Альберт Эйнштейн
Шрифт:
К величайшему удовлетворению астрономов, все эти рассуждения оказались не имеющими ни малейшего отношения к свету реальных звезд! К удовлетворению потому, что зависимость скорости света от движений небесных тел (если б такая зависимость существовала) неимоверно запутала бы картину неба. Взять хотя бы двойные звезды — тесные пары светил, обращающихся по эллипсам вокруг общего центра. В те моменты, когда скорость одного из сочленов пары направлена в сторону Земли, свет от него должен был бы домчаться до земных телескопов скорее, чем от второй звезды (если она в этот момент движется в обратную сторону). Очертания звездных путей оказались бы до неузнаваемости искажены, двойные светила принялись бы выписывать в поле зрения телескопов сложные узлы и петли. В действительности ничего подобного нет, и движение двойных звезд по отношению к Земле происходит с достаточной точностью по
Механическая картина светового эфира, стало быть, явно отказывалась здесь служить. Но в распоряжении механической физики все же оставался выход.
Скорость звуковых волн, как известно, не всегда должна складываться [7] со скоростью источника звука. Если колокол на движущемся самолете поместить не внутри закрытой кабины, а прикрепить его где-нибудь снаружи («на открытом воздухе»), то звуковые волны будут доходить до поверхности Земли с той же самой скоростью, что и от неподвижного колокола. Почему? Да потому, что воздушная среда, которую изборождают волны, в данном случае не принимает участия в движении самолета. Колокол теперь движется «сам по себе», а звук «сам по себе»— складываться нечему! Переводя все это на язык светового эфира, пришлось бы прийти к такому выводу: эфир, разделяющий звезды и Землю, неподвижен относительно звезд и Земли. Вся вселенная, все материальные тела как бы плавают в эфирном океане, не принимающем участия в движениях тел. Тогда можно было бы понять постоянство скорости света, доходящего от звезд до Земли. Однако тогда нельзя было бы настаивать на соблюдении принципа относительности. В самом деле, если существует такая вещь, как абсолютно неподвижный эфир, тогда движение (относительно него) любого материального тела становится абсолютным движением. Эфир превращается в привилегированную механическую «площадку»! И если так, тогда можно пытаться заметить, например, абсолютное движение земного шара относительно эфира…
Идея, приходившая на ум, состояла, в частности, в следующем. Предположим, как показано на рисунке, что труба телескопа нацелена на звезду 3 (находящуюся — для простоты рассуждения — в зените). Пусть АБ — центральная ось трубы, а С — фронт световых волн, вступивший в верхнее ее отверстие. Если бы Земля и прилегающий к ней эфир двигались как единое целое, тогда световой фронт, попав внутрь трубы, прошел бы путь от А до Б и достиг ее основания. При движении же Земли независимо от эфира в направлении, указанном стрелкой, труба за то время, что свет будет идти от А до Б, сместится на определенный отрезок вправо, и фронт световых волн не сможет достичь основания. Чтобы обойти это препятствие, пришлось бы наклонить трубу на соответственный угол вправо (то есть по ходу движения Земли). Примерно так же поступает человек, бегущий под отвесным дождем с раскрытым над головой зонтиком. Чтобы капли дождя не попадали под зонтик, бегущий должен наклонить зонтик в направлении своего движения. Угол наклона, как нетрудно рассчитать, зависит от отношения скоростей: когда речь идет о Земле и о свете звезд, этот угол получается приблизительно 20,5 дуговой секунды в год. Но как раз такое годовое смещение и было замечено впервые в 1726 году английским астрономом Джеймсом Брадлеем для звезды Гамма в созвездии Дракона!
Находка произошла случайно, когда Брадлей начал измерять точные положения ряда звезд на небосводе. Вскоре оказалось, что совершенно такое же годовое смещение испытывают все без исключения звезды, наблюдаемые на небе. Все они сдвинуты на одну и ту же годовую величину — 20,5 дуговой секунды. Брадлей назвал это явление «аберрацией» (по латыни aberratio значит «уклонение»). Связав аберрацию с идеей неподвижного эфира, приходили к выводу о существовании абсолютного движения Земли относительно эфира. Но как было совместить этот вывод с доказанной неудачей всех прочих опытов, поставленных с целью обнаружить абсолютное движение Земли?
Узел завязывался все туже, и выхода из положения не предвиделось.
4
В 1851 году французский физик Ипполит Физо демонстрировал в Парижской Академии наук экспериментальную установку, которая, по его мнению, могла бы прояснить вопрос о взаимосвязи
Исследователи, размышлявшие над идеей опыта Физо, учитывали возможность двух различных ответов на задачу. Первый вариант: скорость света относительно стенок трубы равна скорости света относительно воды плюс скорость самой воды. Это было бы равносильно тому, что световой эфир «увлекается» водой, и дело обстояло бы приблизительно так, как в разобранном ранее примере со звуком в закрытой кабине самолета: воздух и звук переносятся вместе с самолетом, и скорости (звука относительно самолета и самолета относительно земли) просто складываются. Но даже если бы опыт Физо завершился именно так, оставалась бы неясной небольшая, но существенная деталь: в то время как звуковой колокол предполагается движущимся вместе с самолетом, источник света в опыте Физо находится вне столба воды! И это значит, что, складывая скорости, мы сейчас же пришли бы в противоречие с законом независимости скорости света от состояния движения светильника. В самом деле: складывать скорости (света в воде и самой воды) можно лишь при молчаливом допущении, что быстрота света (относительно воды) одна и та же в движущейся воде, как и в покоящейся. А это означало бы, что по отношению к светильнику свет в потоке воды (уходящем прочь от светильника) движется быстрее, чем в неподвижной воде…
Что ж, раз так, можно было переключиться на второй возможный прогноз исхода опыта.
Второй вариант состоял в том, что обе скорости (в покоящейся и в движущейся воде) равны между собой. Это сразу привело бы к картине неподвижного эфира, и закон независимости скорости света от движения источника оказался бы выполненным автоматически. Хуже обстояло бы дело зато с принципом относительности. Ведь если движение воды никак не сказывается на быстроте распространяющегося в ней света [8], значит от суммы скоростей (света относительно «воды и воды относительно трубы) какая-то доля отнимается. Отнимается, в частности, ровно столько, сколько составляет скорость воды. Скорость света по отношению к воде, стало быть, оказывается уменьшившейся. Но это-то и противоречит принципу относительности, который требует, чтобы ход физических процессов не зависел от перемещения «площадки» (в данном случае — столба воды).
Оба исхода не могли бы, как видим, распутать клубка неувязок, но беда в том, что ничего более удовлетворительного, казалось, нельзя было предложить.
С затаенным дыханием ожидали физики ответа на заданный природе вопрос. Первый прогноз или второй? Ответ не заставил себя долго ждать: ни то и ни другое! Скорость света в движущейся воде фактически оказалась увеличенной (по сравнению со скоростью в покоящейся воде). Но прибавка была на 57 процентов меньше, чем это следовало бы из правила сложения скоростей в условиях «увлекаемого» эфира.
Были сделаны попытки объяснить этот странный результат на основе «второго варианта», то есть представления о неподвижном эфире [9]. Принцип относительности приходилось тут опять принести в жертву, но при желании можно было сослаться на то, что этот принцип все равно нарушен открытием аберрации звездного света…
Эксперимент Физо в итоге всех итогов не облегчил жизни физиков. Подвижен в конце концов или неподвижен эфир? И верно ли, что нельзя заметить «абсолютное движение» Земли даже с помощью опытов с лучами света?!
5
В восьмидесятых годах американский физик Альберт Майкельсон указал еще на одну возможность экспериментального подхода к этому вопросу.
Если, рассуждал Майкельсон, земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный мировой эфир, тот да луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет неизбежно подхвачен и отнесен назад «эфирным ветром», дующим навстречу движению Земли. «Ветер», о котором идет речь, должен возникать исключительно благодаря перемещению Земли относительно эфира. Так, высунув руку из окна вагона на ходу поезда, пассажир всегда ощущает ветер, хотя бы воздух вокруг поезда сам по себе был совершенно спокоен! Дым из трубы паровоза по этой же причине стелется назад, параллельно движению поезда…