Свет распространяется не мгновенно
Мы убедились в наличии принципа относительности движения, в существовании бесчисленного множества «покоящихся» лабораторий. В последних законы движения тел не отличаются друг от друга. Однако существует вид движения, на первый взгляд противоречащий установленному выше принципу. Это — распространение света.
Свет распространяется не мгновенно, хотя и с огромной скоростью — 300 000 километров в секунду!
Такую колоссальную скорость трудно постигнуть, поскольку в повседневной жизни нам приходится встречаться со скоростями, неизмеримо меньшими. Например, даже скорость советской космической ракеты достигает лишь 12 километров в секунду. Из всех тел, с которыми мы имеем дело, наиболее быстро перемещается Земля при своем обращении вокруг Солнца. Но и скорость Земли всего лишь 30 километров в секунду.
Можно ли изменить скорость света?
Сама по себе огромная скорость распространения света не является чем-то особенно удивительным. Поразительно то, что эта скорость отличается строгим постоянством.
Движение любого тела всегда можно искусственно замедлить или ускорить. Даже пули. Поставим на пути мчащейся пули ящик с песком. Пробив ящик, пуля потеряет часть скорости и полетит медленнее.
Совсем иначе обстоит дело со светом. В то время как скорость пули зависит от конструкции ружья и свойств пороха, скорость света одинакова при всех источниках света.
Поставим на пути луча стеклянную пластинку. Во время прохождения пластинки скорость света уменьшится, поскольку в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако, выйдя из пластинки, свет вновь пойдет со скоростью 300 000 километров в секунду!
Распространение света в пустоте, в отличие от всех других движений, обладает тем важнейшим свойством, что его нельзя замедлить или ускорить. Какие бы изменения ни претерпевал луч света в веществе, по выходе в пустоту он распространяется с прежней скоростью.
Свет и звук
В этом отношении распространение света похоже не на движение обычных тел, а на явление распространения звука. Звук есть колебательное движение той среды, в которой он распространяется. Поэтому его скорость определяется свойствами среды, а не свойствами звучащего тела: скорость звука, подобно скорости света, не может быть ни уменьшена, ни увеличена даже посредством пропускания звука через какие-нибудь тела.
Если, например, на пути его распространения поставить перегородку из металла, то, изменив свою скорость внутри этой перегородки, звук обретет первоначальную скорость, как только вновь вернется в первоначальную среду.
Поместим под колпак воздушного насоса электрическую лампочку и электрический звонок, а затем начнем выкачивать воздух. Звук звонка будет ослабляться, пока совсем не перестанет быть слышимым, лампочка же продолжает светить по-прежнему.
Этот опыт прямо показывает, что звук распространяется только в вещественной среде, свет же может распространяться и в пустоте.
В этом существенное между ними различие.
Принцип относительности движения кажется поколебленным
Колоссальная, но все же не бесконечная скорость света в пустоте и привела к конфликту с принципом относительности движения.
Представим себе поезд, движущийся с огромной скоростью — 240 000 километров в секунду. Пусть мы находимся в голове поезда, а в его хвосте зажигается лампочка. Поразмыслим над тем, каковы могут быть результаты измерения времени, необходимого свету, чтобы пройти от одного конца поезда до другого.
Это время, казалось бы, будет отличаться от того, которое мы получим в покоящемся поезде. В самом деле, относительно поезда, движущегося со скоростью 240 000 километров в секунду, свет должен бы иметь скорость (вперед по ходу поезда) всего лишь в 300 000–240 000 = 60 000 километров в секунду. Свет как бы догоняет убегающую от него переднюю стенку головного вагона. Если поместить лампочку в голове поезда и измерять время, необходимое свету, чтобы дойти до последнего вагона, то, казалось бы, скорость света в направлении, противоположном движению поезда, должна составить 240 000 + 300 000 = 540 000 километров в секунду. (Свет и хвостовой вагон идут навстречу друг другу.)
Итак, выходит, что в движущемся поезде свет должен был бы распространяться в разные стороны с различными скоростями, в то время как в поезде неподвижном скорость эта одинакова в обоих направлениях.
Совершенно иначе обстоит дело с пулей. Будем ли мы стрелять по направлению движения поезда или навстречу ему, скорость пули относительно стенок вагона будет всегда одной и той же — равной скорости полета пули в неподвижном поезде.
Дело в том, что скорость пули зависит от скорости, с которой движется ружье. Скорость же света, как мы уже сказали, не изменяется от изменений скорости перемещения лампочки.
Наше рассуждение, казалось бы, ясно показывает, что распространение света находится в резком противоречии с принципом относительности движения. В то время как пуля и в покоящемся и в движущемся поезде летит относительно стенок вагона с одинаковой скоростью, свет в поезде, движущемся со скоростью 240 000 километров в секунду, по-видимому, в одну сторону распространялся бы в пять раз медленнее, а в другую — в 1,8 раза быстрее, чем в поезде покоящемся.
Изучение распространения света должно, казалось бы, дать возможность установить абсолютную скорость движения поезда.
Возникает надежда: а нельзя ли, используя явление распространения света, установить понятие абсолютного покоя?
Лабораторию, в которой свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью 300 000 километров в секунду, мы сможем называть абсолютно покоящейся. Во всякой другой лаборатории, движущейся относительно нее прямолинейно и равномерно, скорость света должна была бы быть различной в различных направлениях. В таком случае не существует ни относительности движения, ни относительности скорости, ни относительности покоя, установленных нами выше.
Мировой эфир»
Как же понять такое положение вещей? В свое время, пользуясь аналогией между явлением распространения звука и света, физики ввели специальную среду, так называемый эфир, в котором свет распространялся таким же образом, как звук в воздухе. При этом предполагалось, что все тела при движении через эфир не увлекают его за собой, подобно тому, как перемещающаяся в воде клетка, сделанная из тонких прутьев, не увлекает воду.
Если наш поезд неподвижен относительно эфира, то свет будет распространяться по всем направлениям с одинаковой скоростью. Движение поезда относительно эфира сейчас же проявится в том, что скорость распространения света окажется различной для разных направлений.
Однако введение эфира — среды, колебания которой проявляются в виде света, — вызывает ряд недоуменных вопросов. В первую очередь сама гипотеза имеет явно искусственный характер. В самом деле, свойства воздуха мы можем изучать, не только наблюдая распространение в нем звука, но и привлекая самые разнообразные физические и химические методы исследования. Между тем эфир в большинстве явлений загадочным образом не участвовал. Плотность и давление воздуха доступны самым грубым измерениям. Все попытки узнать что-нибудь о плотности и давлении эфира ровно ни к чему не привели.
Создалось довольно нелепое положение.
Конечно, всякое явление природы можно «объяснить» введением специальной жидкости, обладающей необходимыми свойствами. Но истинная теория явления отличается от простого пересказывания известных фактов учеными словами именно тем, что из нее следует гораздо больше, нежели дают сами факты, на которых она основывается. Например, понятие атома широко вошло в науку в связи с вопросами химии, однако представление об атомах дало возможность объяснить и предсказать огромное число явлений, никакого отношения к химии не имеющих.
Представление же об эфире мы вправе уподобить объяснению, которое дал бы дикарь действию граммофона, предполагая, что в этом загадочном ящике заключен особый «граммофонный дух».
Подобные «объяснения», разумеется, ровно ничего не объясняют.
У физиков и до эфира уже был печальный опыт в этом же роде: они в свое время и явление горения «объясняли» свойствами особой жидкости — флогистона, а тепловые явления — свойствами другой жидкости — теплорода. Кстати говоря, обе эти жидкости, как и эфир, отличались абсолютной неуловимостью.
Создается трудное положение
Но самое главное заключается в том, что нарушение принципа относительности движения светом неминуемо должно было бы привести к нарушению принципа относительности движения и всеми другими телами.
Действительно, ведь любая среда оказывает сопротивление движению тел. Поэтому перемещение тел в эфире тоже должно было бы быть связано с трением. Движение тела должно было бы замедляться, сменяясь в конце концов состоянием покоя. Между тем Земля вот уже много миллиардов лет (по геологическим данным) вращается вокруг Солнца и не замечено никаких признаков ее торможения от трения.
Таким образом, попытавшись объяснить странное поведение света в движущемся поезде наличием эфира, мы зашли в тупик. Представление об эфире не снимает противоречия между нарушением принципа относительности светом и соблюдением его всеми другими движениями.
Опыт должен решить
Что делать с этим противоречием? Прежде чем высказывать те или иные соображения по этому поводу, обратим внимание на следующее обстоятельство.
Противоречие между распространением света и принципом относительности движения мы получили исключительно из рассуждений.
Правда, повторяем, это были весьма убедительные рассуждения. Но, ограничиваясь одними рассуждениями, мы уподобились бы некоторым древним философам, пытавшимся добывать законы природы из собственной головы. При этом неизбежно возникает опасность, что построенный таким образом мир при всех своих достоинствах окажется весьма мало похожим на действительный.
Верховным судьей всякой физической теории является опыт. А потому, не ограничиваясь рассуждениями о том, как должен распространяться свет в движущемся поезде, следует обратиться к опытам, которые покажут, как он распространяется в этих условиях на самом деле.
Постановка такого опыта облегчается тем, что мы сами проживаем на заведомо движущемся теле. Земля, вращаясь вокруг Солнца, совершает отнюдь не прямолинейное движение и поэтому не может постоянно покоиться с точки зрения какой бы то ни было покоящейся лаборатории.
Если даже взять за исходную такую лабораторию, по отношению к которой Земля покоится в январе, то поскольку направление движения Земли вокруг Солнца меняется, она в июле будет наверняка находиться в движении. Поэтому, изучая распространение света на Земле, мы фактически изучаем распространение света именно в движущейся лаборатории, притом с весьма солидной для наших условий скоростью — 30 километров в секунду. (Вращением Земли вокруг оси, приводящим к скоростям до полукилометра в секунду, можно пренебречь.)
Вправе ли мы, однако, уподобить земной шар движущемуся поезду, о котором речь шла выше и который завел нас в тупик? Ведь поезд перемещается прямолинейно и равномерно, а Земля — по окружности? Вправе. Вполне допустимо считать, что за ничтожную долю секунды, необходимую свету, чтобы пройти через лабораторные приборы, Земля движется прямолинейно и равномерно. Ошибка, допускаемая при этом, столь мизерна, что не может быть обнаружена.
Но раз мы сравнили поезд и Землю, естественно было бы ожидать, что и на Земле, как и в нашем поезде, свет будет вести себя столь же странно: в разные стороны распространяться с неодинаковой скоростью.
Принцип относительности торжествует
Такой опыт и был произведен в 1881 году одним из величайших экспериментаторов прошлого столетия Майкельсоном, который с весьма высокой точностью измерил скорость света в различных направлениях относительно Земли. Чтобы уловить ожидавшуюся небольшую разницу в скоростях, Майкельсону пришлось воспользоваться очень тонкой экспериментальной техникой и проявить в этом отношении огромную изобретательность. Точность опыта была столь велика, что можно было бы обнаружить и гораздо меньшую разницу в скоростях, чем предполагавшаяся.
Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Распространение света в движущейся лаборатории в действительности оказалось протекающим совсем иначе, чем это следовало из наших рассуждений. А именно: Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью. В этом отношении распространение света происходит так же, как и полет пули, — независимо от движения лаборатории, с одинаковой скоростью относительно ее стен по всем направлениям.
Таким образом, опыт Майкельсона показал, что явление распространения света, в противоположность нашим рассуждениям, нисколько не противоречит принципу относительности движения, а, напротив, находится в полном с ним согласии. Другими словами, наши рассуждения на стр. 27–29 оказались ошибочными.
Из огня да в полымя!
Итак, опыт освободил нас от тяжелого противоречия между законами распространения света и принципом относительности движения. Противоречие оказалось только кажущимся, обязанным, очевидно, ошибочности наших рассуждений. В чем же, однако, заключается эта ошибка?
Почти четверть века, с 1881 по 1905 год, физики всего мира ломали головы над этим вопросом, но все предлагавшиеся объяснения неизбежно приводили все к новым и новым противоречиям между теорией и опытом.
Если источник звука и наблюдатель перемещаются в движущейся клетке, сделанной из тонких прутьев, то этот наблюдатель чувствует сильный ветер. Если измерять скорость звука по отношению к клетке, то в сторону движения она будет меньше, чем в обратном направлении. Однако, помещая источник звука и производя измерения скорости звука в вагоне с закрытыми дверьми и окнами, мы найдем, что поскольку воздух увлекается вместе с вагоном, скорость звука в нем окажется одинаковой по всем направлениям.
Переходя от звука к свету, можно было бы для объяснения результата опыта Майкельсона сделать следующее предположение. При своем движении в пространстве Земля не оставляет эфир неподвижным, проходя через него подобно клетке из тонких прутьев. Наоборот, допустим, что она увлекает эфир, составляя с ним в своем движении одно целое. Тогда результат опыта Майкельсона стал бы совершенно понятен.
Но это предположение находится в резком противоречии с большим количеством других опытов, например с распространением света в трубе, по которой движется вода. Если бы предположение об увлечении эфира было верным, то, измеряя скорость света в направлении движения воды, мы получили бы скорость, равную скорости света в неподвижной воде плюс скорость движения воды. Между тем непосредственное измерение дает скорость меньшую, чем следует из этого рассуждения.
Мы уже говорили о крайне странном положении, когда тела, проходя через эфир, не испытывают заметного трения. Но если они не только проходят через эфир, но и увлекают его за собой, то трение во всяком случае должно бы стать значительным!
Таким образом, все попытки обойти противоречие, создавшееся после неожиданного результата опыта Майкельсона, оказались безуспешными.
Подведем итоги.
Опыт Майкельсона подтверждает принципы относительности движения не только для движения обычных тел, но и для явления распространения света, то есть для всех явлений природы.
Как мы видели раньше, из принципа относительности движения непосредственно вытекает относительность скоростей: значения скорости должны быть различными для различных движущихся друг относительно друга лабораторий. Но, с другой стороны, скорость света — 300 000 километров в секунду — оказывается в различных лабораториях одинаковой. Следовательно, она не относительна, а абсолютна!