Странная скорость света

Обсуждая успехи небесной механики, мы уже цитировали Тома­са Хаксли: «Наука — это не что иное, как обученный и организован­ный здравый смысл». За 1700е и 1800е годы здравый смысл до­брался и до атома. Вслед за Ньютоном мы можем представить себе атомы в виде маленьких бильярдных шариков, взаимодействующих путем соударения друг с другом. Во многих случаях такого представ­ления было достаточно. Но в начале прошлого века выяснилось, что при попытках описать природу на атомном уровне наши представле­ния о некоторых явлениях микромира, а также о высокоскоростных явлениях «теряют смысл». Как гласит надпись при входе на один из физических факультетов в Англии: «Осторожно! Физика может раз­вить ваши умственные способности!»

Первый «бессмысленный» физический результат получи­ли американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в 1887 году, пытаясь измерить движение Земли в пространстве, определяя, с какого направления свет приходит с наибольшей ско­ростью. Естественно, ожидалось, что свет быстрее всего приходит с того направления, куда мы движемся. Это вытекает из нашего каждодневного опыта движения сквозь воздух. Майкельсон и Мор­ли вычислили, что время, необходимое лучу света для преодоле­ния пути туда и обратно между двумя параллельными зеркалами, должно иметь максимальное значение, когда линия, соединяю­щая центры зеркал, параллельна направлению движения Земли; и это время будет минимальным, когда луч света между зеркалами

Здесь игра слов. Английскую фразу можно понимать как «Физика способна развить ваш ум, расширить ваш кругозор», так и «Физика способна довести вас до галлюцинаций; от физики можно и свихнуться».

По оценкам Майкельсона и Морли, разность времен прохож­дения света в их опыте должна быть маленькой, но измеряемой. Однако в эксперименте никакой разницы замечено не было. При­шлось сделать вывод, что свет распространяется всегда с одинако­вой скоростью, независимо от движения измерительного прибора. Определяя скорость света, покоящийся наблюдатель получает такое же значение, как и те, которые приближаются или удаляются от ис­точника света.

Путешествие на лодке по реке служит хорошей аналогией этого опыта, иллюстрирующего странную нечувствительность движения света к «эфирному потоку». В соревновании двух лодок одна из них движется туда и обратно поперек реки, а вторая проходит такое же расстояние вниз по течению и обратно. Предполагается, что обе лод­ки имеют одну и ту же скорость относительно воды. Скорость второй лодки увеличивается, когда она плывет вниз по реке, и уменьшает­ся, когда она движется против течения. Простые вычисления пока­зывают, что лодка, пересекающая течение, совершает свой заплыв быстрее, чем ее соперница, плывущая вдоль реки. Но свет не ведет себя так же «логично».

Майкельсон и Морли, а также и другие экспериментаторы, до­казали, что свет не является обычной волной, распространяющейся в обычной среде. Если бы эти эксперименты проводились со зву­ковыми волнами или любыми другими волнами, распространяю­щимися в среде (типа воды), то всегда можно было бы определить разность скоростей и направление движения. Максвелл считал, что свет можно представить как колебания электромагнитного поля, и полагал, что эти колебания происходят в эфире. Но теперь возник­ла необходимость ввести новое представление о природе простран­ства и времени, что и было сделано Альбертом Эйнштейном.