Что такое теория относительности

Такую колоссальную скорость трудно постигнуть, поскольку в повседневной жизни нам приходится встречаться со скоростями, неизмеримо меньшими. Например, даже скорость советской космической ракеты достигает лишь 12 километров в секунду. Из всех тел, с которыми мы имеем дело, наиболее быстро перемещается Земля при своем обращении вокруг Солнца. Но и скорость Земли всего лишь 30 километров в секунду.

Можно ли изменить скорость света?

Сама по себе огромная скорость распространения света не является чем-то особенно удивительным. Поразительно то, что эта скорость отличается строгим постоянством.

Движение любого тела всегда можно искусственно замедлить или ускорить. Даже пули. Поставим на пути мчащейся пули ящик с песком. Пробив ящик, пуля потеряет часть скорости и полетит медленнее.

Совсем иначе обстоит дело со светом. В то время как скорость пули зависит от конструкции ружья и свойств пороха, скорость света одинакова при всех источниках света.

Поставим на пути луча стеклянную пластинку. Во время прохождения пластинки скорость света уменьшится, поскольку в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако, выйдя из пластинки, свет вновь пойдет со скоростью 300 000 километров в секунду!

Распространение света в пустоте, в отличие от всех других движений, обладает тем важнейшим свойством, что его нельзя замедлить или ускорить. Какие бы изменения ни претерпевал луч света в веществе, по выходе в пустоту он распространяется с прежней скоростью.

Свет и звук

В этом отношении распространение света похоже не на движение обычных тел, а на явление распространения звука. Звук есть колебательное движение той среды, в которой он распространяется. Поэтому его скорость определяется свойствами среды, а не свойствами звучащего тела: скорость звука, подобно скорости света, не может быть ни уменьшена, ни увеличена даже посредством пропускания звука через какие-нибудь тела.

Если, например, на пути его распространения поставить перегородку из металла, то, изменив свою скорость внутри этой перегородки, звук обретет первоначальную скорость, как только вновь вернется в первоначальную среду.

Поместим под колпак воздушного насоса электрическую лампочку и электрический звонок, а затем начнем выкачивать воздух. Звук звонка будет ослабляться, пока совсем не перестанет быть слышимым, лампочка же продолжает светить по-прежнему.

Этот опыт прямо показывает, что звук распространяется только в вещественной среде, свет же может распространяться и в пустоте.

В этом существенное между ними различие.

Принцип относительности движения кажется поколебленным

Колоссальная, но все же не бесконечная скорость света в пустоте и привела к конфликту с принципом относительности движения.

Представим себе поезд, движущийся с огромной скоростью — 240 000 километров в секунду. Пусть мы находимся в голове поезда, а в его хвосте зажигается лампочка. Поразмыслим над тем, каковы могут быть результаты измерения времени, необходимого свету, чтобы пройти от одного конца поезда до другого.

Это время, казалось бы, будет отличаться от того, которое мы получим в покоящемся поезде. В самом деле, относительно поезда, движущегося со скоростью 240 000 километров в секунду, свет должен бы иметь скорость (вперед по ходу поезда) всего лишь в 300 000–240 000 = 60 000 километров в секунду. Свет как бы догоняет убегающую от него переднюю стенку головного вагона. Если поместить лампочку в голове поезда и измерять время, необходимое свету, чтобы дойти до последнего вагона, то, казалось бы, скорость света в направлении, противоположном движению поезда, должна составить 240 000 + 300 000 = 540 000 километров в секунду. (Свет и хвостовой вагон идут навстречу друг другу.)

Итак, выходит, что в движущемся поезде свет должен был бы распространяться в разные стороны с различными скоростями, в то время как в поезде неподвижном скорость эта одинакова в обоих направлениях.

Совершенно иначе обстоит дело с пулей. Будем ли мы стрелять по направлению движения поезда или навстречу ему, скорость пули относительно стенок вагона будет всегда одной и той же — равной скорости полета пули в неподвижном поезде.

Дело в том, что скорость пули зависит от скорости, с которой движется ружье. Скорость же света, как мы уже сказали, не изменяется от изменений скорости перемещения лампочки.

Наше рассуждение, казалось бы, ясно показывает, что распространение света находится в резком противоречии с принципом относительности движения. В то время как пуля и в покоящемся и в движущемся поезде летит относительно стенок вагона с одинаковой скоростью, свет в поезде, движущемся со скоростью 240 000 километров в секунду, по-видимому, в одну сторону распространялся бы в пять раз медленнее, а в другую — в 1,8 раза быстрее, чем в поезде покоящемся.

Изучение распространения света должно, казалось бы, дать возможность установить абсолютную скорость движения поезда.

Возникает надежда: а нельзя ли, используя явление распространения света, установить понятие абсолютного покоя?

Лабораторию, в которой свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью 300 000 километров в секунду, мы сможем называть абсолютно покоящейся. Во всякой другой лаборатории, движущейся относительно нее прямолинейно и равномерно, скорость света должна была бы быть различной в различных направлениях. В таком случае не существует ни относительности движения, ни относительности скорости, ни относительности покоя, установленных нами выше.

Мировой эфир»

Как же понять такое положение вещей? В свое время, пользуясь аналогией между явлением распространения звука и света, физики ввели специальную среду, так называемый эфир, в котором свет распространялся таким же образом, как звук в воздухе. При этом предполагалось, что все тела при движении через эфир не увлекают его за собой, подобно тому, как перемещающаяся в воде клетка, сделанная из тонких прутьев, не увлекает воду.

Если наш поезд неподвижен относительно эфира, то свет будет распространяться по всем направлениям с одинаковой скоростью. Движение поезда относительно эфира сейчас же проявится в том, что скорость распространения света окажется различной для разных направлений.

Однако введение эфира — среды, колебания которой проявляются в виде света, — вызывает ряд недоуменных вопросов. В первую очередь сама гипотеза имеет явно искусственный характер. В самом деле, свойства воздуха мы можем изучать, не только наблюдая распространение в нем звука, но и привлекая самые разнообразные физические и химические методы исследования. Между тем эфир в большинстве явлений загадочным образом не участвовал. Плотность и давление воздуха доступны самым грубым измерениям. Все попытки узнать что-нибудь о плотности и давлении эфира ровно ни к чему не привели.