Итак, Майкельсон начал серию своих измерений… Опыты повторялись много раз в различное время суток и года и всегда давали четкий отрицательный результат. Движение эфира зафиксировать не удавалось, и скорость света была абсолютно одинакова во всех направлениях! Какой же вывод можно было сделать из такого решительно не удавшегося эксперимента?
Можно было, конечно, вернуться к средневековой картине мира в геоцентрической системе отсчета с абсолютно неподвижной Землей, вокруг которой вращалась бы вся остальная Вселенная. Но со времен Коперника ученые уже получили много экспериментальных доказательств движения Земли. Да и кто же в конце «просвещенного» века пара и электричества мог согласиться с абсурдной картиной обращения гигантского светила, в 1 300 000 раз большего Земли, вокруг нашей планеты? Ну а звезды, чудовищные по размерам и массе и отстоящие от нас на расстояния, измеряемые уже даже не привычными километрами, а космическими световыми годами, проходимыми светом с невообразимой скоростью в 300 000 км/с? Какие совершенно невообразимые скорости должны иметь звездные маяки Вселенной, отстоящие на миллионы световых лет, чтобы успеть за сутки обернуться вокруг космической пылинки под названием Земля?!
Вот поэтому ученые и начали искать другие пути спасения чудесного эфира. Первым предложил свою гипотезу ирландский физик Джордж Френсис Фицджеральд (1851–1901). Он объяснил отрицательный результат эксперимента Майкельсона тем, что под воздействием встречного давления эфира все размеры окружающих предметов и, конечно же, измерительных приборов сокращаются в направлении движения нашей планеты по орбите. Вспомним, что время прохождения участка пути равно этому же пути, деленному на скорость:
Время = путь / скорость.
Следовательно, если уменьшение скорости волны света под влиянием течения эфира будет в точности соответствовать уменьшению пути вследствие его сокращения под эфирным давлением, то время прохождения этого пути будет всегда постоянным — хоть с эфирным ветром, хоть без него. В этот же период появились работы видного голландского физика-теоретика Хендрика Антона Лоренца (1853–1928). Он несколько позже, но независимо от Фицджеральда, пришел к гипотезе о сокращении размеров тел. Лоренц считал, что при этом сокращаются размеры орбит электронов — элементарных частиц, которые облачками окутывают атомное ядро. Впоследствии это сокращение получило название «сокращения Фицджеральда — Лоренца».
Кроме замедления времени на космических аппаратах, которое много десятилетий назад зафиксировали особо точные атомные хронометры, существует еще несколько доказательств правоты гениального физика. Наиболее популярны два, связанные с уже известными нам ускорителями микрочастиц — синхрофазотронами и… космической погодой.
Дело в том, что миг жизни многих микрочастиц очень краток. Особенно часто встречаются короткоживущие осколки частиц после их столкновения в мощных ускорителях. И если бы не их очень высокая скорость, то ученые не скоро бы узнали об их существовании. Теория относительности «продлила» их жизнь и сделала доступными для научных исследований. То же самое касается и космических ливней микрочастиц, определяющих «погоду» в безвоздушном пространстве. После того как в верхних слоях атмосферы побывали геофизические ракеты, исследующие верхние слои атмосферы Земли, ученые поняли, что нашу планету непрерывно омывают космические ливни микрочастиц. Космос заполнен очень странными и необычными небесными телами — звездами, туманностями, может быть, даже таинственными провалами черных дыр, и многие из них выбрасывают потоки микрочастиц. Самые сильные космические «дожди», конечно же, образует «солнечный ветер», испускаемый нашим светилом. Когда на Солнце бушуют вспышки и появляется череда солнечных пятен, порывы солнечного ветра способны вызвать на Земле магнитные бури. В это время нарушается радиосвязь, ухудшается состояние метеочувствительных людей, а в высоких южных и северных широтах начинают пылать фантастические фейерверки полярных сияний.
В горах Кавказа, Альпах и Кордильерах расположен ряд высокогорных лабораторий, исследующих «капли» космических ливней, достигающих земной поверхности. Там, в заоблачных высях, физики заметили множество микроскопических космических гостей. И среди них были частицы, которые попали в измерительные приборы только благодаря релятивистскому замедлению собственного времени жизни.
Какие еще после этого нужны убедительные доказательства правоты теории относительности?
Теперь вернемся к другому основополагающему камню в фундаменте прекрасного дворца теории относительности. Это разгадка эксперимента Майкельсона — абсолютное постоянство скорости света в вакууме. Почему именно в вакууме и что это такое?
Вакуум — это безвоздушная среда, окружающая Землю и все другие планеты Солнечной системы, летящие по своим орбитам вокруг Солнца. В космосе также есть облака пыли и газа, которые астрономы называют туманностями. Плотность их ничтожна, но это уже «грязный» вакуум. Чистый вакуум можно найти вдалеке от звездных островов — галактик и звездных скоплений, но и там, на километры «пустого» пространства обязательно окажется один-два атома какого-либо вещества. Скорее всего, это будут атомы водорода — самого распространенного газа во Вселенной.
Оказывается, что скорость света абсолютно одна — эталонная — для вакуума (299 792 000 м/с) и немного другая в иных средах. Вот, например, вылетела мельчайшая частичка-волна света — фотон — из далекой звезды и попала в межзвездные облака. При этом скорость ее немного замедлилась. Вышла она в открытый космос — скорость опять стала эталонной. Достигла атмосферы Земли — скорость снова упала. Вошел фотон в стекло линзы телескопа — его движение замедлилось еще больше. Наконец, свет проник в глаз астронома, еще раз изменил в прозрачном зрачке свою скорость, попал на сетчатку и… исчез. Ведь фотоны существуют только в полете со скоростью света! Остановка для них — мгновенная смерть, вернее превращение в энергию других частиц. Если вас заинтересовали эти до сих пор во многом загадочные частицы света, обязательно прочитайте замечательную книгу академика С. И. Вавилова «Глаз и Солнце» [4].
Конечно, сразу же принять на веру один из главных релятивистских постулатов («постулат» от лат. postulare — «требование», «утверждение, принимаемое без доказательств») о постоянстве скорости света трудно. Для этого надо решительно переступить через повседневный опыт и здравый смысл. Если мы сравнительно легко понимаем относительность скоростей движения и покоя, то понятие независимости (или, как говорят ученые, инвариантности, то есть отсутствия вариантов) скорости света от движения системы отсчета сразу же вызывает какое-то внутреннее недоверие. Представьте себе путешествие в поезде, когда у ваших окон стоит другой состав. Если электровоз трогается с места очень плавно (это чаще присуще тепловозам), то трудно даже сначала сообразить, что же пришло в движение: соседний состав, перрон в противоположном окне или ваш поезд.
Мы уже привыкли, что при сближении и удалении скорости суммируются, а при движении в одном направлении — вычитаются. И если нам говорят, что фотоны, летящие со скоростью света друг другу навстречу, и сближаются с той же скоростью, то мы испытываем удивление, близкое к шоку. Тем не менее именно так и должно быть по теории относительности. Получается, что скорость света является предельной и ни одна скорость в природе не может быть больше нее. В общем-то, это понятно хотя бы из того, что по формуле Фицджеральда — Лоренца следует, что с увеличением скорости тела сокращается его длина в направлении движения и при достижении скорости света длина любого предмета должна сократиться до нуля. Попросту говоря, предмет исчезнет из нашего мира!
Чтобы достигнуть таких скоростей, звездные корабли будущего должны быть оснащены совершенно особыми двигателями — фотонными приводами. Никто пока не знает, как будет выглядеть первый реальный фотонный двигатель. Скорее всего, это будет гигантский сверхсложный агрегат. Однако принцип его действия очень прост и был предложен еще столетие назад немецким инженером Э. Зенгером. Понять, как будущий фотонный звездолет устремится в глубины Вселенной, совсем не сложно. Для этого только надо взять в руку обыкновенный фонарик с лампочкой и отражателем.
Вот вам и простейшая (действующая!) модель ракеты с фотонным приводом (рис. 26). Фотоны — одни из самых загадочных жителей микромира. Они существуют только в движении со скоростью света и мгновенно исчезают при остановке, передавая свою энергию другим телам. Это напоминает то, как бегуны передают эстафетную палочку и сходят с трассы. Поскольку сами фотоны движутся со скоростью света, то и ракету через определенный промежуток времени они способны разогнать до околосветовых скоростей. Конечно, тут нужен очень мощный источник фотонов, например аннигиляционный взрыв, происходящий при встрече обычного вещества нашего мира и антивещества из антимира. Впрочем, и обыкновенный фонарик может сыграть роль самого настоящего фотонного корабля, но для разгона ему понадобятся миллионы лет.
