Пуанкаре
Шрифт:
Другой путь обобщения теории Максвелла был представлен в работах голландского физика-теоретика Гендрика Антона Лоренца, сыгравшего исключительно важную роль в становлении современных физических представлений. Начиная с 1886 года Лоренц в целом ряде работ обращается к проблеме эфира и электродинамики движущихся тел. Он останавливается на гипотезе неподвижного эфира, не увлекаемого движением весомой материи, что освобождало его теорию от основного затруднения теории Герца в объяснении аберрации света звезд. Кроме того, эта гипотеза приводила к утверждению о том, что скорость распространения света не зависит от движения источника. Но в то время это важнейшее свойство света не было еще подтверждено прямыми наблюдениями. Лоренц пытался согласовать гипотезу о неподвижном эфире с многочисленными неудавшимися попытками обнаружить абсолютное движение Земли в оптических и электромагнитных опытах, и ему это удалось без каких-либо специальных предположений.
Уравнения электродинамики, полученные Лоренцем, оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Принцип относительности Галилея нарушался в предложенной голландским
33
[33] Имеются в виду эффекты, пропорциональные квадрату отношения скорости Земли к скорости света
Решающий эксперимент
Абсолютное движение относительно неподвижного эфира можно было обнаружить только тогда, когда оно совершается с достаточно высокой скоростью. В противном случае улавливаемые эффекты оказывались слишком незначительными. Такую быстро перемещающуюся систему предоставила ученым сама природа. Наша планета вращается вокруг Солнца со средней скоростью около 30 километров в секунду. Еще в 1878 году Максвелл в своей статье «Эфир» обсуждал возможность наблюдения "эфирного ветра", возникающего за счет орбитального движения Земли. Из двух рассмотренных им постановок опыта он счел принципиально осуществимой только одну, и то, по его мнению, далекую от практических возможностей экспериментальной техники.
Проще всего было бы измерить скорость света в одном направлении и сравнить ее со скоростью светового луча, идущего в противоположном направлении. По ходу движения Земли эта скорость должна быть меньше, если действительно существует встречный "эфирный ветер". Но заманчивый в своей простоте опыт принципиально невозможно осуществить. Когда измеряют скорость звука, то момент испускания звукового сигнала отмечают световой вспышкой. Это позволяет наблюдателю на другом конце трассы, проходимой звуковой волной, фиксировать время ее отправления, а время прибытия отсчитывает сам звуковой сигнал. Для подобного же опыта со светом нечем отметить момент отправления светового луча. Ведь скорость распространения соответствующего сигнала должна была бы значительно превосходить световую скорость. Или же она должна быть известна с недостижимо высокой точностью. Поэтому никаким опытом невозможно доказать ни равенство скоростей света в двух прямо противоположных направлениях, [34] ни их различие. Можно лишь попытаться измерить общее время прохождения светом какого-либо расстояния в прямом и обратном направлениях. По-разному ориентируя по отношению к движению Земли этот дважды проходимый световым лучом путь, будем получать различное время прохождения за счет влияния "эфирного ветра". Правда, различие это весьма незначительное, почти в десять тысяч раз меньше, чем в опыте первого типа, что дало Максвеллу основание считать и этот эксперимент практически безнадежным, "Увеличение этого времени вследствие относительной скорости эфира, равной скорости Земли на ее орбите, — писал он, — составило бы всего около одной стомиллионной доли всего времени перехода и было бы, следовательно, незаметно".
34
[34] Об этом порой забывают некоторые авторы, чересчур упрощенно истолковывающие важнейшее положение специальной теории относительности о постоянстве скорости света.
С авторитетным мнением великого английского физика осмелился не согласиться молодой американский исследователь Альберт Майкельсон, взявшийся за постановку этого труднейшего опыта. Конечно, на этот шаг мог решиться только уверенный в себе, целеустремленный исследователь. Но, как пишет биограф Майкельсона, "недостатком уверенности в себе он никогда не страдал". Еще шестнадцатилетним юношей, чтобы получить внеконкурсное место в Морской академии, он добился встречи с президентом Соединенных Штатов и заверил его: "Если я поступлю в академию, Вы сможете мною гордиться". [35] Вскоре после окончания академии Майкельсон и задумал свой смелый эксперимент по обнаружению "эфирного ветра". Для достижения необходимой точности измерения он решил использовать явление интерференции. Фиксируя положение темных и светлых полос на интерференционной картине, возникающей при наложении двух световых пучков, можно уловить ничтожнейшее запаздывание одного луча по отношению к другому. Физо еще в середине XIX века смог таким способом обнаружить изменение скорости света в воде, вызванное ее движением со скоростью, лишь незначительно превышающей две стомиллионные доли скорости света. У американского физика был хороший пример для подражания. Следовало лишь подумать о такой схеме интерференционного опыта, который обнаружил бы влияние движения Земли на процесс распространения света.
35
[35] Правда, судьбу его, так сказать "в нарушение закона", решило не столько сделанное президенту смелое заявление, сколько письмо конгрессмена из штата Невада, в котором президенту была обещана поддержка отца Альберта Майкельсона, крупного коммерсанта.
В 1881
Вернувшись в Америку, Майкельсон не сразу отважился продолжить эксперимент, чтобы получить более достоверные результаты. Надо полагать, что к тому времени он уже понял всю сложность проблемы, которую ему не удалось решить с первого подхода. Для начала он задумал теперь создать прибор, способный заметить такие же ничтожные изменения скорости света, которые были обнаружены в опыте Физо. Своей идеей Майкельсон увлек видного ученого, профессора химии Эдварда Морли, [36] с которым он познакомился после переезда в Кливленд. В связи с плохим самочувствием Майкельсон не принимает участия в разработке измерительного устройства и в постановке опыта. Он покидает Кливленд в сентябре 1885 года, предполагая быть в отъезде целый год. Но через четыре месяца сообщение Морли об успешном запуске интерферометра вызывает его незамедлительное возвращение. Совместно проведя измерение скорости света в движущейся воде, они публикуют в 1886 году свои Результаты, полностью подтверждающие данные опыта Физо. Лишь заново пройдя путь знаменитого французского физика, Майкельсон и Морли приступают к своему основному эксперименту. В середине 1887 года они завершили все намеченные измерения. Обнаруженные ими смещения интерференционных полос носили случайный характер и оказались в 20 раз меньше ожидаемого эффекта. "Эфирный ветер" был отвергнут теперь уже действительно достоверными результатами опыта, отвергнут окончательно и бесповоротно.
36
[36] Химик Э. Морли был уже известен своими многолетними исследованиями, позволившими ему получить наиболее точные (дo пятого знака) относительные веса водорода и кислорода. Эта склонность к постановке и проведению скрупулезных и тонких измерений как нельзя лучше подходила для выполнения сложнейших оптических измерений, задуманных Майкельсоном.
Этот решающий эксперимент дал величайший из всех «отрицательных» результатов в истории науки. Сам Майкельсон расценивал его как доказательство известной гипотезы об увлечении эфира движущейся Землей. Но совокупность имевшихся тогда экспериментальных данных и проведенный вскоре теоретический анализ всей проблемы не позволили согласиться с его выводами. Опыт привел к совершенно противоречивой ситуации в физике того времени, потребовал пересмотра основных ее понятий и представлений.
Глубокий кризис
Намереваясь посвятить себя физике, будущий великий физик-теоретик Макс Планк в 1875 году обратился за советом к декану физического факультета Мюнхенского университета. "Физика — область знания, в которой уже почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли вам имеет смысл поступать на физический факультет" — такую бесперспективную картину нарисовал ему авторитетный профессор.
Меньше всего ожидалось, что это безмятежное состояние завершенности физики как науки может быть нарушено какими-либо сенсационными экспериментами. Возникнув в результате анализа и обобщения первоначальных опытных данных, физика давно уже превратилась в точную математическую науку, значительно опередив технические возможности эксперимента. Экспериментаторам предназначалась как будто бы незавидная роль: непрерывно уточнять свои же результаты, удивляясь безотказности всегда подтверждаемых теоретических предсказаний. В лучшем случае они могли открывать некоторые новые особенности уже известных физических явлений, недостаточно подробно изученных теоретическими методами. Поэтому велико было всеобщее изумление, когда именно со стороны экспериментов последовало первое потрясение основ классической физики.
Теория классической физики оказалась совершенно беспомощной перед опытами, в которых были установлены особенности распространения света в движущихся системах. «Отрицательный» результат опыта Майкельсона — Морли, доказав принципиальную неуловимость, ненаблюдаемость эфира, исключил последние возможности традиционного, согласующегося с законами классической теории объяснения экспериментально установленных свойств света. Эксперимент Брадлея, в котором наблюдалась аберрация звездного света, вызванная движением Земли вокруг Солнца, и эксперимент Физо, в котором устанавливалось частичное суммирование скоростей при распространении света в движущейся воде, совершенно исключали гипотезу полного увлечения эфира движущейся Землей, как будто бы согласующуюся с результатом опыта Майкельсона — Морли. Вся совокупность этих опытов в целом создавала безвыходную ситуацию в физике конца XIX века.