6. Особое положение света

Когда Максвелл около ста лет назад доказал, что свет - это волны, все заинтересовались и другими видами волн, надеясь найти сходство между ними и светом и таким образом лучше понять процесс распространения света. В таких видах волн недостатка нет - это звуковые волны и волны на поверхности воды, волны в натянутых струнах, волны землетрясений и т. д.

Все эти волны по необходимости распространяются в среде, которая сама может тоже двигаться, и определение ее скорости никак не зависит от движения волн. Более того, скорость самой среды в разных точках не обязательно должна быть одинаковой, что ведет к сложным процессам рассеяния и преломления волн. Не удивительно, что первоначально никто полностью не сознавал, что процесс распространения света в корне отличается от всех этих явлений. Чтобы свету было в чем распространяться, придумали гипотетическую среду, которую назвали эфиром. И, как часто бывает в науке, эта идея, основанная на несуществующей аналогии, дала полнейшую осечку и вместо того, чтобы помочь, спутала все карты.

Гипотетический эфир

Этот эфир был придуман для одной и только одной цели - чтобы в нем распространялся свет, чтобы дать свету ту среду, какой для звука является воздух. Но ведь воздух можно взвесить, воздухом можно подуть, его можно откачать или, наоборот, накачать куда-то под давлением. Ничего подобного нельзя сделать с гипотетическим эфиром. Он должен находиться повсюду, так как его нельзя удалить. Эфиром нельзя подуть или закрутить его вихрем - иначе он замедлял бы движение планет и тормозил всю солнечную систему, а ведь движение планет ясно показывает, что такого трения нет. Даже большие тела не могут сдвинуть эфир. Например, когда мы видим, как Луна проходит мимо звезды, свет от этой звезды дохэдит до нас без какого-либо заметного изменения до тех самых пор, пока диск Луны не закроет ее. Это значит, что Луна не влияет на эфир даже у самой своей поверхности. Следовательно, у такого эфира нет никаких свойств, кроме одного, - он создает сходство между процессами распространения света и распространения звука. Но если обратиться к ньютоновской механике, сразу же становится ясно, что на самом деле сходства между этими процессами нет.

Мы уже выяснили, что равномерное движение не влияет на механические процессы. Помните, сколько внимания мы уделили полному и точному сходству между наливанием чая в самолете и у себя дома за столом. Это сходство мы называли ньютоновским принципом относительности, который утверждает, что все движущиеся по инерции наблюдатели равноценны друг другу с точки зрения механики: если один из них поставит в своей собственной системе некоторый опыт, то у него получится точно такой же результат, как и у любого другого инерциального наблюдателя в его собственной системе координат. Эту же мысль можно выразить несколько иначе: скорость несущественна и играет роль только ускорение. Например, в комфортабельном воздушном лайнере мы можем беседовать со своими соседями точно так же, как мы говорили с ними на поверхности земли. Это тоже проявление ньютоновского принципа относительности. В сущности, звук - это механическое явление, состоящее в движении воздуха. Говорящий (излучатель), воздух (среда распространения) и слушатель (приемник) - все движутся вместе со скоростью самолета, так что испытывают в точности то же самое, что испытывали бы в покое на земле.

Беспочвенность представлений об эфире

Как ведет себя свет в самолете? Единственный простой ответ (для нашего поколения этот ответ очевиден) гласит: все, что происходит на самолете, должно совпадать с тем, что происходит на земле, хотя речь идет теперь уже о распространении света. Но с точки зрения гипотезы об эфире, как бы абсурдно это нам теперь ни показалось, самолет должен был бы оказаться совсем в другом положении, чем земля. Как мы уже видели на примере Луны, тела в своем движении не могут увлекать за собой эфир. Это значит, что если мы будем считать эфир неподвижным относительно наблюдателя на поверхности земли, то сквозь летящий самолет будет дуть "эфирный ветер", что должно повлиять на распространение света. Конечно, скорость самолета несравненно меньше скорости света (около одной миллионной ее), однако те же соображения верны и при много больших скоростях. Кроме того, чувствительность приборов для измерения скорости света и других его свойств исключительно велика. Таким образом, гипотеза об эфире приводит к нелепому выводу о том, что состояние равномерного движения можно отличить от состояния покоя оптическими средствами, хотя механическим путем сделать это невозможно.

Этот "вывод" явно противоречит всем высказанным нами соображениям об единстве физики - о не-возможности отделить оптику от механики и других физических дисциплин. Если с точки зрения механики движущиеся по инерции наблюдатели ничем друг от друга не отличаются, то вообще не должно быть никакого способа, чтобы обнаружить разницу между ними. Такое само собой разумеющееся распространение ньютоновского принципа относительности на оптику 70 лет назад никому не приходило на ум - гипотеза эфира тогда настолько владела умами ученых, что они занялись "измерением" эфирного ветра. Теперь мы знаем, что все эти представления оф эфире, приводившие к выводу о существовании эфирного ветра, не принесли ничего, кроме вреда и путаницы, но в то время было очень трудно это понять,

Чтобы обнаружить эфирный ветер, был поставлен один из самых знаменитых физических опытов - эксперимент Майкельсона - Морли. Только неудача этого эксперимента заставила ученых признать тот факт, что физика едина, что если скорость не играет роли в механике, то она не должна играть роли и в оптике.

Из этой нелепой гипотезы эфира вытекало, что эфир никак не может стоять на месте относительно Земли, потому что та несется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек, т. е. примерно в ¹/₁₀₀₀₀ скорости света. Но вместе с тем Земля не может увлекать эфир следом за собой - ведь мы знаем, что Луна, например, не может этого сделать. К тому же, если бы Земля толкала и тащила с собой окружающий ее эфир по отношению к той части эфира, которая находится далеко от нее, то это привело бы к сложным эффектам преломления света, и нам казалось бы, что звезды движутся по-разному, а этого на самом деле не наблюдается. Итак, гипотеза эфира предсказывает существование эфирного ветра, дующего со скоростью примерно ¹/₁₀₀₀₀ скорости света. Как измерить этот эфирный ветер? Он должен проявляться в виде различия скорости света в разных направлениях.

Измерение скорости

Скорость предметов обычно измеряют так: сначала измеряют длину какого-то отрезка пути, а потом ставят на его концах наблюдателей с часами, которые отмечают время прохождения объекта мимо них. Если разделить длину этого отрезка пути на разность показаний часов, то получится скорость. Если длина задана, то чем быстрее летит предмет, тем точнее следует измерять время, и даже малая ошибка в синхронизации наших часов сведет на нет весь опыт по определению скорости. Поскольку свет распространяется чрезвычайно быстро, то понятно, как трудно проводить этот эксперимент при любом расстоянии, которое на практике может разделять наблюдателей, особенно если требуется измерить скорость света настолько точно, чтобы заметить действие на нее эфирного ветра. Возникает и другое затруднение: ведь наблюдатели обычно сверяют (синхронизируют) свои часы, посылая друг другу световые сигналы. Таким образом, они ставят синхронизацию в зависимость как раз от того, что собираются измерять, - от скорости света. Избежать этих затруднений можно, если работать в одном и том же месте и измерять длину пути света от наблюдателя до зеркала и обратно. Для обнаружения же эфирного ветра нужно сравнить время распространения света по замкнутому пути вверх и вниз по течению эфира и время его распространения (тоже по замкнутому пути) поперек этого течения. Следующий пример поясняет сказанное.

Представим себе, что мы находимся на реке шириной 2 км, текущей со скоростью 3 км/час (рис. 8). Пусть у нас есть лодка, двужущаяся в стоячей воде со скоростью 5 км/час. Требуется, во-первых, съездить на ней до другого места на том же берегу, расположенного в 2 км вверх по течению, и вернуться назад; во-вторых, нужно переплыть реку до точки, лежащей прямо напротив, и тоже вернуться назад. Сколько времени потребуется на эти поездки? Сначала, плывя на лодке вверх по течению, мы будем делать эффективно 2 км/час, причем мотор будет работать на мощности, рассчитанной на скорость 5 км/час, против течения в 3 км/час, и нам понадобится 1 час, чтобы добраться до цели выше по течению. На обратном пути течение будет попутным, и, прибавив скорость лодки 5 км/час к скорости реки 3 км/час, мы получим скорость 8 км/час, т. е. 2 км будут пройдены за четверть часа. Значит, дорога туда и обратно займет 1 час 15 мин.

Во втором случае, пересекая реку, нам не следует направлять нос лодки прямо к противоположному берегу, потому что иначе течение снесет нас далеко вниз по реке. Нос лодки нужно направить немного вверх по течению, чтобы из скорости 5 км/час в том направлении, куда обращен нос лодки, 3 км/час относилось к направлению вверх по течению и компенсировало скорость течения реки. Из чертежа в нижнем левом углу рис. 8 видно, что при этом у нас остается эффективная скорость 4 км/час для пересечения реки, и дорога в каждый конец поперек реки займет по полчаса - в сумме 1 час. Значит, путь в 2 км и возвращение к исходному месту требует разного времени в зависимости от того, путешествуем ли мы вверх и вниз по течению или поперек него. Этот метод и был использован в знаменитом эксперименте Майкельсона - Морли (Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) - первый американский ученый, получивший Нобелевскую премию (1907). Кроме вклада в теорию относительности, он измерил скорость света и изобрел интерферометр для точнейших измерений с помощью длин световых волн. Эдвард У. Морли (1838-1923), участвовавший совместно с Майкельсоном в постановке знаменитого опыта по эфирному ветру, по образованию был химиком. [См. книгу Джеффа "Майкельсон и скорость света", ИЛ, М., 1963. - Прим. ред.]).

Рис. 8. Стрелки (именуемые векторами) перед лодкой графически изображают величины и направления скоростей, действующих при движении поперек реки. Эти векторы образуют прямоугольный треугольник; зная его две стороны, можно вычеслить величину третьей по теореме Пифагора. Таким образом, скорость лодки прямо поперек реки (перпендикулярно течению) равна √5²-3²=4 км/час

Эксперимент Майкельсона - Морли

Свет посылался в двух направлениях, отражался на одинаковых расстояниях от исходной точки, а затем сравнивалось время его распространения или, точнее, число длин волн, уложившихся на длине участка пути. Принимая скорость движения Земли приблизительно равной 30 км/сек - около ¹/₁₀₀₀₀ скорости света, мы найдем, что разность времени должна быть равна всего лишь ¹/_200000000 от всего времени распространения света. Но методы спектроскопии настолько точны, что это различие можно обнаружить с помощью так называемой интерференции, когда вернувшиеся с разных направлений световые волны накладываются друг на друга. Сначала замечают результат сложения этих волн при одном положении прибора, а потом поворачивают его на какой-то угол. Если вызванное этим изменение направлений изменит и время распространения света (например, путь света поперек течения эфира превратился при повороте в путь вверх и вниз по течению, или наоборот), то это приведет к сдвигу интерференционных полос при наложении двух волн. Такого сдвига не обнаружилось.

Рис. 9. Скорость света в двух различных направлениях можно сравнить с помощью интерферометра

Пагубная идея эфира настолько глубоко укоренилась в сознании людей, что этот результат всем представлялся непостижимым. Теперь этот отрицательный результат совершенно ясен - ведь мы считаем, что время распространения света не зависит от направления, т. е. от того, распространяется ли световой луч в направлении движения Земли, против него или под прямым углом поперек него. При распространении света наша скорость не играет роли точно так же, как и в механике. Этот отрицательный вывод из эксперимента Майкельсона - Морли оказался фундаментальным и привел к утверждению, что в оптических явлениях скорость ничуть не более существенна, чем в механических. Это утверждение обычно называют принципом относительности, и оно впервые было отчетливо сформулировано Эйнштейном в 1905 г. Более ранние формулировки были даны Лоренцом (Генрик Антоон Лоренц (1853-1928) - блестящий голландский физик, еще до Эйнштейна построивший подобие теории относительности при попытке приспособить уравнения Максвелла к новым экспериментальным фактам. Эйнштейн в своей специальной теории относительности вывел основные математические формулы, совпавшие с преобразованиями Лоренца, когда он еще не знал о вышедшей до этого работе Лоренца) и Пуанкаре (Жюль Анри Пуанкаре (1854-1912) - выдающийся французский и один из крупнейших мировых математиков начала нашего века. Многие специалисты-физики считают, что он построил бы эйнштейновскую теорию относительности, если бы Эйнштейн не опередил его).

В заключение отметим, насколько бессмысленным представляется нашему поколению фундаментальный эксперимент, проведенный 70 лет назад. Ясно, что если бы при повороте прибора Майкельсона - Морли одно или оба его световых плеча изменили свою длину, то от этого результат опыта заметно изменился бы. Поэтому экспериментаторы приложили массу усилий к тому, чтобы обеспечить максимальную жесткость конструкции. Нам это кажется теперь весьма занятным. Современная техника позволяет установить длину этих плеч радиолокационными методами или равноценными им методами оптической интерференции. Но это значит, что мы определяли длину плеч, измеряя время, которое требуется свету, чтобы пройти в оба конца. Если мы определяем расстояние до какого-то зеркала, требуя, чтобы время распространения света до него и обратно оставалось одним и тем же независимо от направления пути в пространстве, то нас не может удивить, что время путешествия света до зеркала и обратно окажется постоянным при изменениях направления этого пути. Против этого можно возразить, что ведь Майкельсон и Морли вовсе не пользовались радиолокатором или методами интерференции для того, чтобы сохранить неизменными расстояния зеркал от источника света. Они использовали для этого жесткость материала прибора, и можно сказать, что результат их опыта подтвердил эквивалентность использования жестких стержней, с одной стороны, и радиолокационных и оптических интерференционных методов, с другой, Однако это последнее утверждение - просто "логический круг": ведь мы уже подчеркивали в одной из предыдущих глав, что длина жесткого стержня определяется электрическим взаимодействием его атомов, т. е. в конечном счете тем же, что лежит в основе радиолокации.

И вот теперь, через 70 лет, нам не только очевидно, каким должен был быть результат эксперимента Майкельсона - Морли, но и стало яснее ясного, что этого эксперимента вообще не следовало ставить. Но таким "задним умом" в науке не проживешь. Эксперимент Майкельсона - Морли знаменит именно потому, что он впервые привел нас к взглядам, которые проникли в самую глубину нашего сознания и сделали теперь этот эксперимент просто очевидным. Не может быть более выдающегося научного открытия, чем то, о котором через много лет с недоумением скажут: да разве это вообще могло считаться открытием? Лишь то действительно ценно, что стало очевидным, ибо лишь абсолютная истина так глубоко влияет на наше сознание и таким коренным образом изменяет наш взгляд на вещи, что мы даже не можем себе представить, чтобы она с самого начала не была ясна человеку.