Предшественники Эйнштейна

В сознании многих граждан в 1905 году из ниоткуда возник некто Альберт Эйнштейн и провозгласил своё коронное: "Всё относительно!" - и все физики внезапно сказали: "Есть!"

Те же, кто считают себя более эрудированными, могут также сказать о том, что до Эйнштейна были Майкельсон с примкнувшим к нему Морли, чей опыт стал экспериментальной основой второго постулата Эйнштейна.

Однако многие люди даже и не подозревают, что история эта продолжалась намного больше, а вовлечено в неё было немало людей. Задолго до появления теории относительности учёные наблюдали различные релятивистские эффекты. Наблюдали - и не могли объяснить. История теории относительности - это не простая случайность или чья-то искусственная прихоть. Это история столетий наблюдений, требующих разумного толкования в рамках единой концепции.

Теория Эйнштейна не возникла из ниоткуда и не была каким-то невероятным изобретением лично Эйнштейна. К тому моменту она буквально витала в воздухе, это было именно то, до чего целый ряд учёных уже давно додумался, но все боялись сделать последний шаг и произнести заветные слова вслух. Более того, если бы даже молодой выдающийся не слишком известный физик и не написал ту самую знаменитую статью, то её бы написал кто-нибудь ещё. Чуть раньше или чуть позже - не так важно. Например, практически такую же теорию предложил математик и физик Анри Пуанкаре.

Рассмотрим вкратце, как учёные пришли к такому важному и нетривиальному выводу.

Конечность скорости света. Олаф Рёмер, 1676 г.

Когда-то было неочевиден даже такой знакомый всем нам с детства факт, что скорость света является конечной. В конце концов, наши чувства нам подсказывают, что если зажечь источник света (например, морской маяк), то вне зависимости от расстояния до него свет мы видим сразу.

В 1676 году датский астроном Олаф (Оле) Рёмер обнаружил, что время затмений спутников Юпитера зависит от позиции Земли при годичном движении вокруг Солнца. Если бы свет распространялся мгновенно, то этого бы не наблюдалось. Рёмер сделал вывод, что свет распространяется с некоторой скоростью и достигает Земли не сразу. Он также рассчитал эту скорость на основе наблюденений. По его вычислениям, она составляет 220000 км/с, что несколько меньше реальной, но для XVII века вычисление скорости света даже с такой огромной погрешностью было невероятным результатом.

Конечность скорости света была первым важным шагом в цепи многочисленных наблюдений, из которых и родилась теория относительности.

Наблюдения спутника Юпитера (B) Ио (C, D) из точек F, G, H, K, L. Рисунок из статьи Рёмера.

Звёздная аберрация. Джеймс Бредли, 1727 г.

Так как Земля обращается вокруг Солнца и постоянно находится в движении, то наблюдаемое положение звёзд на небосводе должно быть слегка неодинаково в разное время года. Собственно, этот эффект (годичная звёздная аберрация) ожидаемо является одним из свидетельств обращения Земли вокруг Солнца.

Аберрацию наблюдали и до Брэдли, например, с ней сталкивались Жан Пикар (1680), Джон Фламстид (1689), Роберт Гук (1674). Её даже пытались объяснять, например, атмосферной рефракцией, то есть эффектами, добавляемыми воздухом уже на Земле. Но именно Брэдли дал первое правдоподобное объяснение и провёл опыт по наблюдению аберрации звезды в зените (чтобы исключить то самое влияние рефракции) специально сконструированным для этой цели телескопом. В опыте Брэдли наблюдаемое положение звезды в зените менялось в пределах 30 угловых секунд (примерно 0.0083 градуса).

Согласно Брэдли, скорость света складывается со скоростью наблюдателя (движущегося вокруг Солнца), что и приводит к тому, что наблюдаемая картина при движении планеты искажается. Фактически это проявление идеи "эфирного ветра", "дующего" в движущейся системе отсчёта.

Аберрацию в том виде, в каком её предполагал Бредли, можно сравнить с эффектом дождя, падающего на движущегося человека с зонтом.

Обнаружение аберрации - дело хорошее. Но дальнейшее её изучение вскрыло целый ряд проблем.

Первая проблема оказалась в том, что подобная же аберрация должна наблюдаться и для источников света на Земле, а этого никак не наблюдается, что весьма странно.

Ещё одна проблема заключается в том, что объяснение Брэдли не учитывало собственное движение звёзд (собственно, науке его времени это ещё не было достоверно известно). А ведь они движутся со скоростями, которые намного превосходят скорость движения самой Земли, причём в разных направлениях. Влияние их движения на аберрацию должно быть намного выше, чем влияние "медленного" (по меркам многих звёзд) земного движения, также оно должно быть разнообразным, то есть величина аберрации должна различаться для разных звёзд. Но на практике оказалось, что аберрация движущихся звёзд не зависит от их скорости. Этот парадокс неразрешим в рамках классической физики.

Между прочим, изначальной целью Брэдли являлось измерение скорости света. Он получил примерно 301 тыс. км/с, что заметно точнее, чем полученное Рёмером значение.

Теория относительности дала наиболее простое и ясное объяснение единообразию наблюдаемого эффекта аберрации от неодинаково движущихся звёзд. Так как скорость света не зависит от движения источника света, то и движение звёзд не оказывает на аберрацию никакого влияния.

200 лет поисков причины аберрации увенчались созданием теории относительности.

Опыты Доминика Араго, 1810 г. Концепция Огюстена Френеля.

Следующий исследователь также поставил эксперимент, в котором годичное обращение Земли вокруг Солнца должно было бы давать изменяющийся в зависимости от сезона результат.

Араго исследовал преломление света в призме, установленной перед телескопом. В соответствии с бытовавшими тогда представлениями, скорость света в движущейся со скоростью v среде равна c/n-v относительно скорости "неподвижного эфира", где n - показатель преломления. Если бы скорость света складывалась со скоростью движения Земли, то в разное время года наблюдение преломления в призме различалось бы на величину порядка n(n-1)v/c. Но, к своему удивлению, Араго наблюдал только уже известное явление аберрации, а различия в наблюдениях в разное время года не превышали одной угловой секунды и вписывались в измерительную погрешность эксперимента.

Результаты опытов Араго попытался объяснить его друг Огюстен Френель. Согласно выдвинутой им теории, движущееся вещество (в данном случае стекло призмы) частично (не полностью) увлекает эфир, в результате "плотность эфира" в веществе повышается. Увлекается эфир со скоростью, равной (1-1/n^2)v, где v - скорость вещества, n - его коэффициент преломления. Выражение 1-1/n^2 в оптике называют коэффициентом увлечения Френеля.

В принципе, идея позволила объяснить результат опыта Араго, как будто бы среда частично нейтрализует влияние "эфирного ветра" за счёт увлечения эфира. Но тут возникла другая проблема: коэффициент преломления воздуха близок к единице, а коэффициент Френеля, соответственно, близок к нулю (то есть "увлечения эфира" практически не должно происходить), не говоря уже о вакууме (отсутствует вещество как таковое), так что на движении света в воздухе и тем более в безвоздушном пространстве должно наблюдаться чистое влияние "эфирного ветра" безо всякого "увлечения". Но это не наблюдается на практике.

Ещё одна проблема теории Френеля связана с тем, что скорость света в среде различна для разной длины волны (так называемая хроматическая дисперсия, это явление в его время уже было известно), но в его концепции эфир увлекается всегда одинаково. В принципе это, наверное, даже можно было бы как-то решить, дополнив формулу Френеля показателем, зависящим от длины волны, но факт остаётся фактом - формула Френеля оказалась сама по себе недостаточно точной.

Есть ещё одна проблема уже число идейного характера. Влияние увлечения эфира в точности компенсирует "эфирный ветер", вне зависимости от исходящих условий. Непонятно, почему призма другого размера или другой угол наклона телескопа не изменяют взаимно компенсирующей идентичности обоих эффектов, хотя они никак друг с другом не связаны.

Несмотря на всё это, концепция Френеля в силу своей простоты и вычислительной компактности по-прежнему используется в современной оптике. Тут главное не забывать учитывать ограниченную применимость этой концепции и не использовать её в ситуациях, в которых она не работает.

С точки зрения теории относительности ничего удивительного в наблюдаемом Араго эффекте, конечно же, нет, а формула Френеля, между прочим, является частным случаем и аппроксимацией релятивистской формулы сложения скоростей.

Опыт Джорджа Эйри, 1871-1872 гг.

Опыт Эйри похож на эксперимент Араго. Эйри повторил опыт Брэдли, заполнив 35 дюймов (87.5 см) Большого гринвичского телескопа водой. Ожидалось, что наличие воды за счёт френелевского увлечения эфира окажет влияние на аберрацию порядка 30 угловых секунд, в то время как реально наблюдаемое отклонение не превысило 1 угловой секунды и оказалось в пределах измерительной погрешности эксперимента. Увы, не удалось обнаружить никакого отклонения. В общем-то, результат, полученный Эйри, аналогичен результату, который наблюдал Араго.

Подобные опыты проводили и раньше, но результаты их были противоречивы, а точность измерений невысока, что не позволяло сделать убедительные выводы. Большой гринвичский телескоп позволил поставить эксперимент с более высоким уровнем измерительной точности, чем раньше, и намного лучше подтвердить отсутствие влияния проводящей свет среды на аберрацию.

Разумеется, в рамках ТО парадоксальный результат опыта Эйри выглядит вполне закономерно.

Опыты Ипполита Физо, 1851 г.

Нам может показаться странным, что процесс поиска истины был таким долгим, между знаковыми опытами проходили десятки и сотни лет. Но всё дело в том, что мы напрасно считаем, будто бы всё было так просто и очевидно. Так, например, длительное время учёные достаточно смутно представляли себе состав и структуру земной атмосферы. А если, например, где-то там вверху слои атмосферы обладают некими пока неизвестными удивительными свойствами, что полностью увлекают эфир, благодаря чему мы и наблюдаем разницу между наблюдениями света в пределах Земли и наблюдениями света звёзд? Вы совершенно зря смеётесь, такие идеи действительно предлагались.

Тем самым особенно ценными оказались опыты, в которых парадоксальные результаты обнаруживались непосредственно тут, на нашей планете.

Физо изучал, как изменяется скорость света, направленного по течению жидкости и наоборот. В его установке свет проходит через трубку с водой, движущейся со скоростью 7 м/с.

Физо наблюдал интерференцию света, проходящего через трубку в виде узких пучков света в противоположных направлениях.

Ожидалось, что скорость света будет складываться со скоростью течения жидкости, но на практике оказалось, что измеренная скорость отличалась от скорости света в неподвижной жидкости лишь примерно на 23% скорости жидкости. Что довольно близко к коэффициенту Френеля (около 0.216 для данного опыта) и, следовательно, вполне могло бы объясняться с помощью френелевской концепции частичного увлечения эфира.

Как нетрудно догадаться, френелевское увлечение эфира и в данном случае является приближением релятивистской формулы сложения скоростей.

Эксперимент Физо был важной вехой в изучении природы света, связанной с использованием явления интерференции. После него многие подобные опыты заключались в изучении эффектов с помощью интерферометров самой разной конструкции.

Эксперимент Майкельсона-Морли, 1887 г.

Наконец, настало время краеугольного эксперимента, который продемонстрировал независимость скорости света от скорости источника света и тем самым поставил физиков перед необходимостью разрешить противоречие между идеей "светоносного эфира" и результатами фактических наблюдений.

Майкельсон разработал схему уникального высокоточного интерферометра, ныне носящего его имя. В нём луч света разделялся на два, один из которых двигался вдоль движения Земли вокруг Солнца, а другой - поперёк.

Принципиальная схема интерферометра:

Для повышения точности и минимизации различных возможных побочных эффектов Майкельсон предпринял в конструкции множество специальных мер, которые и сделали его опыт таким уникальным на фоне аналогичных. Чтобы понять уровень сложности задачи, достаточно обратить внимание на то, что вся установка была размещена на горизонтальном каменном столе, плавающем в ртути, и это ещё далеко не все предпринятые ухищрения!

Предполагалось, что из-за "эфирного ветра" скорость движения света вдоль и поперёк движения Земли вокруг Солнца будет различаться на величину, близкую к орбитальной скорости Земли (около 30 км/с). Так как коэффициент преломления воздуха близок к единице, то коэффициент Френеля практически равен нулю, и увлечения эфира происходить не должно.

На практике же оказалось, что величина "эфирного ветра" составляет не ожидаемые 30 км/с (скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца), а менее 1 км/с, что вписывалось в пределы измерительной погрешности эксперимента.

Эксперимент Майкельсона-Морли прямо продемонстрировал, что скорость света никак не зависит от скорости движения источника света. Этот факт стал основой второго постулата Эйнштейна. Отмечу, что это далеко не единственный подобный опыт, просто именно в нём эффект был впервые продемонстрирован с высокой точностью и очень убедительным результатом, который нельзя было списать на разного рода погрешности измерения и конструктивные недоработки.

Теория эфира Хендрика Лоренца, ок. 1895 г.

Практики в лице Майкельсона и Морли, а также других физиков-экспериментаторов сделали свой ход. Теперь настала очередь теоретиков, которым предлагалось найти общую логику в результатах натурных экспериментов.

До сих пор главная ошибка всех физиков, пытавшихся интерпретировать результаты экспериментов, была связана с "механистическим" представлением о некоем эфире, свойства которого аналогичны свойствам обычной медленно текущей жидкости или обычных медленно движущихся тел. В результате они сталкивались с различными парадоксами, против которых придумывали полумеры типа "частичного увлечения" Френеля, которые, объясняя одни случаи, давали сбой в других.

Лоренц придумал достаточно изящный способ обойти все предыдущие "механистические" взгляды на некий "эфир". По его мнению, все движения относительно неподвижного эфира сами по себе "искажаются", и в каждом из них есть своё "локальное время". Используя этот подход, Лоренц придумал альтернативные преобразованию Галилея формулы изменения пространства-времени, учитывающие скорость движения относительно эфира, в которых в качестве величины искажения присутствовали члены первого порядка отношения v/c. Так он пытался объяснить неудачи в обнаружении эфира для первых порядков v/c. Также он пробовал расширить свои формулы на другие порядки отношения v/c, но в его рассуждениях были некоторые ошибки, позже исправленные Анри Пуанкаре. Несмотря на то, что фактически мы теперь используем не формулы самого Лоренца, сам Пуанкаре и предложил называть формулы преобразования между системами отсчёта его именем (вполне заслуженно - это действительно была гениальная и невероятно смелая идея).

Лоренц считал свою идею "локального времени" своего рода математическим трюком, позволившим, тем не менее, численно объяснить и аберрацию, и эффект Доплера, и опыты Физо. Хотя Лоренц позже и усвоил формализм СТО, от концепции эфира он до конца жизни (1928 г.) так и не отказался, считая вопрос учёта или неучёта эфира делом вкуса. Как видите, даже он вынужден был согласиться, что эфир тут необязателен.

Независимо от Лоренца ирландский физик Джордж Фицджеральд в 1892 году предположил в похожую концепцию сокращения длины движущегося тела в направлении его движения. В настоящее время эффект сокращения длины часто называют сокращением Лоренца-Фицджеральда. Идеи, стоящие за теорией относительности, буквально витали в воздухе, их высказывали многие учёные, в том числе независимо друг от друга.

Теория Анри Пуанкаре, 1905 г.

Если бы на свете не было Эйнштейна (или если бы его работы в физике были написаны позже), то мы бы, вероятно, говорили бы сейчас о теории относительности Пуанкаре (рано или поздно, впрочем, всё равно отказавшись от идеи эфира). Пуанкаре нельзя назвать "предшественником", потому что он, по большому счёту, разработал свою теорию одновременно с Эйнштейном. Однако, как и Лоренц, он так и не отказался от понятия эфира, что делало его теоретические изыскания чересчур перегруженными посторонними понятиями. Поэтому физики предпочли более простую и законченную концепцию Эйнштейна.

По сути Пуанкаре предложил считать "локальное время" и другие релятивистские эффекты (типа сокращения длин) не абстрактными умозрительными конструкциями, а реальными физическими явлениями. Наш мир, как будто бы двигаясь относительно "неподвижного эфира", искажается. И каждая система отсчёта искажается по-своему, а преобразование любых двух искажённых систем отсчёта между собой имеет вид преобразования Лоренца. Правда, зачем во всей этой конструкции нужна идея "неискажённой системы" некоего "эфира", когда мы всегда имеем дело с "искажёнными" и всегда применяем между ними преобразование Лоренца, Пуанкаре обосновать так и не удалось. Поэтому современная физика предпочитает использовать концепцию Эйнштейна, а не Пуанкаре. Просто потому, что теория Эйнштейна проще и нагляднее.

Численно теория Пуанкаре от теории Эйнштейна не отличается. Такой же точно халат, но с перламутровыми пуговицами.

Заключение

Вопреки расхожему мнению, история появления теории относительности скрывает за собой не одно столетие поисков и наблюдений. Множественные странности, зафиксированные в различных опытах и теоретических построениях, долго не могли свести в единую конструкцию, в которой бы все они вкупе с обычной физикой "малых скоростей" являлись бы частными проявлениями общих законов. Такой конструкцией оказалась специальная теория относительности. Причём попытки её создать предпринимались и до Эйнштейна, но только он взял на себя смелость отказаться от поисков невнятного "эфира" и сформулировать теорию в виде законченных и самодостаточных постулатов.

Благодаря тому, что связанные с теорией относительности идеи буквально витали в воздухе и неоднократно озвучивались различными учёными, предложенная Эйнштейном теория так быстро была принята физиками всего мира.

Многие интересные эксперименты, подтверждающие теорию относительности, были поставлены уже после публикации Эйнштейна в 1905 году, поэтому мы их не рассматривали.

См. также:

100 фундаментальных экспериментов, на которые опирается современная физика: от Галилея до наших дней.
Филонович С.Р. Самая большая скорость.