глава третя

ТРАГЕДІЯ СВІТУ

Світло поширюється не миттєво

Ми переконалися в наявності принципу відносності руху, в існуванні безлічі «покояться» лабораторій. В останніх закони руху тіл не відрізняються один від одного. Однак існує вид руху, на перший погляд такий, що суперечить встановленим вище принципом. Це - поширення світла.

Світло поширюється не миттєво, хоча і з величезною швидкістю - 300 000 кілометрів на секунду!

Таку колосальну швидкість важко осягнути, оскільки в повсякденному житті нам доводиться зустрічатися зі швидкостями, незмірно меншими. Наприклад, навіть швидкість радянської космічної ракети досягає лише 12 кілометрів в секунду. З усіх тіл, з якими ми маємо справу, найбільш швидко переміщається Земля при своєму зверненні навколо Сонця. Але і швидкість Землі всього лише 30 кілометрів в секунду.

Чи можна змінити швидкість світла?

Сама по собі величезна швидкість поширення світла не є чимось особливо дивовижним. Вражає те, що ця швидкість відрізняється строгим постійністю.

Рух будь-якого тіла завжди можна штучно сповільнити або прискорити. Навіть кулі. Поставимо на шляху мчащейся кулі ящик з піском. Пробивши ящик, куля втратить частину швидкості і полетить повільніше.

Зовсім інакше йде справа зі світлом. У той час як швидкість кулі залежить від конструкції рушниці і властивостей пороху, швидкість світла однакова при всіх джерелах світла.

Поставимо на шляху променя скляну пластинку. Під час проходження пластинки швидкість світла зменшиться, оскільки в склі вона менше, ніж в порожнечі. Однак, вийшовши з пластинки, світло знову піде зі швидкістю 300 000 км в секунду!

Поширення світла в порожнечі, на відміну від всіх інших рухів, володіє тим найважливішим властивістю, що його не можна уповільнити або прискорити. Які б зміни не зазнавав промінь світла в речовині, після виходу в порожнечу він поширюється з колишньою швидкістю.

Світло і звук

В цьому відношенні поширення світла схоже не на рух звичайних тіл, а на явище поширення звуку. Звук є коливальний рух того середовища, в якій він поширюється. Тому його швидкість визначається властивостями середовища, а не властивостями звучить тіла: швидкість звуку, подібно швидкості світла, не може бути ні зменшена, ні збільшена навіть за допомогою пропускання звуку через якісь тіла.

Якщо, наприклад, на шляху його поширення поставити перегородку з металу, то, змінивши свою швидкість всередині цієї перегородки, звук знайде початкову швидкість, як тільки знову повернеться до первісної середу.

Помістимо під ковпак повітряного насоса електричну лампочку і електричний дзвінок, а потім почнемо викачувати повітря. Звук дзвінка буде послаблюватися, поки зовсім не перестане бути чутним, лампочка ж продовжує світити і раніше.

Цей досвід прямо показує, що звук поширюється тільки в речовій середовищі, світло ж може поширюватися і в порожнечі.

У цьому істотна між ними відмінність.

Принцип відносності руху здається поколебленний

Колосальна, але все-таки не нескінченна швидкість світла в порожнечі і привела до конфлікту з принципом відносності руху.

Уявімо собі потяг, що рухається з величезною швидкістю - 240 000 км в секунду. Нехай ми знаходимося в голові поїзда, а в його хвості запалюється лампочка. Поміркуємо над тим, які можуть бути результати вимірювання часу, необхідного світла, щоб пройти від одного кінця поїзда до іншого.

Це час, здавалося б, буде відрізнятися від того, яке ми отримаємо в спочиваючому поїзді. Справді, щодо поїзда, що рухається зі швидкістю 240 000 кілометрів на секунду, світло повинне б мати швидкість (вперед по ходу поїзда) всього лише в 300 000-240 000 = 60 000 кілометрів в секунду. Світло як би наздоганяє тікає від нього передню стінку головного вагона. Якщо помістити лампочку в голові поїзда і вимірювати час, необхідний світлу, щоб дійти до останнього вагона, то, здавалося б, швидкість світла в напрямку, протилежному руху поїзда, повинна скласти 240 000 + 300 000 = 540 000 кілометрів на секунду. (Світло і хвостовій вагон йдуть назустріч один одному.)

Отже, виходить, що в рухомому потязі світло мав би поширюватися в різні боки з різними швидкостями, в той час як в поїзді нерухомому швидкість ця однакова в обох напрямках.

Зовсім інакше йде справа з кулею. Чи будемо ми стріляти по напрямку руху поїзда або назустріч йому, швидкість кулі відносно стінок вагона буде завжди однієї і тієї ж - рівною швидкості польоту кулі в нерухомому поїзді.

Справа в тому, що швидкість кулі залежить від швидкості, з якою рухається рушницю. Швидкість же світла, як ми вже сказали, не змінюється від змін швидкості переміщення лампочки.

Наше міркування, здавалося б, ясно показує, що поширення світла знаходиться в різкому протиріччі з принципом відносності руху. У той час як куля і в спочиваючому і в рухомому потязі летить щодо стінок вагона з однаковою швидкістю, світло в поїзді, що рухається зі швидкістю 240 000 км в секунду, мабуть, в одну сторону поширювався б в п'ять разів повільніше, а в іншу - в 1,8 рази швидше, ніж в поїзді спочиваючому.

Вивчення поширення світла має, здавалося б, дати можливість встановити абсолютну швидкість руху поїзда.

Виникає надія: а чи не можна, використовуючи явище поширення світла, встановити поняття абсолютного спокою?

Лабораторію, в якій світло поширюється в усі боки з однаковою швидкістю 300 000 км в секунду, ми зможемо називати абсолютно спочиває. У всякій іншій лабораторії, що рухається відносно неї прямолінійно і рівномірно, швидкість світла повинна була б бути різної в різних напрямках. В такому випадку не існує ні відносності руху, ні відносності швидкості, ні відносності спокою, встановлених нами вище.

Світовий ефір »

Як же зрозуміти такий стан речей? Свого часу, користуючись аналогією між явищем поширення звуку і світла, фізики ввели спеціальну середу, так званий ефір, в якому світло поширювався таким же чином, як звук в повітрі. При цьому передбачалося, що всі тіла при русі через ефір не захоплюють його за собою, подібно до того, як переміщається у воді клітина, зроблена з тонких прутів, не захоплює воду.

Якщо наш поїзд нерухомий щодо ефіру, то світло буде поширюватися в усіх напрямках з однаковою швидкістю. Рух поїзда щодо ефіру зараз же проявиться в тому, що швидкість поширення світла виявиться різною для різних напрямків.

Однак введення ефіру - середовища, коливання якої проявляються у вигляді світла, - викликає ряд незрозумілих питань. В першу чергу сама гіпотеза має явно штучний характер. Справді, властивості повітря ми можемо вивчати, як спостерігаючи поширення в ньому звуку, але і залучаючи найрізноманітніші фізичні і хімічні методи дослідження. Тим часом ефір в більшості явищ загадковим чином не брав участі. Щільність і тиск повітря доступні самим грубим вимірам. Всі спроби дізнатися що-небудь про щільність і тиск ефіру рівно ні до чого не привели.

Склалося досить безглузде становище.

Звичайно, будь-яке явище природи можна «пояснити» введенням спеціальної рідини, яка має необхідними властивостями. Але справжня теорія явища відрізняється від простого переказування відомих фактів вченими словами саме тим, що з неї випливає набагато більше, ніж дають самі факти, на яких вона ґрунтується. Наприклад, поняття атома широко увійшло в науку в зв'язку з питаннями хімії, проте уявлення про атомах дало можливість пояснити і передбачити величезну кількість явищ, ніякого відношення до хімії не мають.

Уявлення ж про ефір ми маємо право уподібнити поясненню, яке дав би дикун дії грамофона, припускаючи, що в цьому загадковому ящику укладено особливий «грамофонний дух».

Подібні «пояснення», зрозуміло, зовсім нічого не пояснюють.

У фізиків і до ефіру вже був сумний досвід в цьому ж роді: вони свого часу і явище горіння «пояснювали» властивостями особливої ​​рідини - флогістону, а теплові явища - властивостями іншої рідини - теплорода. До речі кажучи, обидві ці рідини, як і ефір, відрізнялися абсолютної невловимістю.

Створюється скрутне становище

Але найголовніше полягає в тому, що порушення принципу відносності руху світлом неминуче мало б привести до порушення принципу відносності руху і всіма іншими тілами.

Дійсно, адже будь-яке середовище чинить опір руху тел. Тому переміщення тіл в ефірі теж мало б бути пов'язано з тертям. Рух тіла мало б сповільнюватися, змінюючись в кінці кінців станом спокою. Тим часом Земля ось уже багато мільярдів років (за геологічними даними) обертається навколо Сонця і не помічено ніяких ознак її гальмування від тертя.

Таким чином, спробувавши пояснити дивну поведінку світла в рухомому потязі наявністю ефіру, ми зайшли в глухий кут. Подання про ефірі не знімає протиріччя між порушенням принципу відносності світлом і дотриманням його всіма іншими рухами.

Досвід повинен вирішити

Що робити з цим протиріччям? Перш ніж висловлювати ті чи інші міркування з цього приводу, звернемо увагу на таку обставину.

Протиріччя між поширенням світла і принципом відносності руху ми отримали виключно з міркувань.

Правда, повторюємо, це були дуже переконливі міркування. Але, обмежуючись одними міркуваннями, ми уподібнилися б деяким стародавнім філософам, які намагалися добувати закони природи з власної голови. При цьому неминуче виникає небезпека, що побудований таким чином світ при всіх своїх перевагах виявиться вельми мало схожим на дійсний.

Верховним суддею будь-якої фізичної теорії є досвід. А тому, не обмежуючись міркуваннями про те, як повинен поширюватися світло в рухомому потязі, слід звернутися до дослідів, які покажуть, як він поширюється в цих умовах насправді.

Постановка такого досвіду полегшується тим, що ми самі проживаємо на свідомо рухається тілі. Земля, обертаючись навколо Сонця, робить аж ніяк не прямолінійний рух і тому не може постійно лежати з точки зору якої б то не було спочиває лабораторії.

Якщо навіть взяти за вихідну таку лабораторію, по відношенню до якої Земля спочиває в січні, то оскільки напрямок руху Землі навколо Сонця змінюється, вона в липні буде напевно перебувати в русі. Тому, вивчаючи поширення світла на Землі, ми фактично вивчаємо поширення світла саме в рухомій лабораторії, до того ж з досить солідною для наших умов швидкістю - 30 кілометрів на секунду. (Обертанням Землі навколо осі, що призводить до швидкостей до півкілометра в секунду, можна знехтувати.)

Чи вправі ми, однак, уподібнити земну кулю рухається поїзду, про який йшлося вище і який завів нас у глухий кут? Адже потяг переміщається прямолінійно і рівномірно, а Земля - ​​по колу? Чи вправі. Цілком припустимо вважати, що за мізерну частку секунди, необхідну світла, щоб пройти через лабораторні прилади, Земля рухається прямолінійно і рівномірно. Помилка, що допускається при цьому, настільки мізерна, що не може бути виявлена.

Але раз ми порівняли поїзд і Землю, природно було б очікувати, що і на Землі, як і в нашому поїзді, світло буде вести себе так само дивно: в різні боки поширюватися з неоднаковою швидкістю.

Принцип відносності торжествує

Такий досвід і був проведений в 1881 році одним з найбільших експериментаторів минулого століття Майкельсоном, який з дуже високою точністю виміряв швидкість світла в різних напрямках відносно Землі. Щоб вловити очікувалася невелику різницю в швидкостях, Майкельсона довелося скористатися дуже тонкої експериментальної технікою і проявити в цьому відношенні величезну винахідливість. Точність досвіду була настільки велика, що можна було б виявити і набагато меншу різницю в швидкостях, ніж передбачалася.

Досвід Майкельсона, неодноразово з тих пір повторювався в самих різних умовах, привів до зовсім несподіваного результату. Поширення світла в рухомій лабораторії в дійсності виявилося протікає зовсім інакше, ніж це випливало з наших міркувань. А саме: Майкельсон виявив, що на рухомій Землі світло поширюється в усіх напрямках з абсолютно однаковою швидкістю. В цьому відношенні поширення світла відбувається так само, як і політ кулі, - незалежно від руху лабораторії, з однаковою швидкістю щодо її стін в усіх напрямках.

Таким чином, досвід Майкельсона показав, що явище поширення світла, на противагу нашим міркуванням, анітрохи не суперечить принципу відносності руху, а, навпаки, знаходиться в повному з ним згоді. Іншими словами, наші міркування на стор. 27-29 виявилися помилковими.

З вогню та в полум'я!

Отже, досвід звільнив нас від важкого протиріччя між законами поширення світла і принципом відносності руху. Протиріччя виявилося тільки удаваним, зобов'язаним, очевидно, помилковості наших міркувань. У чому ж, однак, полягає ця помилка?

Майже чверть століття, з 1881 по 1905 рік, фізики всього світу ламали голови над цим питанням, але все пропонувалися пояснення неминуче приводили все до нових і нових суперечностей між теорією і досвідом.

Якщо джерело звуку і спостерігач переміщаються в рухомій клітці, зробленої з тонких прутів, то цей спостерігач відчуває сильний вітер. Якщо вимірювати швидкість звуку по відношенню до клітки, то в бік руху вона буде менше, ніж у зворотному напрямку. Однак, поміщаючи джерело звуку і проводячи вимірювання швидкості звуку в вагоні з закритими дверима і вікнами, ми знайдемо, що оскільки повітря захоплюється разом з вагоном, швидкість звуку в ньому виявиться однаковою в усіх напрямках.

Переходячи від звуку до світла, можна було б для пояснення результату досвіду Майкельсона зробити наступне припущення. При своєму русі в просторі Земля не залишає ефір нерухомим, проходячи через нього подібно клітці з тонких прутів. Навпаки, припустимо, що вона захоплює ефір, складаючи з ним в своєму русі одне ціле. Тоді результат досвіду Майкельсона став би зовсім зрозумілий.

Але це припущення знаходиться в різкому протиріччі з великою кількістю інших дослідів, наприклад з поширенням світла в трубі, по якій рухається вода. Якби припущення про захоплення ефіру було вірним, то, вимірюючи швидкість світла в напрямку руху води, ми отримали б швидкість, рівну швидкості світла в нерухомій воді плюс швидкість руху води. Тим часом безпосереднє вимір дає швидкість меншу, ніж випливає з цього міркування.

Ми вже говорили про вкрай дивному становищі, коли тіла, проходячи через ефір, не відчувають помітного тертя. Але якщо вони не тільки проходять через ефір, а й захоплюють його за собою, то тертя у всякому разі повинно б стати значним!

Таким чином, всі спроби обійти протиріччя, що створилося після несподіваного результату досвіду Майкельсона, виявилися безуспішними.

Підведемо підсумки.

Досвід Майкельсона підтверджує принципи відносності руху не тільки для руху звичайних тіл, але і для явища поширення світла, тобто для всіх явищ природи.

Як ми бачили раніше, з принципу відносності руху безпосередньо випливає відносність швидкостей: значення швидкості повинні бути різними для різних рухомих один щодо одного лабораторій. Але, з іншого боку, швидкість світла - 300 000 кілометрів на секунду - виявляється в різних лабораторіях однаковою. Отже, вона не відносна, а абсолютна!