Книга Почему Е=mc?? И почему это должно нас волновать - Джефф Форшоу

Майкельсон и Морли поставили перед собой задачу измерить скорость света в разное время года. Они (как и все остальные) были уверены, что в течение года она меняется, пусть и на малую величину, потому что скорость Земли (а вместе с ней и их экспериментальной установки) по отношению к эфиру должна постоянно меняться. В эксперименте использовалась очень чувствительная методика под названием «интерферометрия». За шесть лет экспериментов Майкельсон и Морли довели ее чувствительность до небывалого уровня, но ко времени публикации в 1887 году полученный результат был однозначно отрицательным. Не отмечалось никакой разницы в скорости света в любом направлении и в любое время года.

Если гипотеза эфира корректна, этот результат очень трудно объяснить. Например, представьте себе, что вы решили погрузиться в реку с быстрым течением и поплыли по ней вниз. Если вы плаваете со скоростью пять километров в час относительно воды, а река течет со скоростью три километра в час, то относительно берега вы плывете со скоростью восемь километров в час. Если вы развернетесь и поплывете вверх по течению, то относительно берега станете перемещаться со скоростью два километра в час. То же происходит и в эксперименте Майкельсона и Морли: роль пловца в данном случае играет луч света, река – это эфир, по которому он плывет, а берег реки – экспериментальное оборудование Майкельсона и Морли, находящееся в покое на поверхности Земли. Теперь вам должно быть понятно, почему результат Майкельсона и Морли оказался таким сюрпризом. Это выглядело, как если бы вы всегда плыли со скоростью пять километров в час по отношению к берегу реки, независимо от скорости ее течения и направления вашего движения.

Таким образом, Майкельсону и Морли не удалось доказать присутствие эфира, протекающего через их установку. Вот очередной вызов нашей интуиции: учитывая то, что мы видели до сих пор, нужно смело отбросить понятие эфира, потому что его влияние не поддается наблюдению, – так же как мы отбросили понятие абсолютного пространства в главе 1. Кстати, с философской точки зрения эфир всегда был довольно неуклюжей концепцией, поскольку стал бы во Вселенной той точкой отсчета, которая позволила бы определить абсолютное движение, что противоречит принципу относительности Галилея. По-видимому, такова была личная точка зрения Эйнштейна, поскольку он, похоже, мало что знал о результатах экспериментов Майкельсона и Морли, когда смело отказался от концепции эфира при формулировке своей специальной теории относительности в 1905 году. Однако на самом деле философские тонкости нельзя считать надежным ориентиром для понимания устройства Вселенной, поэтому в конечном счете самое веское основание для отказа от концепции эфира – то, что экспериментальные результаты не подтверждают его существования[8].

Отказ от концепции эфира можно оправдать с эстетической точки зрения и поддержать экспериментальными данными. Но если мы предпримем этот решительный шаг, то окажемся лицом к лицу с серьезной проблемой: уравнения Максвелла дают очень точный прогноз для скорости света, но не содержат никакой информации о том, относительно чего ее следует измерять. Давайте ненадолго примем уравнения Максвелла такими, какие они есть, и посмотрим, куда это нас приведет. Если мы получим в итоге бессмыслицу, то всегда сможем вернуться и попробовать другую гипотезу, удовлетворившись тем, что отрицательный результат тоже результат. Уравнения Максвелла предсказывают, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, и в них нет упоминания о скорости источника или приемника света. Создается впечатление, будто эти уравнения действительно утверждают, что скорость света неизменна независимо от того, насколько быстро источник и приемник света движутся относительно друг друга. Словом, уравнения Максвелла говорят нам о том, что скорость света – фундаментальная константа природы. Это действительно непростое утверждение, так что давайте потратим еще немного времени на уточнение его смысла.

Представьте себе луч света фонарика. Согласно здравому смыслу, если бы мы бежали достаточно быстро, то теоретически могли бы догнать переднюю часть движущегося вперед пучка света. Здравый смысл даже позволяет предположить, что мы могли бы бежать вместе с лучом света, если бы нам удалось перемещаться со скоростью света. Но если следовать уравнениям Максвелла, то независимо от того, как быстро мы бежим, луч света опережает нас со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Если это не так, то скорость света различна для человека с фонариком и бегущего человека, что противоречит результатам эксперимента Майкельсона и Морли, а также нашему утверждению, что скорость света – фундаментальная константа природы, имеющая одно и то же значение независимо от движения источника или наблюдателя. Похоже, мы оказались в смешном положении. Конечно, здравый смысл будет требовать от нас отвергнуть или по крайней мере пересмотреть уравнения Максвелла – возможно, они верны лишь отчасти? Это предположение не выглядит неразумным, поскольку движение любой реальной экспериментальной установки повлекло бы за собой только крохотное отклонение от скорости в 300 миллионов метров в секунду, которая появляется в уравнениях Максвелла. Это отклонение настолько крохотное, что вполне могло остаться незамеченным в опытах Фарадея. В качестве альтернативы можно просто принять уравнения Максвелла и тот факт, что мы никогда не сможем догнать луч света. Эта идея не просто оскорбляет наш здравый смысл, но и, как покажет следующая глава, подразумевает также, что мы должны отвергнуть само понятие абсолютного времени.

Современному человеку разрушить привязанность к абсолютному времени столь же трудно, как и ученым XIX столетия. Наша интуиция целиком и полностью говорит в пользу абсолютного пространства и времени, но мы должны осознавать, что это всего лишь интуиция. Кроме того, данные понятия лежат в основе законов Ньютона, которые по сей день используются в работе многих инженеров. В XIX веке законы Ньютона казались попросту неприкасаемыми. В то время как работы Фарадея по электричеству и магнетизму уже лежали в Королевском институте, Изамбард Брюнель[9] руководил строительством Большой западной железной дороги из Лондона в Бристоль. В 1864 году, когда Максвелл завершил свой блестящий синтез работ Фарадея и раскрыл секрет света, Брюнель завершил строительство легендарного Клифтонского подвесного моста[10]. Бруклинский мост был открыт спустя восемь лет, а в 1889 году над Парижем вознесся шпиль Эйфелевой башни. Все великолепные достижения века пара были спроектированы и возведены с использованием концепций, сформулированных Ньютоном. Ньютонова механика была далека от абстрактных математических размышлений. Символы ее успеха вырастали по всей Земле и становились свидетельствами постоянно растущего господства человечества над законами природы. Представьте себе, какое смятение произошло в умах ученых конца XIX века, когда они столкнулись с уравнениями Максвелла и их скрытой атакой на сами основы ньютоновского мировоззрения. Разумеется, победитель может быть только один. Безусловно, господствовать должен победоносный Ньютон и концепция абсолютного времени. Тем не менее начало XX столетия ознаменовалось тем, что проблема постоянства скорости света по-прежнему нависала темной тучей: Максвелл и Ньютон не могли быть правы одновременно. Так продолжалось до 1905 года, когда работа до тех пор никому не известного физика по имени Альберт Эйнштейн наконец не показала, что природа на стороне Максвелла.