Текст книги "Относительность. Мои искания и стремления"

О «световом эфире» и скорости света

Если бы физику XVIII или первой половины XIX столетия задать вопрос, существуют ли у него какие-нибудь сомнения в этом принципе, то он со всей решительностью ответил бы: нет. У него не было оснований сомневаться в этом принципе, поскольку в те времена царило убеждение, что все происходящее в природе можно объяснить законами классической механики. Теперь я расскажу о том, как опыт заставил физиков выдвинуть физические теории, противоречившие принципу относительности. Для этого нам придется кратко обрисовать с точки зрения принципа относительности развитие оптики и электродинамики в течение последних десятилетий.

Свет, как и звуковые волны, способен к интерференции и дифракции, так что физики склонны были рассматривать свет как волновое движение или вообще как периодически изменяющееся состояние некоей среды. Эту среду назвали эфиром. До самого последнего времени физики были абсолютно уверены в существовании такой среды. Теория, кратко излагаемая в дальнейшем, несовместима с гипотезой эфира; однако сначала мы все же будем придерживаться последней. Посмотрим же, как развивались представления об этой среде и какие проблемы возникли в связи с физической теорией, основанной на гипотезе эфира. Мы уже говорили, что свет можно рассматривать как колебания некоторой среды, т. е. что в этой среде распространяются световые и тепловые колебания. Пока речь шла только об оптических явлениях в покоящихся телах, можно было не интересоваться другими движениями этой среды, кроме тех, которые образуют свет. Предполагалось просто, что эта среда вместо с рассматриваемыми материальными телами находится в состоянии покоя (отвлекаясь от колебательных движений, образующих свет).

Когда же началось изучение оптических явлений в движущихся телах и одновременно связанное с этим рассмотрение электромагнитных свойств движущихся тел, то пришлось поставить вопрос о том, как ведет себя эфир, если тела в рассматриваемой физической системе имеют разные скорости. Увлекается ли световой эфир телами, так что в каждом месте эфир движется таким же образом, как и находящееся там вещество, или же этого нет?

Простейшее предположение состоит в том, что световой эфир движется всюду так же, как и вещество. Второе возможное предположение тоже очень простое, заключается в следующем: эфир вообще не участвует в движении вещества. В середине 1890-х годов Г. А. Лоренцу удалось построить теорию, основанную на предпосылке, что световой эфир абсолютно неподвижен. Его теория совершенно правильно воспроизводит почти все известные явления оптики и электродинамики движущихся сред. Я сразу же отмечу, что невозможно построить основанную на наглядных предпосылках теорию, принципиально отличающуюся от теории Лоренца и вместе с тем приводящую к тем же результатам. Поэтому вплоть до последнего времени приходилось принимать теорию покоящегося светового эфира как единственную теорию, согласующуюся со всей совокупностью опытных данных.

* * *

Рассмотрим теперь эту теорию покоящегося эфира с точки зрения принципа относительности. Если мы условимся называть неускоренными все системы, относительно которых материальные точки, не подверженные действию внешних сил, движутся равномерно, то принцип относительности утверждает: законы природы тождественны во всех неускоренных системах. С другой стороны, основная гипотеза Лоренца о покоящемся световом эфире выделяет из всех неускоренных движущихся систем системы с определенным состоянием движения, а именно те, которые находятся в покое относительно этой светоносной среды. Следовательно, хотя отсюда и нельзя утверждать, что существует абсолютное движение в философском смысле (поскольку это невозможно в принципе, мы можем говорить только об изменениях взаимного расположения тел), однако в физическом смысле абсолютное движение существует, так как мы только что выделили одно состояние движения, а именно: покой относительно эфира. Мы можем называть тело абсолютно покоящимся в том смысле, что оно покоится относительно светоносной среды.

Системы отсчета, покоящиеся относительно эфира, отличаются от всех прочих ускоренных систем. В этом смысле основное представление Лоренца о покоящемся световом эфире противоречит принципу относительности. Это представление приводит к следующему общему рассуждению. Пусть система отсчета А покоится относительно светового эфира. Другая система отсчета А’ пусть движется равномерно и прямолинейно относительно светового эфира.

Следует ожидать, что относительное движение системы А’ по отношению к эфиру оказывает влияние на законы природы, действующие в системе А. Таким образом, следовало бы ожидать, что законы природы в системе А отличаются от законов природы в системе А’ вследствие движения системы А’ в световом эфире.

Далее пришлось бы сказать, что Земля вместе с нашими лабораториями не могла бы в течение всего года оставаться в покое по отношению к этой светоносной среде, т. е. что Земля должна бы играть роль системы отсчета А. Следовательно, необходимо предположить, что можно найти какое-нибудь явление, в котором проявилось бы влияние этого движения на эксперименты в наших лабораториях. Приходилось думать, что наше физическое пространство в том виде, в каком мы имеем его на Земле, вследствие этого относительного движения должно иметь различные свойства в различных направлениях. Однако пока ничего подобного не удавалось обнаружить ни в одном опыте.

Следовало спросить, нельзя ли все-таки согласовать теорию Лоренца с принципом относительности, отклонения от которого не удавалось обнаружить, несмотря на все старания. Прежде чем перейти к этому вопросу, мы извлечем из теории покоящегося эфира Лоренца следующие наиболее существенные для нас сведения. Что означает физически утверждение: существует покоящийся световой эфир? Важнейшее содержание этой гипотезы можно выразить следующим образом: существует система отсчета (называемая в теории Лоренца «системой, покоящейся относительно эфира»), относительно которой каждый световой луч распространяется в пустоте с универсальной скоростью с. Это должно происходить независимо от того, находится тело, излучающее свет, в покое или в движении. Назовем это утверждение принципом постоянства скорости света.

Возникает вопрос: нельзя ли принцип относительности, который выполняется, по-видимому, без исключений, привести в согласие с этим принципом постоянства скорости света?

* * *

Попытаемся разъяснить эти предположения, проникшие в основы нашего физического мышления. Первое и важнейшее произвольное предположение касается понятия времени, и мы попытаемся объяснить, в чем состоит этот произвол. С целью сделать это лучше будем говорить сперва о пространстве, чтобы потом провести аналогию с измерением времени. Когда мы хотим указать положение точки в пространстве, т. е. положение точки относительно некоторой системы координат А, то мы указываем декартовы координаты x, у, z этой точки. Смысл этих координат таков: по известным правилам надо из данной точки опустить перпендикуляры на координатные плоскости и посмотреть, сколько раз можно нанести на эти перпендикуляры данный единичный масштаб. В результате этой операции и получаются значения координат. Таким образом, задание пространственного положения координатами есть результат определенных манипуляций. В соответствии с этим указываемые нами координаты имеют вполне определенный физический смысл; всегда можно проверить, действительно ли некоторая заданная точка имеет указанные координаты.

Как обстоит дело в этом отношении со временем? Здесь мы находимся в положении, не столь блестящем. До сих пор всегда довольствовались высказыванием: время есть независимая переменная бытия. На таком определении никоим образом нельзя основывать измерение момента времени фактически происходящего события. Следовательно, мы должны попытаться определить время так, чтобы на основе нашего определения были возможны измерения времени.

Представим себе в начале координат системы А часы (например, часы с балансиром). С помощью этих часов можно непосредственно отсчитывать время событий, происходящих в этой точке или в ее ближайшей окрестности. Однако время событий, происходящих в какой-либо другой точке системы А, этими часами измерить непосредственно нельзя. Если наблюдатель, находящийся в начале координат системы А, отметит по часам время, когда он получит световой сигнал о происшедшем событии, то это время не будет совпадать со временем самого события, а окажется больше на промежуток времени, необходимый для прохождения светового сигнала от места события до часов наблюдателя.

Если бы мы знали скорость распространения света в системе А для заданного направления, то время события можно было бы определить по названным выше часам; однако измерение скорости света возможно только в том случае, если рассматриваемая нами задача определения времени уже решена. Именно чтобы измерить скорость света в определенном направлении, необходимо измерить расстояние между двумя точками, между которыми распространяется световой сигнал, и затем – время отправления света из одной точки и прибытия света в другую точку. Следовательно, необходимо было бы проводить измерения времени в разных точках, что можно выполнить в том случае, если искомое определение времени уже существует.

Но если скорость, в частности скорость света, принципиально невозможно измерить без произвольных допущений, то мы имеем право делать произвольные предположения и о скорости света. Допустим теперь, что скорость распространения света в пустоте из первой точки во вторую равна скорости прохождения света из второй точки в первую. В силу этого допущения мы действительно можем синхронизовать однотипные часы, покоящиеся в различных точках системы А.

Чего же особо примечательного мы достигли этим способом? Ведь все это выглядит как нечто само собой разумеющееся. Примечательное состоит в том, что для придания вполне определенного смысла показаниям часов это правило относится к системе часов, которая покоится во вполне определенной системе координат А. Мы получили не время вообще, а время, отнесенное к координатной системе А, вернее, к координатной системе А вместе с системой установленных в ней часов, покоящихся относительно А. Конечно, те же самые операции можно выполнить и в том случае, если мы имеем вторую систему координат А’, равномерно движущуюся относительно системы А. Мы можем расположить в пространстве этой системы координат А’ систему часов, но так, чтобы все часы двигались вместе с А’. Тогда эти часы, покоящиеся относительно А’, можно поставить точно по указанному правилу. Если мы это сделаем, то получим также время, отнесенное к системе А’.

Однако нельзя утверждать априори, что если два события одновременны в системе отсчета А – мы подразумеваем под этим систему координат вместе с часами, – то те же события так же должны быть одновременными в системе отсчета А’. То есть нельзя сказать, что время имеет абсолютный – независимый от состояния движения системы отсчета – смысл.

* * *

Теперь рассмотрим кинематику. Если тело в покое имеет форму шара, то при движении в некотором направлении оно принимает форму сплюснутого эллипсоида вращения. Если скорость приближается к скорости света, то тело сплющивается и становится плоским. С точки же зрения наблюдателя, движущегося вместе с телом, оно, как и прежде, сохраняет форму шара, однако все предметы, не движущиеся вместе с этим наблюдателем, точно таким же образом представляются ему укороченными в направлении движения.

Этот результат оказывается не таким уж странным, если учесть, что данное высказывание о размерах движущегося тела имеет весьма сложный смысл, поскольку в соответствии с предыдущим размеры тела можно определить только с помощью измерения времени.

Мнение, что понятие «форма движущегося тела» имеет непосредственно наглядный смысл, возникает потому, что на повседневном опыте мы привыкли иметь дело только с такими движениями, скорости которых можно считать практически бесконечно малыми по сравнению со скоростью света.

Отсюда второе чисто кинематическое следствие теории, которое кажется даже еще более удивительным. Часы, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно системы отсчета А, с точки зрения системы А будут идти медленнее. То есть движущиеся часы идут медленнее, чем такие же часы, покоящиеся относительно системы А. При этом необходимо представлять себе, что скорость хода часов в движущемся состоянии определяется путем постоянного сравнения положения стрелок этих часов с положением стрелок тех покоящихся относительно системы А часов, которые измеряют время системы А и мимо которых проходят рассматриваемые движущиеся часы. Если бы нам удалось сообщить часам скорость света (мы могли бы сообщить им скорость, близкую к скорости света, если бы имели достаточную силу), то стрелки часов с точки зрения системы А двигались бы бесконечно медленно.

Положение становится еще более поразительным, если представить себе следующее. Пусть эти часы приобретут очень большую скорость (почти равную с) и будут равномерно двигаться дальше, а потом, после того как они пройдут большое расстояние, получат импульс в противоположном направлении, так что снова возвратятся в исходный пункт, откуда они начали движение. Тогда окажется, что положение стрелок этих часов в течение всего их путешествия почти не изменилось, тогда как на тождественных часах, оставшихся в состоянии покоя в пункте отправления, положение стрелок за это время изменилось весьма существенно.

Следует добавить, что выводы, которые справедливы для этих часов, взятых нами в качестве простой системы, представляющей все физические процессы, остаются в силе и для замкнутой физической системы с каким-либо другим устройством. Например, если бы мы поместили живой организм в некий футляр и заставили бы всю эту систему совершить такое же движение вперед и обратно, как описанные выше часы, то можно было бы достичь того, что этот организм после возвращения в исходный пункт из своего сколь угодно далекого путешествия изменился бы как угодно мало, в то время как подобные ему организмы, оставленные в пункте отправления в состоянии покоя, давно бы уже уступили место новым поколениям. Для движущегося организма длительное время путешествия будет лишь мгновением, если движение будет происходить со скоростью, близкой к скорости света! Это – неизбежное следствие наших исходных принципов, к которым нас приводит опыт.

* * *

Теперь еще несколько слов о значении теории относительности для физики. Эта теория требует, чтобы математическое выражение закона природы, который справедлив при произвольных скоростях, не изменяло своего вида при переходе с помощью уравнений преобразования к новым пространственно-временным координатам в формулах, выражающих данный закон. Благодаря этому многообразие возможностей существенно сужается. Простым преобразованием удается получить физические законы для движущихся как угодно быстро тел из законов, известных для покоящихся или медленно движущихся тел. При этом оказывается, что уравнения Ньютона несправедливы для материальных точек, движущихся с большой скоростью, и должны быть заменены уравнениями движения несколько более сложной структуры.

Из физически важных следствий теории относительности необходимо упомянуть следующие. Мы уже видели, что, согласно теории относительности, движущиеся часы идут медленнее, чем те же часы в состоянии покоя. Можно считать почти исключенной проверку этого утверждения посредством опыта с карманными часами, так как скорости, которые им можно сообщить, исчезающе малы по сравнению со скоростью света. Однако природа предоставляет нам объекты, вполне обладающие свойствами часов и в то же время движущиеся чрезвычайно быстро. Это – атомы, которые испускают излучение с линейчатым спектром и которым в электрическом поле можно сообщить скорость, равную многим тысячам километров в секунду. В соответствии с теорией относительности следует ожидать, что вследствие движения атомов частоты их колебаний будут изменяться точно таким же образом, как ход движущихся часов.

Человек, никогда не совершавший ошибок, никогда не пробовал ничего нового

Хотя соответствующие эксперименты также сопряжены с серьезными трудностями, мы все-таки не должны терять надежды на то, что в ближайшие десятилетия на этом пути будет получено важное доказательство, подтверждающее либо опровергающее теорию относительности.

Чтобы объяснить непосвященному, в какой мере удалась попытка построить теорию относительности, мы можем рассказать ему следующее. Если кто-нибудь находится в движущемся прямолинейно и равномерно железнодорожном вагоне, окна которого занавешены, то он не сможет определить, в каком направлении и с какой скоростью движется вагон; если отвлечься от неизбежной тряски вагона, то даже невозможно решить, движется ли он вообще. Абстрактно выражаясь, законы механики в системе отсчета (вагон), равномерно движущейся относительно исходной системы отсчета (Земля), имеют такой же вид, как и в исходной системе (Земля); мы называем это утверждение принципом относительности равномерного движения.

Однако обычно склонны добавлять: конечно, совсем другое дело, если железнодорожный вагон движется неравномерно; если вагон изменит свою скорость, то пассажир получит толчок, который заставит его почувствовать ускорение вагона. Абстрактно говоря, принцип относительности неравномерного движения не имеет места. Однако это заключение отнюдь не безупречно; ибо еще не ясно, должны ли пассажиры вагона обязательно связывать с ускорением вагона толчок, который они почувствовали. Следующий пример показывает, что это заключение преждевременно.

Два физика, А и В, очнувшись от сна, обнаружили, что они вместе с приборами находятся в закрытом ящике с непрозрачными стенками. Они не имеют никакого представления о том, где расположен ящик или как он движется. Они констатируют теперь, что тела, помещенные в середину ящика и освобожденные там, все падают в одном и том же направлении – скажем, вниз – с одинаковым общим ускорением у. Что могут заключить отсюда физики? А заключает, что ящик спокойно лежит на небесном теле и что направление вниз является направлением к центру этого небесного тела, если последнее шарообразно. Однако В стоит на точке зрения, что ящик, возможно, под действием приложенной к нему извне силы равномерно ускоренно движется вверх с ускорением у; при этом нет необходимости предполагать близость небесного тела.

Существует ли для обоих физиков критерий, с помощью которого они могли бы решить, кто прав? Мы не знаем такого критерия, но нам также неизвестно, может ли такой критерий существовать. Если же оба физика действительно не могут решить в принципе, какое из этих мнений правильно, то ускорение должно иметь столь же малый абсолютный физический смысл, как и скорость. Одну и ту же систему отсчета с одинаковым правом можно считать ускоренной или неускоренной, но тогда, в соответствии с выбранным утверждением, следует предполагать существование гравитационного поля, определяющего вместе с возможным ускоренным движением системы относительное движение свободно движущихся тел в данной системе отсчета.

То обстоятельство, что в неускоренных системах отсчета тела ведут себя при наличии поля тяжести в точности так же, как если бы система отсчета была ускоренной, принуждает нас к попытке распространить принцип относительности на случай ускоренных систем отсчета.

Сторонник обычной современной теории относительности с известным правом называет «кажущейся» скорость материальной точки. Именно: он может выбрать систему отсчета так, что материальная точка имеет в рассматриваемый момент скорость, равную нулю. Если же существует система материальных точек, которые обладают разными скоростями, то он уже не может ввести такую систему отсчета, чтобы скорости всех материальных точек относительно этой системы обращались в нуль. Аналогичным образом физик, стоящий на нашей точке зрения, может называть «кажущимся» гравитационное поле, поскольку соответствующим выбором ускорения системы отсчета он может достичь того, чтобы в определенной точке пространства-времени гравитационное поле обращалось в нуль.

Однако примечательно, что обращение в нуль гравитационного поля посредством преобразования в общем случае не может быть достигнуто для протяженных гравитационных полей. Например, гравитационное поле Земли нельзя сделать равным нулю посредством выбора подходящей системы отсчета.