тот, что, наоборот, удаляется, — испускают свет, распространяющийся с совершенно одинаковой скоростью. Значит, в противоречии с теорией Ритца, скорость света не зависит от скорости светового источника. Другими словами, световой сигнал нельзя ускорить «броском» фонаря — сигнал будет распространяться все с той же скоростью — 300 000 километров в секунду.

Вкратце повторю сказанное.

Казалось бы, признав первый постулат Эйнштейна, мы обязаны объявить, что скорость света должна складываться со скоростью фонаря. Так же, как скорость «Галилеева ковчега» складывается со скоростью пассажира, идущего по палубе. Или скорость пистолета со скоростью пули. А выходит, что такого сложения скоростей для света в действительности нет. Скорость света не зависит от скорости фонаря!

Тут свет опять повел себя так, будто есть все-таки эфир и световые волны в эфире подобны звуковым волнам в воздухе. Ведь скорость звуковых волн тоже не зависит от движения источника (никто не станет кричать «с разбегу», чтобы ускорить распространение звука).

Но эфира нет. И поэтому распространение света не похоже на распространение звука. Как доказал Майкельсон, световыми волнами невозможно определить собственную «абсолютную» скорость в эфире, в то время как звуковыми волнами можно установить собственную скорость движения в неподвижном воздухе. (Вспомните «ого» и «ау», которыми мы с приятелем перекликались на поезде из порожних платформ.) Вот вам: свет не похож ни на звук, ни на взрыв.

Ни на что он не похож. И поведение его ни на что не похоже. Теперь оно выглядит еще более диким и противоестественным, чем прежде. Свет вроде той дамы, которая «рано утром вечерком поздно на рассвете ехала верхом в расписной карете».