Удивительные открытия
Шрифт:
В 1881 году физический опыт по обнаружению «эфирного ветра» был поставлен американским физиком прусского происхождения Альбертом Майкельсоном (1852–1931) по идее, высказанной за 12 лет до этого британским физиком Джеймсом Максвеллом (1831–1879). При этом Майкельсон рассуждал следующим образом: если земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный эфир, тогда луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует навстречу движению Земли. Что же касается «эфирного ветра», то он должен возникать только благодаря перемещению Земли относительно эфира.
Первая экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине, все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как единое целое.
Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдварда-Уильямса Морли (1839–1923). Учеными был создан зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер» (или скорость движения Земли относительно эфира).
Результаты всех опытов, проведенных потом еще и в 1887 году, не показали существования какого бы ни было «эфирного ветра». По словам Альберта Эйнштейна, опыты Майкельсона – Морли имели огромное значение для рождения теории относительности, став ее основанием и первым экспериментальным подтверждением.
Однако не все физики были согласны с тем, что эфир не существует и что исходные понятия Ньютона должны быть забыты навсегда. В частности, в 1895 году попытался «спасти» эфир голландский физик Хендрик-Антон Лоренц (1853–1928). Согласно его теории, существовал неподвижный эфир, но скорость света относительно эфира не зависела от скорости его источника. А еще он высказал предположение о том, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение.
А за четыре года до Лоренца подобное же предположение сделал профессор Дублинского университета Джордж-Фрэнсис Фицджеральд (1851–1901), но Лоренц об этом не знал. Оба ученых утверждали, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются (сокращаются, укорачиваются), и величина всех этих сплющиваний такова, что уравновешивает действие «эфирного ветра». Впрочем, как-то доказать свои предположения эти ученые не могли.
Осенью 1904 года знаменитый французский физик, математик и астроном Жюль-Анри Пуанкаре (1854–1912) попытался развить мысли Лоренца, дать им правильную математическую формулировку и оформить в виде более или менее стройной теории.
Надо сказать, что еще в 1898 году, то есть задолго до Эйнштейна, Пуанкаре в своей работе «Измерение времени» коснулся общего принципа относительности, однако он продолжил придерживаться концепции эфира, хотя и высказал предположение о том, что его никогда не удастся обнаружить.
Под влиянием критики Пуанкаре Хендрик-Антон Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории, в котором говорилось о том, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках.
В ответ в июне 1905 года Жюль-Анри Пуанкаре в своей статье «О динамике электрона» достаточно четко сформулировал всеобщий принцип относительности для всех физических явлений. В этом смысле, Пуанкаре намного опередил Лоренца.
К сожалению, Жюль-Анри Пуанкаре не выразил свою теорию «с резкостью» и не рискнул пойти «до конца», продолжая признавать возможность использования эфира как абсолютной системы отсчета. Впрочем, справедливости ради следует отметить, что он не только сделал революционное предположение о том, что пресловутый эфир необнаружим, но в одной из своих лекций даже сформулировал не менее революционный вопрос: «А есть ли он вообще, наш эфир?»
К счастью, «до конца» смог пойти Альберт Эйнштейн (1879–1955), которому удалось вывести физику из тупика и направить ее в совершенно новое русло. В «Курсе истории физики» П. С. Кудрявцева читаем:
«Истинным создателем теории относительности был Эйнштейн, а не Пуанкаре, не Лоренц (…) и не кто-либо другой. Дело в том, что все эти авторы не отрывались от электродинамики и не рассматривали проблему с более широкой точки зрения… Иное дело – подход Эйнштейна к этой проблеме. Он взглянул на нее с принципиально новых позиций, с совершенно революционной точки зрения».
А вот что по этому поводу написал в 1912 году сам Хендрик-Антон Лоренц:
«Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего строго и точно действующего закона».
Эйнштейн не только предложил вовсе отказаться от рассмотрения эфира как излишней для рассуждений сущности, но и перевел принцип относительности из ранга гипотезы в ранг фундаментального закона природы.
Альберт Эйнштейн… Кто не знает имени этого гениального ученого, одного из основателей современной теоретической физики, лауреата Нобелевской премии, почетного доктора двадцати ведущих университетов мира, члена множества академий наук, великого мыслителя и просто гения?
Этот человек родился в семье мелкого коммерсанта, а когда ему исполнился год, его семья перебралась в Мюнхен. Там Альберт начал учиться в гимназии и вскоре в точных науках намного опередил своих сверстников.
В 1896 году Эйнштейн приехал в Швейцарию и стал студентом Цюрихского политехнического института. Там одним из его учителей был превосходный математик Герман Минковский (1864–1909). Кстати сказать, впоследствии именно он придаст специальной теории относительности Эйнштейна законченную математическую форму.
Летом 1900 года Политехникум был закончен, а в следующем году Эйнштейн получил швейцарское гражданство и стал работать техническим экспертом в Швейцарском патентном бюро в Берне.
А в 1905 году в научном журнале «Annalen der Physik», как мы уже говорили, вышли работы Эйнштейна, принесшие ему мировую известность и ставшие поворотным пунктом в истории физики. Фактически с этого момента пространство и время навсегда перестали быть тем, чем были прежде, квант и атом обрели реальность, а масса тела, зависящая от скорости его движения, стала одной из форм энергии.
В статье «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн изложил свою специальную теорию относительности. В ее основе лежали два постулата: первое – в любых инерциальных (то есть движущихся без ускорения) системах все физические процессы протекают одинаково; второе – скорость света в вакууме тоже одинакова и не зависит от движения источника или наблюдателя.
Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых следствия: относительность промежутков времени и относительность расстояний.
Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.Пример . Два удаленных друг от друга человека стреляют из пистолетов. Мы считаем, что эти события происходят одновременно. Теперь предположим, что стрелки находятся на корме и носу длинного парохода, который очень быстро (почти со скоростью света), но равномерно и прямолинейно движется по реке. И есть еще два человека: точно посередине парохода – капитан, а на берегу реки – бакенщик.
К капитану вспышки от выстрелов пришли вместе, и он утверждает, что выстрелы были произведены одновременно. А вот бакенщик не может признать этого. Почему? Да потому, что пока свет вспышек шел к капитану и бакенщику, пароход успел сместиться вперед относительно берега. Поэтому одна из вспышек прошла до бакенщика больший путь. То есть получается, что бакенщик признает выстрелы неодновременными. Для капитана промежуток времени между выстрелами равен нулю. Для бакенщика выстрелы разделены во времени.