Страницы истории науки и техники
Шрифт:
Судьба эфира, к которому мы теперь возвращаемся, была окончательно решена опытом известного американского физика, почетного члена АН СССР Альберта Абрахама Майкельсона (1852–1931), показавшего независимость скорости света от движения Земли (в 1881 г.) и таким путем доказавшего постоянство скорости света во всех инерциальных системах координат.
Для того чтобы лучше разобраться в этом совсем не простом вопросе рассмотрим следующий мысленный опыт. Представим себе, что в пространстве, заполненном эфиром, выделен замкнутый объем, также заполненный эфиром. Что произойдет, когда замкнутый объем начнет двигаться? Если бы он был заполнен не эфиром, а воздухом, то все произошло бы, как в том трюме корабля, о котором говорил Галилей, — при равномерном и прямолинейном движении замкнутого объема все происходило бы так же, как будто
Но в рассматриваемом нами мысленном опыте мы имеем дело не с воздухом, а с эфиром, и мы не можем заранее сказать, увлечет ли с собой начавший двигаться замкнутый объем заполняющий его эфир или же замкнутый объем не увлечет с собой заполняющий его эфир, а будет проходить через него, как решето через воду. Поэтому мы должны рассмотреть по крайней мере два предельных случая: замкнутый объем захватывает с собой эфир и, наоборот, замкнутый объем не захватывает с собой эфир, а свободно через него проходит.
Рассмотрим сначала первый случай: замкнутый объем захватывает с собой заполняющий его эфир. Тогда для наблюдателя А, находящегося в замкнутом объеме и движущегося вместе с ним, свет, возникающий от источника, также движущегося вместе с замкнутым объемом, будет казаться распространяющимся с равной скоростью во все стороны. Для наблюдателя же В, находящегося вне движущегося замкнутого объема, будет представляться, что свет имел бы большую скорость, если бы источник приближался к нему, и меньшую, если бы источник отдалялся от него. Но такой вывод противоречит опыту Майкельсона, согласно которому скорость света в вакууме (в эфире) неизменна во всех инерциальных системах отсчета.
Рассмотрим теперь второй случай: замкнутый объем не захватывает с собой заполняющий его эфир, существует «эфирное море», в которое погружено все существующее. Допустим также простоты ради, что источник света остается, как и внешний наблюдатель В, неподвижным в отношении эфирного моря. В этом случае внешнему наблюдателю В будет казаться, что свет распространяется во все стороны с равной скоростью. Наблюдателю же А, движущемуся внутри замкнутого объема и вместе с ним, будет представляться, что свет достигал бы его быстрее в случае, когда замкнутый объем движется в сторону источника, и, наоборот, медленнее, если движение замкнутого объема происходит от источника. Как видим, снова возникает противоречие с опытом Майкельсона.
Какой же из всего сказанного следует вывод? Как поступить с понятием эфира? Можно ли рассматривать свет как волны эфира?
Ответ на эти вопросы позаимствуем у Эйнштейна и Инфельда: «Так возникло одно из наиболее драматических положений в истории науки. Все предположения относительно поведения эфира ни к чему не приводили! Приговор эксперимента всегда был отрицательным. Оглядываясь на развитие физики, мы видим, что вскоре после своего рождения эфир стал «выродком» в семье физических субстанций. Во-первых, построение простой механической модели эфира оказалось невозможным и было отброшено. Этим в значительной степени был вызван крах механистической точки зрения. Во-вторых, мы должны были потерять надежду на то, что благодаря существованию эфирного моря будет выделена одна система координат, что позволило бы нам опознать не только относительное, но и абсолютное движение. Это было бы единственным, если не считать переносы волн, способом наблюдения и подтверждения существования эфира. Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни своего абсолютного движения. От всех свойств эфира не осталось ничего, кроме того свойства, из-за которого его и придумали, а именно кроме способности передавать электромагнитные волны. Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем. Мы будем говорить: наше пространство обладает физическим свойством передавать волны — и тем самым совсем избежим употребления слова, от которого решили отказаться» [309] .
309
Эйнштейн Л., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 145.
Эйнштейн
Теория относительности
Исключение понятия эфира из физики было оправданно, но отнюдь не решило возникших в науке проблем. Было установлено:
1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна и, как это ни странно кажется на первый взгляд, независима от движения источника света или приемника света. Это положение доказано опытом Майкельсона;
2) если две системы координат движутся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, т. е., говоря языком классической механики, системы являются инерциальными, то все законы природы будут для них одинаковыми. Это положение следует из принципа относительности Галилея. При этом сколько бы ни было таких систем (две или гораздо большее число), отсутствует возможность определить, в которой из них скорость может рассматриваться как абсолютная;
3) в соответствии с классической механикой скорости инерциальных систем могут преобразовываться одна относительно другой, т. е., зная скорость тела (материальной точки) в одной инерциальной системе, можно определить скорость этого тела в другой инерциальной системе, причем значения скоростей данного тела в различных инерциальных системах координат получатся различными.
Очевидно, что положение третье противоречит положению первому, согласно которому, повторяем, свет имеет постоянную скорость независимо от движения источника или приемника света, т. е. независимо от того, в каких инерциальных системах координат ведется отсчет.
Это противоречие было разрешено с помощью теории относительности — физической теории, основные закономерности которой были установлены А. Эйнштейном в 1905 г. (частная, или специальная, теория относительности) и в 1916 г. (общая теория относительности).
Великий ученый-физик Альберт Эйнштейн (1879–1955) родился в Германии (г. Ульм). С 14 лет вместе с семьей жил в Швейцарии. Учился в Цюрихском полги техническом институте и, закончив его в 1900 г., преподавал в школах городов Шафхаузена и Винтертура. В 1902 г. ему удалось получить место эксперта в федеральном патентном бюро в Берне, более устраивавшее его с материальной точки зрения. Годы работы в бюро (с 1902 по 1909) были для Эйнштейна годами очень плодотворной научной деятельности. За ото время он создал специальную теорию относительности, дал математическую теорию броуновского движения, остававшегося, кстати говоря, необъясненным в течение около 80 лет, установил квантовую концепцию света, им были выполнены исследования по статистической физике и ряд других работ.
Только в 1909 г. огромные уже к тому времени научные достижения Эйнштейна стали широко известными, были оценены (далеко еще не в полной мере) и он был избран профессором Цюрихского университета, а в 1911 г, — Немецкого университета в Праге. В 1912 г. Эйнштейн был избран заведующим кафедрой цюрихского Политехнического института и возвратился в Цюрих. В 1913 г. Эйнштейна избрали членом Прусской академии наук, он переехал в Берлин, где жил до 1933 г., являясь в эти годы директором Физического института и профессором Берлинского университета. В этот период времени он создал общую теорию относительности (скорее, завершил, так как работать над ней начал в 1907 г.), развил квантовую теорию света и выполнил ряд других исследований. В 1921 г. за работы в области теоретической физики, и в частности за открытие законов фотоэффекта (явление, заключающееся в освобождении электронов твердого тела или жидкости в результате действия электромагнитного излучения), Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.
Теория относительности — главное достижение Эйнштейна — получила признание далеко не сразу. Можно считать, что специальная теория относительности, основы которой, как уже сказано, были созданы Эйнштейном в 1905 г., получила всеобщее признание только в начале 20-х годов. Но и после этого было немало людей, в том числе и физиков, являвшихся ее активными противниками. Более того, даже в настоящее время совсем не редкость услышать против нее возражения. Правда, теперь в большинстве случаев это относится к людям, недостаточно знакомым с физикой. Вероятно, это объясняется тем, что основные положения теории относительности, как это будет видно из дальнейшего, очень необычны и не так уж легки для восприятия.