Но из электромагнитной теории следовало, что, наблюдая за распространением света, можно определить, движется ли лаборатория в океане эфира. А так как со времен Галилея никто не сомневался в относительности механических движений, можно было с равным основанием говорить о движении эфира относительно лаборатории, об эфирном ветре.
Один из самых искусных экспериментаторов, физик Майкельсон, решил проверить, можно ли в соответствии с предсказаниями теории определить скорость, с которой Земля, вращаясь вокруг Солнца, перемещается в океане эфира (см. об эфирном ветре).
Возникал вопрос, как же определить скорость эфирного ветра, то есть нашу скорость в мировом пространстве. Ясно, что для этого надо воспользоваться световыми волнами. Ведь эфир проявлял себя только как носитель световых волн.
Теория предсказывала, что скорость света вдоль и поперек направления движения Земли должна быть различной, причем это различие тем больше, чем быстрее движется Земля. Однако при тех значениях скорости Земли, которые были предварительно оценены из астрономических наблюдений, ожидаемая разность значений скорости в этих двух направлениях должна была быть очень малой.
Для того чтобы обнаружить это различие, Майкельсон построил специальный прибор – интерферометр, в котором луч света при помощи полупрозрачного зеркала расщеплялся на две части, расходящиеся во взаимно перпендикулярных направлениях. Эти лучи в конце своего пути отражались от зеркал и возвращались обратно к полупрозрачному зеркалу, вновь объединявшему их в один луч, при наблюдении которого появлялась система темных и светлых полос.
Положение полос зависело от длины путей обоих лучей и скорости света в этих лучах. При проведении опыта один луч направлялся вдоль направления движения Земли, а второй – перпендикулярно этому направлению. И фиксировалось положение темных и светлых полос на выходе прибора. Затем прибор поворачивался так, что вдоль направления движения Земли шел не первый, а второй луч, и вновь фиксировалось положение темных и светлых полос.
Майкельсон ожидал, что полосы при этом сместятся, так как движение Земли должно было по-разному влиять на скорость первого и второго лучей. Однако ожидаемое смещение не наблюдалось. Это было совершенно неожиданно и озадачило ученых.
Опыт был впервые поставлен в 1881 году и повторялся несколько раз в различных условиях с все возрастающей точностью. Но определить таким способом изменение скорости света, то есть обнаружить движение Земли в мировом пространстве, не удавалось, Ученые упорно повторяли этот опыт, но безрезультатно. Скорость света не думала меняться.
Отрицательный результат опыта Майкельсона привел физиков в растерянность. Нужно было срочно освоиться с этим фактом. Первая возможность объяснения состояла в отказе от неподвижности эфира. Достаточно было предположить, что эфир увлекается движущимися телами, и возможность определения скорости тел относительно него исчезла. Но это была слишком искусственная гипотеза. Эфир из твердого тела превращался в странный студень, объединяющий огромную упругость с бесконечной вязкостью. Звезды и планеты должны были тянуть за собой хвосты из эфира. Все другие тела тоже должны были иметь эфирные хвостики, соответствующие их размерам.
Наука не могла примириться со столь странной гипотезой, придуманной для объяснения одного-единственного факта. Ведь, приняв ее, нужно было еще объяснить, как взаимодействуют между собой течения эфира, возбуждаемые движением различных тел, как распространяются световые волны в движущемся эфире и в областях, где течения эфира, постепенно затухая, переходят в океан неподвижного эфира.
Высказывалось и мнение, что эфирный ветер вблизи Земли так слаб, что Майкельсон и его последователи не могли его обнаружить.
Конечно, можно было просто не думать об эфире – исключить его из числа реальных тел, – ведь он никак не входил в уравнения электронной теории. Но это казалось совершенно невозможным. Никто не мог принять этот беспринципный выход, эфир существовал, и нужно было лишь объяснить отсутствие эфирного ветра.
Два спасителя
Английский ученый Фицджеральд придумал гораздо более тонкую гипотезу. Он предположил, что все тела, перемещающиеся через эфир, сжимаются, сокращают свои размеры в направлении движения. И тем больше, чем больше их скорость относительно эфира. При этом сокращаются и линейки, а значит, заметить это сокращение (оставаясь в пределах земной лаборатории, если речь идет о Земле) невозможно. Вместе со всеми земными размерами деформируется и интерферометр Майкельсона. Из-за универсальности сокращения тел и линеек это сокращение оставалось незамеченным, что и объясняло отрицательный результат опыта Майкельсона.
Гипотеза сокращения, так же как и гипотеза увлечения, была придумана специально для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона. Никакой другой роли в науке она не играла и стояла в физике особняком. Такие нарочитые гипотезы имеют мало шансов на признание. Чаще всего они бывают ложными. Но в этом случае, казалось, другого выхода не было.
Гипотезой Фицджеральда заинтересовался Лорентц.
Опыт Майкельсона грозил опрокинуть электромагнитную теорию Максвелла, которая исходила из идеи неподвижного эфира. С юных лет, питая слабость к этой теории, Лорентц ломал себе голову над целой серией моделей сокращения размеров планет, плавающих в океане эфира, – только бы формулы Максвелла не пострадали! Опыт Майкельсона ниспровергал не только теорию Максвелла, но и задевал вытекающую из нее и являющуюся ее развитием электронную теорию самого Лорентца.
Электронная теория Лорентца вопреки убеждению ее творца, так же как и теория Максвелла, не нуждалась в механическом эфире, но понятие эфира в ней сохранялось, трансформировалось в синоним абсолютного безграничного пространства, введенного в науку еще Ньютоном. Поэтому из теории Лорентца также вытекала возможность обнаружения движения тел в неподвижном пространстве – эфире.
Естественно, Лорентц должен был найти защиту своей теории от сокрушающего «нет» опыта Майкельсона. С этой целью он и обратился к гипотезе Фицджеральда.
В изящной, но чрезвычайно искусственной гипотезе Фицджеральда Лорентц увидел подтверждение существования эфира. Ведь это был первый случай, когда эфир действовал на осязаемые тела. Правда, действие это приводило к тому, что обнаружить движение тела сквозь эфир было невозможно. Но что из этого! Эфир действовал на все тела и действовал одинаково, независимо от их индивидуальных свойств; действовал универсальным образом, как и надлежало столь всепроникающей, необычайной субстанции.
Внимательно анализируя гипотезу Фицджеральда, Лорентц воплотил ее в строгие математические формулы, из которых оказывалось, что в движущихся телах необходимо наряду с сокращением размеров ввести особое время, зависящее от их скорости.
Этот результат был столь необычным и неожиданным, что Лорентц счел его просто математическим приемом, ничуть не посягающим на абсолютное время, введенное в науку Ньютоном вместе с понятием абсолютного пространства.
Так, находясь в плену старых традиций, Лорентц не понял открывшихся перед ним возможностей, выявленных его формулами, и истолковал их в духе классических представлений Ньютона и мирового эфира.
Лорентц не оказался способным на революцию. Но он был честным человеком. Несмотря на то, что он был близок к чуду, к откровению, которое озарило впоследствии Эйнштейна, он никогда не претендовал на пальму первенства в этом вопросе. Он всегда признавал, что не понял того, что понял Эйнштейн, и горячо пропагандировал его теорию.
Рассказывают, что один молодой человек, мечтавший заниматься теоретической физикой, поведал о своей мечте Томсону. И тот отговаривал молодого физика, потому что теоретическая физика, по существу, закончена, что в ней нечего делать. Правда, есть два облачка, добавил он, это неясность с постоянной Планка и с опытом Майкельсона.
Это был канун переворота в физике, канун революции.
Революция в физике
Революцию эту произвел гений Эйнштейна. Глубоко проанализировав всю сумму опытных данных, накопленных физиками более чем за двадцать веков, скромный двадцатипятилетний чиновник патентного бюро в Берне – Эйнштейн, опубликовавший, правда, статью о теории броуновского движения и не понятую никем гипотезу световых квантов, принял в качестве основного закона, что скорость света неизменна при всех условиях.
При таком предположении отрицательный результат опыта Майкельсона был неизбежным: ведь это предположение само было следствием отрицательного результата опыта.
Эйнштейн понял также, что любые явления и процессы происходят совершенно одинаково во всех телах, движущихся по инерции. Этим он распространил на всю физику принцип относительности Галилея, имевший до этого силу только для механики; принцип, который заставляет пассажира, сидящего в вагоне, думать, что его поезд пошел, хотя двинулся только состав, до этого стоявший на соседнем пути.
Сделав два предположения – о постоянстве скорости света и об универсальности принципа относительности, – Эйнштейн не только объяснил загадку опыта Майкельсона, но и открыл новую эру в физике. Из этих предположений родилась теория относительности, вначале ее простейшая часть – специальная теория относительности, объяснявшая опыты, проводимые в лабораториях, движущихся по инерции, а затем и общая, охватывающая также ускоренные движения и силы тяготения.
Но эта теория привела к выводам, показавшимся современникам безумными, – размеры тел, их масса, само течение времени потеряли свой абсолютный характер.
Еще Галилей понял, что никакими механическими приборами невозможно обнаружить движение кареты, если она движется по инерции, а окна закрыты и трение, тормозящее карету, мало. По мысли Эйнштейна, это невозможно установить не только механическими приборами, но никакими другими опытами, в том числе и оптическими. Это значило, что во всех телах, движущихся по инерции при одинаковых условиях, все процессы происходят совершенно одинаково. Таким образом, совершенно исключается возможность оценивать при помощи этих процессов движение по инерции само по себе. По мнению Эйнштейна, для такой оценки всегда необходимо второе тело, относительно которого движется первое. Движение по инерции не имеет абсолютного характера, оно по своей сути относительно. В этой мысли нет ничего парадоксального. Она естественно вытекает из многовекового опыта человечества. Мы никогда не ощущаем равномерных движений – движений с постоянной скоростью, а ощущаем только толчки – ускорения.
Сочетание принципа относительности движения с фактом постоянства скорости света повлекло за собой много неожиданного. Оказалось, что законы физики, верные и несомненные при малых скоростях, оказываются неверными, приближенными при скоростях, близких к скорости света. Не останавливаясь подробно на эффектах теории относительности и не объясняя их, приведем лишь некоторые из них, чтобы оттенить их внешнюю парадоксальность.
Например, если две ракеты летят навстречу одна другой и приборы в них показывают, что они сближаются со скоростью 240 тысяч километров в секунду, то приборы на Земле покажут иное. Они определят, что каждая из них имеет скорость 150 тысяч километров в секунду, а не 120 тысяч, как это кажется с первого взгляда и получилось бы из принципа относительности Галилея без учета постоянства скорости света. Простой закон сложения скоростей теряет силу и заменяется более сложным. Даже если каждая из ракет летит навстречу другой со скоростью большей, чем 150 километров в секунду (по измерениям с Земли), их относительная скорость будет меньше суммы этих скоростей – меньше скорости света, которая является предельной скоростью, недостижимой для материальных тел. Никакие реальные процессы, даже простая передача сигналов по радио, не могут распространяться быстрее. Но этим дело не кончится. Земные приборы покажут, что метровые линейки на обеих ракетах укоротились и содержат только 85 земных сантиметров. В то же время приборы на обеих ракетах будут показывать, что укоротился метр на Земле и в нем тоже только 85 «ракетных» сантиметров. Более того, приборы на каждой ракете зафиксируют, что метр на другой ракете укоротился сильнее, чем земной, и что он содержит только 60 сантиметров той ракеты, где ведется измерение.
То же самое произойдет с часами. Земные часы покажут, что часы на обеих ракетах отстают и проходят только 51 минуту за земной час. А часы на ракетах столь же бесспорно покажут, что отстают земные часы, которые проходят только 51 минуту за «ракетный» час. Но часы чужой ракеты будут отставать еще больше, и проходить лишь 36 минут за этот же час.
События, кажущиеся одновременными при наблюдении с Земли, будут неодновременными для пассажиров ракет.
Эти выводы кажутся парадоксальными, но они неизбежно следуют из того факта, что, находясь в состоянии невесомости внутри закрытой ракеты, летящей к звездам, космонавт не чувствует ее движения и не сможет обнаружить этого движения никаким опытом. Но, открыв иллюминаторы и наблюдая внешние явления, космонавт увидит бесконечное многообразие мира, причем то, что он будет видеть и что измерят его приборы, окажется зависимым от скорости его ракеты относительно внешних тел.
Это означает, что пассажирам двух космических ракет, движущихся с разными скоростями, окружающий их мир будет видеться различным. Звезды будут казаться и по цвету и по форме иными и совершенно не такими, какими они видны с Земли. События в различных точках пространства, которые космонавтам одной ракеты кажутся одновременными, другим будут казаться происходящими в разное время.
Из работ Эйнштейна следует, что в ракете, летящей со скоростью, близкой к скорости света, время заметно замедляет свой бег. Что за год, проведенный космонавтом в такой ракете, на Земле могут пройти сотни лет.
Конечно, возникает естественный вопрос, почему время замедляется на ракете, а не на Земле? Ведь их движения относительны, и с точки зрения теории они равноправны. Но так кажется только с первого взгляда. В действительности ракета и Земля равноправны только в то время, когда ракетные двигатели выключены и ракета движется по инерции. Но парадокс возникает только тогда, когда ракета вновь приземлится и можно будет сверить часы, поместив их рядом. А для этого нужно включить двигатели, чтобы повернуть ракету на обратный курс и посадить на Землю. Но во время работы двигателей с ускорением движется именно ракета, а не Земля. В это время они не равноправны и бег времени в ракете изменяется.
До Эйнштейна казалось само собою разумеющимся, что время едино, что на Земле и на отдаленных неподвижных звездах течение времени совершенно одинаково. Однако из теории относительности следует, что не только на быстро движущихся телах, но даже на самой Земле время течет неравномерно, что если поместить одинаковые, достаточно точные часы на поверхности Земли, в глубине ее и высоко на горе, то они будут идти различно.
Правда, этот опыт при жизни Эйнштейна поставить было невозможно: часов, достаточно точных для проверки этого утверждения, не существовало. Они созданы лишь в наши дни, и теперь появилась возможность проверить на Земле положение теории относительности Эйнштейна, подтвержденное пока лишь наблюдениями спектров «белых карликов» – особых звезд.
Величайший гений нашего времени Альберт Эйнштейн, сам того не ведая, ввел в физику одно из основных понятий диалектического материализма об относительности некоторых наших представлений. Он бесспорно доказал, что даже пространство, масса и время относительны.
Но это не значит, что все в мире относительно, как иногда вульгарно трактуют теорию относительности. В теории Эйнштейна есть понятия абсолютные: это и скорость света, и интервалы, и другие величины, сохраняющие в любых условиях свое абсолютное значение. Просто Эйнштейн понял, что многие понятия, которые до него считались абсолютными, на самом деле относительны. А то, что считалось относительным, оказалось абсолютным. Так что наименование «теория относительности» явно неудачно.
Поначалу выводы теории относительности даже ученым казались пугающими и обезоруживающими. Но когда Эйнштейн продумал все связанные с новой теорией вопросы, противоречия и неожиданные повороты, человечеству открылся мир в еще большей красоте и гармонии.
«Эйнштейн сумел перестроить и обобщить все здание классической физики, – писал Бор, – и тем самым придать нашей картине мира единство, превосходящее все, что можно было ожидать».
Малая вселенная
Но оказалось, что известные ученым законы природы терпят поражение не только при огромных скоростях движения. Недействительны они и в области ничтожно малых размеров. Ученые убедились в этом, когда проникли в мир мельчайших частичек вещества – атомов и молекул.