Geum.ru

Специальная теория относительности (сто) покоится на двух китах: оптике и механике, и прошла свое развитие от Галилея до Эйнштейна в механике и от Гюйгенса и Максвелла до Эйнштейна в теории света и электродинамике

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
  1   2   3

Специальная теория относительности (СТО) покоится на двух китах: оптике и механике, и прошла свое развитие от Галилея до Эйнштейна в механике и от Гюйгенса и Максвелла до Эйнштейна в теории света и электродинамике. Чтобы вскрыть корни СТО, прочувствовать атмосферу, в которой она рождалась, и лучше понять ее смысл, проследим весь этот путь от начала до конца.

Для того чтобы изучать движение интересующих нас тел в пространстве, необходимы: система координат, единицы длины, времени и приборы для их измерения. Система координат привязывается к какому-нибудь неподвижному объекту, относительно которого нам необходимо изучить движение интересующих нас тел. Если мы изучаем движение бильярдного шара или бильярдиста на палубе теплохода, движущегося по реке, то систему координат привяжем к теплоходу. Если же нам необходимо изучить движение самого теплохода по реке, автомобилей по дороге на берегу или самолета в небе, то систему координат свяжем с Землей. При изучении движения Земли и других планет солнечной системы, начало координат придется привязать к Солнцу. Насколько важно правильно выбрать систему координат видно из того, как упростилась картина мира при переносе Коперником начала отсчета с Земли на Солнце. Если же мы будем изучать движение Солнца и других звезд нашей галактики, то систему координат целесообразно связать с центром нашей галактики и т.д. И тут возникает вопрос: а нет ли в природе какого-либо абсолютно неподвижного тела или среды, к которым можно было бы привязать абсолютную систему координат, а все остальные привязывать к ней? Согласно Галилеевскому принципу относительности, никакими механическими опытами невозможно обнаружить равномерное прямолинейное движение системы координат, в которой эти опыты проводятся. Такие системы координат называют инерциальными. Получается, что в инерциальных системах координат все законы механики одинаковы. Поэтому нет необходимости искать какую-то абсолютную систему координат, а движение интересующих нас тел можно изучать в любой инерциальной системе. Найдя координаты интересующего нас тела и закон его движения в одной системе координат, можно перейти в другую. Формулы перехода из одной инерциальной системы координат в другую называют преобразованиями Галилея. Простейший вид прямых и обратных преобразований Галилея, когда в начальный момент времени обе системы xyzt и x'y'z't' полностью совпадают, а дальнейшее их относительное движение происходит со скоростью U только по оси x, представлен на рисунке 1.




Y Y' x' = x – u t x = x' + u t

y' = y y = y'

u z' = z z = z'

ut t' = t t = t'


О' x' X'

О x X


Рис. 1. Преобразования Галилея.


Если, при переходе в другую систему координат, уравнение движения не меняет своего вида, то его называют инвариантным преобразованиям Галилея. Все уравнения механики инвариантны преобразованиям Галилея.

В дополнение к сказанному о механике, необходимо определить понятия пространства и времени. Пространство является вместилищем материальных объектов. Оно однородно, изотропно, абсолютно, объективно существует независимо от того, имеются в нем какие-либо объекты, и измеряет его кто-нибудь в данный момент или нет. То есть пространство абсолютно и объективно. Но ощущать, воспринимать и изучать пространство мы можем только относительно находящихся в нем материальных объектов, то есть только как относительное. Точно так же и время однородно, абсолютно, объективно течет независимо от того, измеряет его кто-либо в данный момент или нет. То есть время тоже абсолютно и объективно. Но ощущать, воспринимать, изучать время мы можем, только сравнивая длительности каких-либо событий, то есть тоже только как относительное. Так определил пространство и время Ньютон, и так их понимали в физике до Эйнштейна. Исходя из преобразований Галилея и данного определения пространства и времени, перемещение или скорость бильярдного шара относительно берега складывается из перемещений и скоростей шара относительно теплохода и теплохода относительно берега. То есть перемещение и скорость могут быть определены и измерены только относительно какого-то объекта. С механикой на этом пока остановимся.

Со вторым китом—светом люди знакомы и пытаются понять его природу на протяжении всей истории человечества. В древности считали, что глаз работает как радиолокатор. Затем стали считать, что все тела испускают мельчайшие частицы – корпускулы, которые, попадая в глаз, вызывают изображение предмета. Затем в природе света обнаружили волновые свойства. Первым волновую теорию света сформулировал в 1678 году Гюйгенс. Несколько позже Ньютон, взвесив все факторы за и против, обосновал корпускулярную теорию света. Одним из основных факторов, повлиявших на выбор Ньютона, было отсутствие в то время данных о дифракции света. И хотя, вскоре после этого, дифракция света была обнаружена, корпускулярная теория, опираясь на авторитет Ньютона, прогосподствовала в физике около 100 лет.

В 1727 году Брэдли обнаружил, что звезда, находящаяся в зените, описывает в течение года на небе окружность. Это явление назвали аберрацией света. Будучи сторонником корпускулярной теории света Брэдли объяснил это явление следующим образом. Человек, бегающий по кругу под отвесным дождем, вынужден, для защиты от капель дождя, наклонять зонт несколько вперед, так как капли дождя относительно его падают на Землю под углом. Угол наклона зонта определяется скоростью падения капель на Землю и линейной скоростью человека по кругу. Точно так же и астроном, двигающийся вместе с Землей по ее орбите, обязан наклонять телескоп вперед, чтобы корпускулы света, вошедшие в объектив, пройдя по его оптической оси, попали на окуляр (см. рис. 2).

Если бы Земля вместе с астрономом и телескопом в пространстве покоились, то корпускулы луча 1 параллельного потока света от звезды



Рис. 2. Аберрация света.


(рис.2а) попав в объектив телескопа продолжали бы двигаться в нем вертикально вниз со скоростью света в телескопе Ст. В этом случае телескоп все время был бы направлен вертикально вверх. Наш астроном наблюдал бы звезду в зените через луч 1, и никакой аберрации не было бы. Но Земля, относительно окружающего ее пространства и распространяющегося в нем потока света, движется по своей орбите со скоростью Vз = 30 км/с. Поэтому телескоп должен быть направлен под таким углом, чтобы время прохождения корпускулами света отрезка BD внутри телескопа равнялось времени прохождения окуляром отрезка AD (рис. 2б). Это условие, как видно из рис. 2б будет выполняться если ∆α ≈ tg ∆α = Vз/Ст. То есть угол наклона телескопа определяется скоростью корпускул света в телескопе и скоростью Земли относительно окружающего ее пространства. Из-за этого наклона телескопа кажущееся изображение звезды и описывает на небе окружность. Волновая теория света смогла объяснить аберрацию только через 70 лет.

Таким образом, возникнув примерно в одно время, корпускулярная и волновая теории света с переменным успехом ведут борьбу на протяжении всего последующего времени. Одни свойства света как, например аберрацию сразу объяснили корпускулярной теорией света, другие как, например, интерференцию—волновой. А вот преломление света корпускулярная теория объяснила увеличением скорости света, при переходе в более плотную среду, а волновая—уменьшением. А так как в то время скорости света в различных средах еще не были известны, вопрос о правильности той или иной теории оставался открытым.

Первым с обоснованной критикой корпускулярной теории света выступил в 1799 году Юнг. Аберрацию, с позиции волновой теории и при не увлекаемом эфире, он объяснил аналогично корпускулярной теории света (рис. 2). По его объяснению, если бы эфир двигался вместе с увлекающей его Землей со скоростью Vз, то астроном наблюдал бы звезду через луч 1 (рис. 2а). Но поток лучей света 1, 2, 3 распространяется в неподвижном эфире. И пока волновой фронт света, вошедший в объектив, двигаясь вертикально вниз, пройдет расстояние BD, окуляр, двигаясь по горизонтали, должен пройти расстояние AD. Для этого телескоп должен быть наклонен под тем же углом ∆α, и наш астроном увидит звезду через луч 3 (рис. 2 б). Угол наклона телескопа здесь также определяется скоростью телескопа вместе с Землей по ее орбите и скоростью световой волны в телескопе. Несколько позже Юнг сформулировал принцип интерференции, а в 1817 году высказал идею о поперечности световых волн. Это было очень смелое предположение, так как в то время о поперечных волнах еще ничего не было известно. Убедительную победу волновая теория света одержала на Парижском конкурсе в 1818 году. С отличным докладом по волновой теории

света на нем выступил Френель. Член конкурсной комиссии Пуассон с сарказмом обратил внимание присутствующих на нелепый по его мнению вывод Френеля, объясняющего дифракцию: что в центре тени от круглого диска обязательно должно находится светлое пятно. В ответ Френель тут же продемонстрировал опыт со светлым пятном. Так постепенно, шаг за шагом, докапываясь до сути различных проявлений света и объясняя их физический смысл, наука о свете двигалась к истине.

Что касается скорости света, то в начале ее считали бесконечной. Первым экспериментально определить скорость света попытался Галилей. Два сигнальщика на противоположных берегах озера, открывая и закрывая фонари, пытались засечь время прохождения светом от одного сигнальщика до другого и обратно. Но из этой затеи, конечно, ничего не вышло, из-за слишком больших погрешностей измерений. Первым скорость света определил в 1676 году Ремер из астрономических наблюдений (рис.3).

При положении Юпитера в точке А, а Земли в точке I их орбит, Ремер составил точное расписание затмений спутника Юпитера Ио. Через несколько месяцев Ремер заметил, что затмения Ио стали все больше и больше отставать от расписания. Ремер объяснил это явление следующим образом. Через пол года Земля находится на противоположной стороне своей орбиты в точке III. Юпитер же, год которого равен 12 земным годам, сдвинется за это время незначительно. Поэтому путь, проходимый светом от Ио до Земли, увеличится на диаметр земной орбиты. Разделив диаметр земной орбиты на наибольшее запаздывание затмения Ио от расписания, Ремер получил скорость света в 225 т. км/с. Уточненные впоследствии диаметр земной орбиты и время запаздывания затмения Ио дали скорость света в 300 т. км/с. В 1850 году Фуко следующим образом измерил скорость света в воздухе и в воде. Он пропускал луч света в просвет между зубьями быстро вращающейся шестерни. На определенном расстоянии от шестерни




Рис. 3.


луч отражался зеркалом, возвращался к шестерне и проходил через подошедший к этому времени просвет между зубьями. Время прохождения лучом света от шестерни до отражающего зеркала и обратно определялось временем поворота шестерни на угол между просветами, пропустившими луч света туда и обратно. Ставя на пути луча света емкость с водой, Фуко определил скорость света и в воде. Скорость света в воде оказалась в 1,33 раза меньше скорости света в воздухе. Это еще раз подтвердило справедливость волновой теории света.

В 1864 году Максвелл, обобщив известные к тому времени из работ Кулона, Ампера, Фарадея законы взаимодействия движущихся электрических зарядов через созданные ими электрические и магнитные поля, открыл уравнения электродинамики, которые назвали его именем. Причем, именно открыл, так как описываемые ими законы являются обобщением экспериментальных данных, и их нельзя вывести теоретически. Эти уравнения являются постулатами электродинамики, как законы Ньютона в механике. В интегральной форме уравнения Максвелла имеют следующий вид: I. ∫ E d l = ─∫ ∂B/∂t ∙ d S

II. ∫ B d S = 0

III. ∫ H d l = ∫ (j + ∂D\∂t) · d S

IV. ∫ D d S = ∫ ρ d V

Первое уравнение говорит о том, что циркуляция вектора напряженности электрического поля Е по замкнутому контуру равна скорости изменения суммарного магнитного потока через любую поверхность, натянутую на этот контур. Второе уравнение гласит, что магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. Оно отражает тот факт, что в природе не существует магнитных зарядов аналогичных электрическим. Третье уравнение утверждает, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по замкнутому контуру равна сумме всех токов, проходящих через любую поверхность, натянутую на этот контур. Четвертое уравнение показывает, что поток вектора смещения электрического поля D через любую замкнутую поверхность равен сумме всех электрических зарядов, находящихся в объеме ограниченном данной поверхностью.

Проанализировав свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что любое возмущение электрического поля не может оставаться на месте, а распространяется в пространстве в виде волны, аналогично волне от брошенного в воду камня, или звуковым волнам в воздухе. Кроме того, электрическое поле не может колебаться само по себе. Его колебание обязательно вызывает колебание магнитного поля, а колебание магнитного поля вызывает колебание электрического поля. Поэтому, подстегивая друг друга, электрическая и магнитная волны распространяются в пространстве в виде единой электромагнитной волны. Так Максвелл, исходя из своих уравнений, предсказал электромагнитные волны за двадцать с лишним лет, до их обнаружения в природе Герцем. Затем, из своих же уравнений Максвелл вывел дифференциальное волновое уравнение второго порядка

∂2φ/∂x2─1/c·∂2φ/∂t2 = 0; где φ—любой параметр электромагнитного поля, с—скорость распространения волны в пространстве. Решение этого уравнения имеет следующий вид: Е=Е0cos ω(t─x/c) или Е=Е0cos 2π(t/T─x/λ). Из этих уравнений видно, что они описывают распространение колебаний электромагнитного поля в пространстве с длиной волны λ и во времени с периодом Т. Вычислив из этих уравнений скорость распространения электромагнитной волны, Максвелл обнаружил, что она равна скорости света. Из этого сделали вывод, что свет это тоже электромагнитная волна. С этого момента оптика становится частью электродинамики.

Но здесь на фоне всеобщей эйфории от значительных успехов в изучении света и в электродинамике вдруг обнаружилось, что уравнения Максвелла, выведенное из них волновое уравнение и его решение не инвариантны преобразованиям Галилея. Научная общественность в шоке. Как же так, на протяжении сотен лет все уравнения движения были инвариантны преобразованиям Галилея, а уравнение распространения электромагнитной волны нет. Первым делом стали грешить на молодые уравнения Максвелла. Пробовали их переделать (Лоренц), подправить и подогнать под инвариантность преобразованиям Галилея (Герц), но ничего не получалось. Да и точность, с которой из этих уравнений была получена скорость света, указывала на их верность. Но и преобразования Галилея выдержали к этому моменту проверку временем в 200 лет. Таким образом, не инвариантность уравнений Максвелла преобразованиям Галилея явилась первым звонком о начале кризиса в классической теории физики. Как вышли из этого положения, и как, по нашему мнению, следовало выходить, мы узнаем несколько позже. А пока вернемся к волновой теории света.

Если свет это волна, то, по аналогии с волнами на воде и звуковыми волнами в воздухе, должна существовать какая-то материальная среда, в которой, из-за колебаний ее частиц возле равновесного состояния, будет распространяться световая волна. Эту предполагаемую среду назвали эфиром. Но свет приходит к нам из далеких глубин космоса и проникает сквозь прозрачные тела, а электромагнитные волны и сквозь непрозрачные. Поэтому предположили, что эфир—это самостоятельная ни от чего не зависящая неподвижная всепроникающая среда и заполняет собой не только все космическое пространство, но и все пространство внутри любого вещества. То есть эфир является той материальной средой, с которой можно связать абсолютно неподвижную систему координат. Так в теории света появился эфир, отождествляемый с абсолютным мировым пространством и являющийся самостоятельной ни от чего независящей абсолютно неподвижной материальной средой. Для объяснения разнообразных проявлений света, эфиру пришлось приписывать различные противоестественные свойства. Так, например, после открытия поляризации света и обнаружения, что два луча света, поляризованные во взаимно-перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют, идея Юнга о поперечности световых волн стала общепризнанной. Но поперечные волны распространяются только в твердых телах, способных оказывать сопротивление сдвигу. Поэтому эфиру пришлось приписывать свойство твердой среды. Скорость распространения поперечной волны в любой среде: V=√G/ρ; где G—модуль упругости среды, а ρ—плотность этой среды.

Из-за огромной скорости света эфиру пришлось приписывать очень большой модуль сдвига и чрезвычайно малую плотность, что невозможно совместить в одном веществе. Кроме того, было непонятно: как в веществе, оказывающем огромное сопротивление сдвигу, могут бесконечно двигаться звезды, планеты и их спутники. Проводили аналогию эфира даже со смолой, которая, как и эфир - небесные тела, медленно пропускает сквозь себя положенный на нее груз. Камертон же сделанный из смолы звучит. В этом усматривалась аналогия с распространением электромагнитных волн в эфире. Данный пример приведен, чтобы показать: с какими трудностями приходилось сталкиваться при принятии концепции эфира. После открытия Максвеллом уравнений электродинамики, и объяснения на их основе механизма распространения электромагнитных волн, за счет взаимного подстегивания друг друга электрическими и магнитными возмущениями, подобные вопросы с повестки дня были сняты.

Таким образом, после принятия волновой теории света, эфир стали понимать как самостоятельную ни от чего не зависящую объективно существующую абсолютно неподвижную материальную среду. В этой среде, пронизывая ее и пропуская сквозь себя, движутся по своим орбитам и со своими скоростями все небесные тела. В этой же среде со скоростью С = 300 т. км/с распространяются электромагнитные волны, за счет колебания ее частиц возле своего равновесного состояния. Получалось, что скорость распространения световой волны в эфире относительно Земли будет С+Vз, если Земля движется на встречу световой волне, и С─Vз, если Земля убегает от световой волны. Таким образом, экспериментально определив скорость света относительно Земли и отняв от нее скорость света относительно эфира С = 300 т. км/с, можно получить скорость Земли относительно эфира. Но это все равно, что скорость эфира относительно Земли, то есть эфирный ветер. Кроме того, это была бы абсолютная скорость Земли относительно мирового пространства. Так представилась заманчивая возможность определить абсолютную скорость Земли в мировом пространстве. Обнаружение эфирного ветра явилось бы также экспериментальным доказательством существования эфира в природе. Эпопея поиска эфира и эфирного ветра, начатая практически сразу после выдвижения волновой теории света более 300 лет назад и продолжающаяся до настоящего времени, по драматизму и длительности может быть сравнима с эпопеей поиска доказательства теоремы Ферма. Теорема Ферма уже 10 лет как доказана, а эфир до сих пор не обнаружен. Особенно остро вопрос по обнаружению эфира и эфирного ветра стоял во второй половине XIX и начале XX веков. Перечислять все попытки обнаружения эфирного ветра нет необходимости. Рассмотрим лишь некоторые из них.

Определение угла аберрации Брэдли в 1727 году явилось, по существу, первой попыткой определить скорость Земли относительно окружающего ее эфира. Так как, исходя из известной скорости света и измеренного угла аберрации, можно найти скорость Земли относительно неподвижного эфира. Здесь необходимо отметить, что сам по себе угол аберрации в прямолинейном движении обнаружить невозможно. Обнаружена же была разница в наклонах телескопа, при движении Земли по своей орбите в одном направлении и в обратном через пол года. А так как была измерена годовая аберрация, то и получена была скорость Земли относительно эфира в ее годичном вращении вокруг Солнца. Забегая вперед, отметим, что обнаружение эфирного ветра по углу аберрации явилось единственным, давшим положительный результат, из бесконечной череды последующих экспериментов по обнаружению эфирного ветра.

В 1810 году Араго предпринял следующую попытку по обнаружению эфирного ветра (рис. 4).

Как уже говорилось, Земля движется по своей орбите в окружающем ее неподвижном эфире со скоростью Vз =30 км/с, а световая волна распространяется в этом же эфире со скоростью 300 т. км/с. Исходя из этого, скорость световой волны от наблюдаемой звезды относительно Земли, при положении ее в точке А, должна быть С─Vз, а при положении в точке В С+Vз. Но от скорости света относительно телескопа зависят углы преломления его оптики. Поэтому фокусы изображения звезды, при наблюдениях за ней в точках А и В, должны лежать в разных плоскостях. Однако Араго этой разницы в своих наблюдениях не обнаружил. Из этого можно сделать вывод, что скорость света от наблюдаемой звезды относительно Земли на ее поверхности не зависит от того, движется Земля к звезде или от нее.



Рис. 4. Схема опыта Араго.


В 1879 году Максвелл высказал следующую идею по определению скорости всей солнечной системы относительно неподвижного эфира (рис. 3). При положениях Юпитера в точках А и В, по методу Ремера, описанному ранее, замеряется время прохождения светом диаметра земной орбиты. При положении Юпитера в точке В, свет от Ио, распространяясь в неподвижном эфире со скоростью С=300 тыс. км/с, догоняет убегающую от него со скоростью Vс орбиту Земли. Поэтому скорость распространения световой волны относительно орбиты Земли будет С─Vс. При положении Юпитера в точке А луч света от Ио распространяется на встречу движения всей солнечной системы. Поэтому скорость светового луча от Ио относительно орбиты Земли будет С+Vc. В результате этого время прохождения лучом света от Ио диаметра земной орбиты слева направо и наоборот, будет разное. Время прохождения лучом света диаметра земной орбиты составляет 16,5 минут (≈1000 с). Расчеты показывают, что если разница прохождения диаметра земной орбиты в этих противоположных направлениях составит 1 секунду, это будет соответствовать скорости солнечной системы относительно эфира в 150 км/с. Но за все время астрономических наблюдений никто этой разницы не обнаружил. Однако сам Максвелл, предлагая этот способ обнаружения скорости всей солнечной системы, высказал сомнения относительно возможности выловить столь малую разницу прохождения светом диаметра земной орбиты с интервалом в 6 лет. Но этот же метод можно применить сравнивая не время прохождения светом от Ио диаметра земной орбиты равное 1000 сек, а время полного оборота Ио вокруг Юпитера, которое равно 150 тыс. сек. Тогда если учесть, что Солнце движется по своей орбите со скоростью 250 км/с [15], то разница воспринимаемого на Земле месяца Ио, при положениях Юпитера в точках А и В (рис. 3) составит 250 сек. А эта разница в 250 сек, если бы она имела место, никак не могла бы остаться незамеченной. Но этой разницы за все время астрономических наблюдений тоже никто не обнаружил. Из этого можно сделать вывод, что скорость света в межпланетном пространстве во всех направлениях одинакова и не зависит от того, распространяется свет навстречу движущейся солнечной системе или догоняет ее.

Самый же знаменитый эксперимент по обнаружению эфирного ветра, за который Майкельсон получил Нобелевскую премию, был проведен им в 1881 году. Этот опыт в различных модификациях периодически многократно повторялся и повторяется до настоящего времени. Для проведения своего эксперимента Майкельсон изобрел интерферометр, схема которого представлена на рис. 5. В этом интерферометре луч света от источника Q делится полупрозрачным зеркалом А на два—взаимно перпендикулярных. Пройдя одинаковые расстояния, лучи света отражаются зеркалами В и С и возвращаются к полупрозрачному зеркалу А, которое направляет их на экран. Если интерферометр относительно окружающего его эфира неподвижен, то лучи света (волны), пройдя одинаковые взаимно перпендикулярные плечи прибора, попадают на экран в фазе. Во время испытания одно плечо прибора ориентируют в направлении движения Земли по ее орбите, другое—перпендикулярно. Интерферометр со скоростью U движется вместе с Землей в окружающем их неподвижном эфире. В этом же




Рис. 5. Схема опыта по обнаружению эфирного ветра Майкельсоном.


эфире со скоростью С распространяется световая волна. Исходя из этого, подсчитали, что время прохождения продольного плеча прибора АВ туда и обратно

t1+t2= 2 L/c где L—длина плеча интерферометра.

1─u2/c2

Время прохождения светом поперечного плеча прибора по зигзагу АС′A′ должно составить 2t3= 2 L/c .

√1─u2/c2

Получается, что время прохождения лучом света продольного плеча прибора туда и обратно несколько больше времени прохождения светом поперечного плеча. Поэтому два луча (волны) света попадают на экран со сдвигом фаз. В результате сложения этих волн на экране возникают интерференционные полосы. Затем интерферометр поворачивают на 90 градусов. Ориентации его плеч относительно движения Земли меняются на противоположные. Вследствие этого интерференционные полосы на экране должны передвинуться. По величине сдвига интерференционных полос намеревались судить об относительной скорости Земли и окружающего ее эфира, то есть о величине эфирного ветра. Однако интерференционные полосы на экране прибора во время его поворота остались неподвижны. Это означало, что скорость света относительно Земли на ее поверхности во всех направлениях одинакова и не зависит от направления и скорости движения Земли в окружающем ее эфире. Из этого следовало, что Земля в окружающем ее эфире покоится, и поэтому эфирный ветер отсутствует. Научная общественность снова в шоке. Как же так? Земля только вокруг Солнца движется со скоростью 30 км/с. А если учесть ее движение вместе с Солнцем в 250 км/с, а если еще вместе с галактикой? И все это, как тогда думали, относительно неподвижного эфира. А опыт Майкельсона этого движения не обнаруживает.

В 1887 году Майкельсон совместно с Морли значительно усовершенствовали интерферометр. Схема этого интерферометра представлена на рис. 6. За счет многократного отражения они на полутораметровой базе довели эффективную длину каждого плеча прибора до 11 метров. В результате этого точность прибора была повышена в 2,5 раза. Однако эфирный ветер снова обнаружен не был. Это можно было бы объяснить полным увлечением эфира движущейся землей у ее поверхности. Рассчитывая, что с ростом высоты увлечение эфира Землей уменьшается, Майкельсон и Морли провели эксперименты на разных высотах. Но результат везде был отрицательный. Получалось, что независимо от высоты движение Земли относительно эфира отсутствует. Можно было предположить, что Земля независимо от высоты полностью увлекает




Рис. 6. Схема опыта по обнаружению эфирного ветра Майкельсоном и Морли.


окружающий ее эфир. Но Физо, изучая в 1851 году распространение света в потоке воды, доказал, что эфир увлекается движущимся веществом незначительно. Отсутствие эфирного ветра в опыте Майкельсона—Морли было воспринято как второй (после не инвариантности уравнений Максвелла преобразованиям Галилея) звонок о кризисе в классической физике. Этот факт надо было как-то объяснять. Пробовали объяснить отсутствие эфирного ветра в опыте Майкельсона и частичным увлечением эфира Землей, и полным, и баллистической теорией Ритца, но это не спасало положение. В 1885 году Пуанкаре выдвинул гипотезу, что в природе существует закон конспирации, который не позволяет определить скорость материального объекта относительно эфира, что, как тогда считали, равносильно абсолютному пространству. В 1892 году Фицджеральд и Лоренц, пытаясь физически объяснить отсутствие эфирного ветра в опыте Майкельсона, предположили, что все тела сокращают свои размеры в направлении движения в отношении √1─u2/c2. Тогда для получения истинной длины продольного плеча интерферометра Майкельсона его надо умножить на √1─u2/c2 . После этого время прохождения светом продольного и поперечного плечей интерферометра будет одинаковым

2 L/c .

√1─u2/c2

И этим можно было бы объяснить отсутствие эфирного ветра в опыте Майкельсона—Морли. С точки зрения здравого смысла идея нелепая, но вот уж действительно любовь зла, и ее приняли, так как она объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона. Лоренц предположил, что сжатие любого тела в направлении движения происходит на всех уровнях, начиная с электронов и атомов, и вызывается электромагнитным взаимодействием их с эфиром. Он считал это сжатие так же естественным, как и температурное расширение вещества. Но в результате сжатия вещества в одном направлении, в нем должно возникнуть двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление в движущихся телах обнаружено не было, но с этим смирились.

Тем временем Лоренц, пытаясь найти способ перевода уравнений Максвелла из одной инерциальной системы координат в другую, в 1904 году эмпирическим путем нашел систему уравнений, которым уравнения Максвелла инвариантны. Эти уравнения назвали преобразованиями Лоренца. Ниже представлен простейший вид этих преобразований для случая, когда в начальный момент времени обе системы координат полностью совпадают, а дальнейшее их относительное движение со скоростью U происходит только по оси X:

x' = x-ut x = x' + ut

y' = y y = y'

z' = z z = z'

t – ux/c2 t' + ux'/c2

t' = t =

√1 - u2/c2 √1 - u2/c2


Преобразования Лоренца с удовлетворением были приняты, так как они обеспечивали основополагающий закон физики—принцип относительности. С этого момента физики получили возможность переводить уравнения Максвелла из одной инерциальной системы координат в другую. Так, с помощью преобразований Лоренца, вышли из кризисного состояния, в котором оказалась физика в результате не инвариантности уравнений Максвелла преобразованиям Галилея. А как следовало бы выходить из этого положения по-нашему мнению, мы узнаем несколько позже. Принятие преобразований Лоренца для уравнений Максвелла, в дополнение к признанию уменьшения продольных размеров движущихся тел, потребовало признать еще, что время в движущейся системе координат течет медленнее в отношении √1─u2/c2 .

Таким образом, классическая физика оказалась в глубоком кризисе из-за неспособности объяснить не инвариантность уравнений Максвелла преобразованиям Галилея и отсутствие эфирного ветра в многочисленных экспериментах по его обнаружению. Все ученые упорно искали выход из создавшегося положения, пытаясь найти физическое толкование указанным явлением. Эйнштейн же, не мудрствуя лукаво, все проблемы разрешил одним махом. Исходя из того, что эфир в многочисленных экспериментах по обнаружению эфирного ветра никак себя не выдал, Эйнштейн волевым решением исключает его из природы вообще, как нерадивого студента из института. А раз эфира нет, то не может быть и эфирного ветра, и никаких проблем! Так Эйнштейн почти за 30 лет предвосхитил сталинские методы руководства. Если раньше свет распространялся в эфире со скоростью С=300 т. км/с, то эту же скорость он имел относительно системы координат связанной с эфиром. То есть имелась одна привилегированная система координат, связанная с неподвижным эфиром. Скорость света во всех остальных системах отсчета складывалась из скорости света и скорости данной системы координат относительно эфира. Теперь эфира нет, значит, все системы координат относительно пустоты (то есть ничего) равноправны. Относительно чего же теперь будет распространяться со скоростью С=300 т. км/с световая волна? Вывод напрашивается сам собой. Очевидно, относительно системы координат, в которой эта волна порождена. Ну, хорошо. А какова же теперь будет скорость этой волны относительно других систем координат, которые движутся относительно первой в разных направлениях и с различными скоростями? Все системы координат теперь, в том числе и породившая световую волну, равноправны. Исходя из этого и из того, что скорость света в многочисленных экспериментах и в разных направлениях была одинакова, Эйнштейн делает вывод, что скорость света в пустоте в любой системе координат С=300 т. км/с, и не зависит от направления и скорости движения этой системы относительно системы координат, породившей световую волну. То есть Эйнштейн выдвигает постулат об абсолютности скорости света. Но скорость и перемещение могут быть только