Материал: Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Так как длины плеч совпадают, то два пучка с точки зрения земного наблюдателя прошли одинаковые пути, но затратили на их прохождение разное время, ибо, согласно эфирной теории, скорости распространения пучков на этих путях различались (в одном направлении , в обратном , в другом направлении - еще более сложная зависимость)). С точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно эфирного моря, дело выглядит несколько проще: скорости обоих пучков света одинаковы, а различаются пройденные пути (из-за движения установки относительно эфира) В результате оказывается, что моменты прихода пучков в интерферометр не должны совпадать. Цель опытов Майкельсона-Морли как раз и заключалась в том, чтобы уловить эту незначительную разницу при помощи интерферометра. Понятно, что если Земля покоится относительно эфира, то никакой разницы наблюдаться не должно.

Поскольку направление абсолютной скорости Земли заранее не известно, сделанное допущение о параллельности плеча установки и направления абсолютного движения Земли может быть неверным. Чтобы исключить связанную с этим ошибку, экспериментальную установку вращали относительно стен лаборатории на 360 градусов. Тем не менее, никакого относительного запаздывания во времени прихода световых пучков обнаружено не было. Значит, в соответствии с первоначальными рассуждениями надо сделать вывод, что Земля покоится относительно эфира.

Понятно, что с таким заключением было трудно согласиться. В результате появились заявления о том, что опыт Майкельсона вовсе не означает равенство нулю абсолютной скорости Земля: Земля движется сквозь эфир с ненулевой скоростью, но обнаружить это движение в опыте Майкельсона невозможно.

В рассуждениях Майкельсона не было ошибки: физика того времени допускала возможность наблюдения абсолютного движения Земли. Значит, если оно в действительности не наблюдаемо, то необходимо внести исправления в основы тех рассуждений, которые привели к выводу о наблюдаемости такого движения. Такая революционная мысль вдохновляла многих, и в предложениях недостатка не было. Наиболее известной и оказавшей самое значительное влияние на умы современников была гипотеза о сокращении масштабов, выдвинутая голландским физиком Х. А. Лоренцем (1853 - 1928 г.г.). По мысли Лоренца, если некий стержень в состоянии покоя имеет длину , а при движении относительно эфира длину , то  в случае, когда направление абсолютного движения перпендикулярно стержню, и , если стержень движется вдоль своей длины. Если учесть этот факт, то получается, что в опыте Майкельсона-Морли световые пучки затрачивают на пройденные пути одинаковое время. Следовательно, этот опыт не может позволить обнаружить абсолютное движение Земли.

Таким образом, оказывалось, что абсолютное движение Земли не наблюдаемо и обнаружившееся было противоречие между основами физики того времени и опытом устранялось. Лоренцева гипотеза на некоторое время «спасла» лицо тогдашней физики. Но означала ли эта гипотеза подлинное решение вопроса? Конечно, нет. Она только подменяла один вопрос другим. С точки зрения физики проблема не могла считаться решенной до тех пор, пока не найдено объяснение, почему движущееся тело изменяет свой размер в направлении движения.

Пытаясь обосновать гипотезу сокращения масштабов, Лоренц, в частности, рассуждал следующим образом. Против того, что уравнения Максвелла справедливы в абсолютной системе отсчета, никто не возражает. Но может быть отрицательный результат опыта Майкельсона указывает нам, что уравнения Максвелла в неизменном виде справедливы также и в любой другой инерциальной системе, движущейся относительно эфира в каком угодно направлении с какой угодно скоростью? Тогда для земного наблюдателя скорость света была бы во всех направлениях одинакова. И Лоренц задался вопросом: как нужно изменить правило сложения скоростей для того, чтобы во всех этих системах уравнения Максвелла имели одинаковую форму.

Таким образом, речь шла об изменении формы связи между результатами наблюдений одного и того же тела из разных систем отсчета. В физике преобразованием системы координат называют правило, показывающее, как связаны между собой наблюдения одного и того же тела при изменении точки зрения на него, то есть при переходе наблюдателя из одной инерциальной системы отсчета в другую. Вывод обычного правила сложения скоростей основан на применении галилеевых преобразований систем координат. Идея Лоренца состояла в том, чтобы вместо этих преобразований вывести новые, которые почти не отличались бы от галилеевых для явлений повседневной жизни и в то же время изменяли бы формы законов электромагнитного поля. Иначе говоря, Лоренц требовал, чтобы законы электромагнетизма во всех инерциальных системах отсчета имели одинаковый вид. Искомые преобразования Лоренц нашел. Сейчас их называют преобразованиями Лоренца. Разумеется, из них вытекает гипотеза сокращения размеров. И все же поначалу было трудно понять явление сокращения длины тел в направлении их движения, в частности, то, что коэффициент сокращения определяется только скоростью движения и не зависит от свойств вещества, из которого состоит тело. Чтобы по-настоящему понять это потребовалось создание новой теории.

Современники по-разному оценивали результат опытов Майкельсона-Морли. Те, кто видел в нем лишь попытку определить абсолютную скорость Земли, считали, что опыт закончился неудачей. Но так думали не все. Ведь проблематичным было само существование абсолютной системы отсчет. Может быть и постановка вопроса об абсолютной скорости Земли тоже неправомерна? Если так, то результат опытов надо понимать как ясное указание природы на то, что в инерциальных системах отсчета, связанных с Землей, скорость света, независимо от направления его распространения, постоянна и равна , то есть совпадает с величиной, следующей из уравнений Максвелла. Но тогда выходит, что Майкельсон и Морли установили важнейший экспериментальный факт, и их опыты завершились огромным успехом.

Похоже, что создатель новой теории А. Эйнштейн (1879 - 1955 г.г.) придерживался второй точки зрения. «Похоже», потому что в своей статье 1905 года «К электродинамике движущихся сред» - первой из статей, посвященных теории относительности, он не упоминает имени Майкельсона. Однако опыты Майкельсона-Морли оказали на Эйнштейна большое влияние.

А Эйнштейн постулировал, что все физические законы выглядят совершенно одинаково в любых инерциальных системах отсчета. Это утверждение известно как эйнштейновский принцип относительности (частный принцип относительности). Если следовать этому принципу, т о различные инерциальные системы отсчета совершенно равноправны по отношению ко всем физическим явлениям, так что особая абсолютная инерциальная система отсчета просто не может существовать. Следовательно, попытки определить абсолютную скорость бесцельны. С этой точки зрения отрицательный результат опытов Майкельсона-Морли надо воспринимать как естественный.

Частный принцип относительности не содержит конкретного рецепта правильной записи физических законов: чтобы внести в них нужные исправления надо привлечь дополнительные соображения. Мы уже отмечали, что Лоренц такие соображения нашел: правила перехода от одной инерциальной системы к другой он конкретизировал, потребовав, чтобы уравнения Максвелла выглядели совершенно одинаково в любой инерциальной системе отсчета. Однако, если берешься за исправление всех физических законов, то желательно по возможности избегать опоры на какую-то, хотя может быть и верную, но слишком узкую теорию (например, на теорию Максвелла). В будущем в такой узкой теории могут вскрываться те или иные недостатки, и тогда построенную на ее основе общую физическую теорию придется снова переделывать. Предпочтительнее избрать в качестве принципа перестройки всей физики какой-либо твердо установившийся и охотно всеми признаваемый экспериментальный факт. Лоренц при выводе своих преобразований опирался на теорию Максвелла, но она в полном объеме ему была и не нужна. И Эйнштейн построил новую физическую систему, получившую название частной теории относительности, используя в качестве исходного принципа только одно из положений теории Максвелла. Конечно, принцип Эйнштейна согласуется с теорией Максвелла, но поскольку она к этому принципу не сводится, то даже если в будущем в ней обнаружатся дефекты и от нее придется отказаться, избранное Эйнштейном в качестве основы утверждение может остаться верным, и тогда частная теория относительности выживет. Эйнштейн постулировал, что скорость света в вакууме не изменяется при изменении состояния движения источника свет. Иначе говоря, он потребовал, что бы скорость свет в вакууме не зависела от того, движется или покоится источник. Это требование Эйнштейна называют принципом постоянства скорости света.

Объединение принципа относительности и принципа постоянства скорости света в вакууме приводит к ряду интересных следствий, неприемлемых для обычного здравого рассудка. Поэтому появление частной теории относительности было сенсационным не только для широкой публики, но и для специалистов-физиков.

Преобразованием пространственно-временных координат называют правило перехода от пространственных координат и времени, используемых для описания траектории тела в одной системе координат, к новым координатам, при помощи которых описывается траектория того же тела в иной системе координат. Исходя из постулированных двух принципов Эйнштейн вывел такие преобразования. Оказалось, что они полностью совпадают с преобразованиями Лоренца. Но вывод Эйнштейна был фундаментальным и более простым. Кроме этого, было введено новое понятие - пространственно-временной континуум, которое прояснило, наконец, смысл преобразований Лоренца. Образно говоря, частный принцип относительности и принцип постоянства скорости света - родители преобразования Лоренца: в нем оба указанных принципа получили единое и конкретное воплощение. Кроме нахождения такого преобразования, надо было внести еще исправления во все физические законы, чтобы сделать их инвариантными относительно лоренцевых преобразований. И Эйнштейн такую работу выполнил. Он переписал заново всю физику. Именно эта новая физика и составляет содержание частной (специальной) теории относительности (СТО). Запись уравнений ньютоновой механики в форме, согласующейся с СТО, приводит к выводу о том, что инертная масса движущегося тела больше массы того же тела в состоянии покоя и что энергия тела пропорциональна его инертной массе.

Хотя все перечисленные эффекты и противоречили здравому смыслу, но связанные с ними отклонения по величине настолько малы, что в повседневной жизни заметить их практически невозможно. Например, если ракета длиной 50 м летит со скоростью 100 км/с, то лоренцево сокращение длины ее корпуса составляет всего 0,003 мм. Помещенные на этой ракете часы по сравнению с часами на Земле будут отставать на 0,0002 с за час.. При нагревании одной тонны воды от нуля до ста градусов ее масса увеличится на 0,005 мг - такую маленькую добавку к массе одного кубометра воды и представить себе трудно. Таким образом, хотя на первый взгляд выводы из специальной теории относительности выглядят как чрезвычайно революционные, в действительности предсказываемые ею отклонения от того, к чему мы привыкли в нашей повседневной жизни, пренебрежимо малы. Но поскольку эта теория произвела революционный переворот в самых основах физического мышления, она оказала огромное влияние на последующее развитие науки.

Теория относительности по-новому осветила также и понятие энергии. Как было известно до начала 20 века, энергия - это разновидность способности, это - не масса. И тем не менее, согласно СТО, в какой бы форме энергия не выступала, она сама по себе обладает пропорциональной ей по величине инертной массой. И обратно: когда нечто обладает тяжестью, в этом «нечто» обязательно заключена энергия.

Говоря о том, что Эйнштейн привел в соответствие с СТО все законы физики, мы допускаем неточность. С ней никак не удавалось согласовать закон всемирного тяготения. Это - один из недостатков СТО. Ведь существует сколько угодно систем отсчета, не являющихся инерциальными. Строго говоря, неинерциальна уже и система, связанная с Землей. Но СТО ничего не сообщает нам о том, как изменяются физические законы при переходе в неинерциальную систему отсчета. Это тоже слабость теории. Отмеченные слабые места СТО указывают на границы ее применимости. Из попыток преодоления этих проблем родилась еще более великая теория - общая теория относительности.

Формулируя принципы общей теории относительности, Эйнштейн неоднократно прибегает к анализу мысленных экспериментов. Вот один из них. Вообразим ящик, покоящийся во Вселенной настолько далеко, что на него не действуют никакие внешние силы. Ящик этот буквально парит в воздухе. Находящийся в ящике человек, выпуская из рук яблоко, обнаруживает, что оно неподвижно парит рядом с ним, из чего он заключает, что находится в инерциальной системе отсчета. Но однажды утром, выпустив из рук чашку и яблоко, человек обнаруживает, что оба эти предмета падают по направлению к полу с одинаковым ускорением. Вчерашний опыт подсказывает наблюдателю, что его система отсчета инерциальна. Поэтому из факта падения яблока и чашки он делает вывод, что вместе с ящиком он оказался помещенным в гравитационное поле. Не иначе как за ночь под ящиком родилась огромная звезда.

А теперь представим себе еще один ящик, тоже парящий где-то далеко во Вселенной. Находящийся в нем наблюдатель также считает свою систему отсчета инерциальной, так как выпущенное из рук яблоко парит рядом. Но на это раз «бес не дремлет». Этот негодяй незаметно приделал веревку к потолку ящика и в один прекрасный день внезапно потянул ящик вверх с постоянным ускорением. Выпуская из рук яблоко и видя, что оно падает на пол, наблюдатель поймет, что что-то случилось. Какой же причиной он объяснит наблюдаемое явление? Наблюдатель, восседающий в центре тяжести далекой Вселенной видит, что относительно его инерциальной системы отсчета ящик поднимается вверх с постоянным по величине ускорением. Следовательно, связанная с ящиком система отсчет перестала быть инерциальной в тот самый момент, когда потянули за веревку. Но наблюдатель внутри ящика вряд ли придет к выводу, что его ящик кто-то тащит за веревку. Скорее, исходя из предыдущего опыта, он будет верить, что и теперь в его системе удовлетворяется закон инерции и решит, что новое поведение предметов обусловлено действием каких-то природных сил. Поскольку истинная причина видимого поведения предметов заключается в том, что ящик и сам наблюдатель ускоренно движутся вверх, все предметы падают к полу с одинаковым ускорением. Но это как раз характерный признак падения предметов в поле тяжести. Получается, что наблюдатели в ящиках испытывают совершенно одинаковые ощущения. Поэтому второй наблюдатель скорее всего примет то же решение, которое принял и первый наблюдатель: он тоже вообразит, что под его ящиком возникла новая звезда, которая и притягивает все предметы.

В третьем мысленном эксперименте мы возвратимся к первому наблюдателю, ящик с которым неподвижно укреплен над звездой и предположим, что внезапно из-под ящика выбили подставку. Под действием силы тяжести ящик со всем содержимым станет падать на звезду. Наблюдатель увидит, что он сам, а также находящиеся в ящике предметы, находятся в состоянии свободного падения и решит, по-видимому, что сила тяжести исчезла. Иными словами, наблюдатель придет к заключению: он вновь попал, как и перед появлением звезды под ящиком, в инерциальную систему отсчета, в которой не действуют никакие силы, в том числе и сила тяжести. Но наблюдатель в центре тяжести Вселенной по-иному увидит эту ситуацию: для него ящик ускоренно падает на звезду. Поэтому он решит, что система отсчета, в которой находится наблюдатель, перестала быть инерциальной, но сила тяжести продолжает действовать. Исчезновение силы тяжести, регистрируемое наблюдателем в ящике - кажущийся эффект.