Скорость света

Несмотря на некоторую сложность алгебраических выкладок, понять суть опыта Майкельсона— Морли чрезвычайно просто. Результат этого опыта можно объяснить, если выдвинуть предположение, что скорость светового импульса одна и та же — порядка 300 000 км/с — независимо от того, движемся ли мы или покоимся в процессе наблюдений.

Предположим, что мы осмысливаем опыт, предназначенный для определения скорости с точки зрения движущегося прибора. Рассмотрим, например, время распространения импульса, движущегося параллельно направлению движения прибора. Мы могли бы сказать, что при движении вперед скорость света равна с-v, а при обратном движении равна с+v. Тогда:

и, как и раньше,

Однако результат опыта Майкельсона—Морли можно объяснить, если считать, что:

Мы получили бы такое выражение, если бы считали, что скорость спета относительно движущегося прибора всегда равна с.

Пусть какой-нибудь наблюдатель, отдыхая в своем любимом кресле, попивая вино и слушая любимые пластинки, измеряет скорость светового импульса, пролетающего мимо него; он получает значение 300 000 км/с. Одновременно с ним другой наблюдатель, движущийся относительно первого со скоростью, близкой к скорости света, измеряет скорость того же импульса и получает то же значение 300 000 км/с (фиг. 22). Таким образом, и неподвижный наблюдатель, и наблюдатель, движущийся с большой скоростью, получают одно и то же значение для скорости светового импульса. (Бокал вина не является, конечно, причиной парадокса.)

Этот результат противоречит нашему житейскому опыту. Если, например, второй наблюдатель двигался бы со скоростью 200 000 км/с в том же направлении, что и световой импульс, мы бы ожидали, что для скорости света он получит значение 300 000 км/с — 200 000 км/с = 100 000 км/с. Если он двигался бы со скоростью света, то мы могли бы ожидать, что световой импульс будет казаться ему неподвижным, поскольку и наблюдатель, и импульс движутся с одинаковой скоростью¹⁾.

Из повседневного опыта мы знаем, что если глядеть из окна автомобиля, обгоняемого на шоссе другим автомобилем, то может показаться, что последний движется очень медленно, хотя оба автомобиля могут мчаться с огромной скоростью. Тем не менее справедливость именно этого повседневного восприятия теперь отвергается. Световой импульс с точки зрения наблюдателя, едущего в быстро движущемся автомобиле, распространяется с той же скоростью 300 000 км/с, что и с точки зрения человека, сидящего на обочине шоссе. Это довольно странная идея, и, если бы не результаты многочисленных наблюдений, проводившихся в течение девятнадцатого века, мы вряд ли приняли бы ее. Тем не менее мы не можем похвастаться опытом непосредственного ощущении скоростей, близких к скорости света, а ревизия понятий расстояния и времени, которую мы вынуждены предпринять, становится существенной лишь при таких скоростях.

1) Эйнштейн говорил, что именно этот пример привел сто к изучению всей проблемы в целом. Дело в том, что неподвижный импульс не может быть решением уравнений Максвелла.

При измерении расстояний мы предполагали, что существуют абсолютно твердые стержни, на которых можно отметить стандартную длину, и что эта длина остается неизменной, когда стержень переносится в другое положение или, когда изменяется его ориентация в пространстве. Предполагалось, что длина сохраняется также и с течением времени (при каких-то разумных ограничениях). Все это не что иное, как предположения о свойствах мира. Мы хорошо знаем, что стержни вовсе не обязаны сохранять свою длину; с течением времени они могут удлиняться или сокращаться. В мире, где нет твердых тел, понятие твердого стержня вообще может отсутствовать. Или, если бы наш мир был подобен упоминавшийся ранее резиновой пленке, все время скручивающейся, расширяющейся и сжимающейся, понятие расстояния оказалось бы практически бессмысленным.

Среди прочих предположений мы считали, что длина стержня не изменяется, когда он перемещается относительно нас. Именно это предположение мы вынуждены теперь отвергнуть. Вместе с ним мы откажемся от соглашения, что «отрезок длины» не зависит от того, измеряем ли мы его в неподвижной или движущейся системе отсчета. Мы откажемся от этого соглашения не потому, что оно ошибочно, а просто ввиду того, что в мире, где все твердые тела (включая и те, что мы называем линейками) сокращаются в направлении движения, оно становится неудобным. Перед нами встанет дилемма: либо считать, что длина сохраняется, а линейка сокращается, либо полагать (такой выбор окажется более удобным для упорядочения нашего опыта), что сама длина уменьшается в движущейся системе.

То же относится и к новым представлениям о времени. Ничто другое не дается нам с таким трудом. Мы всасываем с материнским молоком представление о времени, текущем равномерно и непрерывно, одинаково для всех. Поэтому идея о том, что в одной системе время одно, а в другой, движущейся относительно первой, — иное, выглядит явно абсурдной. Но тогда, если мы по-прежнему настаиваем на абсолютном времени, определенном в некоторой системе отсчета, то наблюдатель, движущийся относительно этой системы, будет склонен заключить, что в его системе все физические процессы — биение сердца, химические процессы, все ритмические движения, включая ход часов, — необъяснимым образом замедлились. Внутри движущейся системы имеют значение лишь соотношения между различными ритмическими процессами. (Если сердце станет биться реже, но часы тоже замедлят ход, организм по этим часам проживет такое же время.) Ввиду этого возникает большое искушение ввести новое определение промежутка времени для движущейся системы.