Б Кузнецов - Эйнштейн (Жизнь, Смерть, Бессмертие)
112
с другими, отнесенными к иной системе отсчета, Эйнштейн представил себе человека, который движется вместе с системой и не видит никаких других систем. Он наблюдает только, совместились ли тела с отметками на измерительных стержнях данной системы отсчета. Этот "наблюдатель" фигурирует почти во всех изложениях теории относительности, но можно было бы обойтись и без него; он представляет собой столь же воображаемую фигуру, как и координатные оси и измерительные стержни, прибитые к движущемуся тепу и образующие движущуюся вместе с ним систему отсчета (систему отсчета, в которой это тело неподвижно). "Наблюдатели" так же мало затушевывают объективный смысл теории относительности, как выражение "если вы протянете веревку от Земли до Солнца..." ставит объективный факт - определенное расстояние между небесными телами - в зависимость от реальных или воображаемых измерений. Когда воображение рисует "наблюдателя", то появляется несколько неясный образ человека, привязанного к летящим в пространстве измерительным стержням и способного одновременно измерять положения тел при помощи этих бесчисленных и бесконечных по величине стержней. Этот образ может быть заменен менее точным, но более представимым образом пассажира в купе поезда с задернутыми занавесками на окнах или в каюте корабля (этой каютой пользовался, как мы помним, Галилей для демонстрации классического принципа относительности).
Представим себе корабль, движущийся с той же скоростью, что и волны на поверхности моря. Для находящегося на корабле "наблюдателя", т.е. для человека, который может измерить скорости только по отношению к кораблю, волны покажутся неподвижными. Не замечая ни неба, ни берегов, "наблюдатель" увидит как бы застывшую поверхность моря, он ничего не будет знать о движении волн - ведь они неподвижны по отношению к кораблю. Такие субъективные впечатления "наблюдателя" лишь условное выражение объективного факта: волны действительно неподвижны по отношению к системе отсчета, в которой неподвижен корабль (к системе, "привязанной" к кораблю).
113
Эйнштейна заинтересовал вопрос, сохранится ли неподвижность волн по отношению к кораблю (к системе отсчета, "привязанной" к кораблю, и к находящемуся на нем "наблюдателю"), если это будут не волны на водной поверхности, а электромагнитные волны, т.е. свет. Свет пробегает вдоль Земли со скоростью, приблизительно равной 300 000 километров в секунду. Пусть корабль движется по морю с такой же скоростью. Для "наблюдателя" на корабле свет имеет тогда нулевую скорость. Но в этом случае оптические процессы на корабле резко изменятся, например вспышка фонаря не осветит экрана, находящегося на носу корабля. Электромагнитное поле станет аналогичным застывшей поверхности моря, окружающей корабль, оно окажется переменным в пространстве, т.е. в пространство будут чередоваться гребни и впадины, но они не будут сдвигаться с течением времени. Такое изменение оптических процессов позволит "наблюдателю" зарегистрировать абсолютным образом движение системы. Вооруженный оптическими инструментами "наблюдатель" сможет отличить движущийся корабль от неподвижного. Но это противоречит теории Максвелла, в которой свет всегда представляет собой движущиеся электромагнитные волны. Противоречит это и интуитивному убеждению в невозможности зарегистрировать равномерное и прямолинейное движение при помощи внутренних эффектов в движущейся системе.
Об указанном парадоксе, овладевшем его мыслями в шестнадцать лет в Аарау, Эйнштейн говорит:
"Парадокс заключается в следующем. Если бы я стал двигаться вслед за лучом света со скоростью с (скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли. В самом деле, как же первый наблюдатель может знать или установить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?" [1]
1 Эйнштейн, 4, 278.
По существу, указанный парадокс является конфликтом между двумя идеями классической механики, перенесенными в новую область электродинамических процессов.
Первая из них представляет собой классическое правило сложения скоростей. Если человек идет по коридору вагона со скоростью 5 километров в час относительно вагона, а вагон движется со скоростью 50 километров в час относительно Земли, то человек движется относительно Земли со скоростью 50 + 5 = 55 километров в час, когда он идет по направлению движения поезда, и со скоростью 50-5 = 45 километров в час, когда он идет в обратном направлении. Если человек в коридоре вагона движется относительно Земли со скоростью 55 километров в час, а поезд со скоростью 50 километров в час, то скорость человека относительно поезда 55-50 = 5 километров в час. Если волны движутся относительно берега со скоростью 30 километров в час, а корабль также со скоростью 30 километров в час, то волны движутся относительно корабля со скоростью 30-30 = 0 километров в час, т.е. они остаются неподвижными. Что же произойдет в случае электромагнитных волн? Сохранится ли здесь столь очевидное правило сложения скоростей?
Классическое правило сложения скоростей соответствует преобразованию координат от одной системы осей к другой системе, движущейся относительно первой без ускорения. Если при таком преобразовании мы сохраняем понятие одновременности, т.е. можем считать одновременными два события не только при их регистрации в одной системе координат, но и во всякой другой инерциальной системе, то преобразования называются галилеевыми. Кроме того, при галилеевых преобразованиях пространственное расстояние между двумя точками - разность между их координатами в одной инерциальной системе отсчета - всегда равно их расстоянию в другой инерциальной системе.
Вторая идея - принцип относительности. Находясь на корабле, движущемся равномерно и прямолинейно, нельзя обнаружить его движение какими-либо внутренними механическими эффектами. Распространяется ли этот принцип на оптические эффекты? Нельзя ли обнаружить абсолютное движение системы по вызванным этим движением оптическим или, что то же самое, электродинамическим эффектам? Интуиция (довольно явным образом связанная с классическим принципом относительности)
115
говорит, что абсолютное движение нельзя обнаружить какими бы то ни было наблюдениями. Но если свет распространяется с определенной скоростью относительно каждой из движущихся инерциальных систем, то эта скорость изменится при переходе от одной системы к другой. Это вытекает из классического правила сложения скоростей. Говоря математическим языком, величина скорости света не будет инвариантной по отношению к галилеевым преобразованиям. Это нарушает принцип относительности, вернее, не позволяет распространить принцип относительности на оптические процессы. Таким образом, электродинамика разрушила связь двух, казалось бы, очевидных положений классической физики - правила сложения скоростей и принципа относительности. Более того, эти два положения применительно к электродинамике оказались несовместимыми. Непротиворечивая картина мира могла быть только парадоксальной, "безумной", т.е. отказывающейся от привычного и поэтому "очевидного" положения. От какого именно - от правила сложения скоростей или от принципа относительности, - это должен был решить эксперимент.
В 1882 г. Майкельсон произвел решающий эксперимент. Он пользовался прибором, который называется интерферометром и позволяет обнаруживать очень небольшие различия в скорости света. В нем имеются две трубки, по которым пробегают лучи света. Одна трубка была направлена вдоль движения земной поверхности и находящегося на ней прибора, другая трубка находилась в поперечном положении. Движение Земли в мировом эфире должно было сказаться в увеличении скорости света, когда последний проходит по продольной к движению Земли трубке навстречу этому движению, и в уменьшении скорости, когда свет догоняет Землю. Измерить скорость света при прохождении по трубке от одного конца до другого невозможно. Удается измерить время, необходимое свету для движения по трубке туда и обратно. Пусть свет направлен по движению Земли. Тогда он придет к противоположному концу продольной трубки с запозданием, а обратный путь проделает с опережением. Но опережение на обратном пути не полностью компенсирует запоздание, и в целом получается небольшое запоздание. Свет пройдет туда и обратно в продольной трубке за большее время, чем туда и обратно по поперечной трубке. Сравнив скорость света в продольной и поперечной трубках, мы обнаружим это запоздание, если движение Земли оказывает влияние на скорость света относительно Земли.
