Розділ «3.2 Теорія відносності»

Виявляється, що дія, яка сповільнює, більша в тому випадку, коли пучок поширюється паралельно вітру. Якщо Земля рухається через море нерухомого ефіру, то повинен виникати ефірний вітер і прилад Майкельсона-Морлі повинен його зареєструвати. І справді, обидва вчених були впевнені, що вони зможуть не тільки виявити такий вітер, але і визначити (обертаючи плиту доти, поки не знайдуть таке положення, в якому різниця часу проходження світла в обох напрямках максимальна) у будь-який заданий момент точний напрямок руху Землі через ефір.

Слід зазначити, що прилад Майкельсона-Морлі не вимірював справжньої швидкості світла кожного з пучків. Обидва пучки після того, як вони робили потрібну кількість пробігів туди й назад, поєднувалися в єдиний пучок, який можна було спостерігати в невеликий телескоп. Прилад повільно обертався. Будь-яка зміна відносних швидкостей обох пучків викликала б зміну інтерференційної картини, що являла собою чергування світлих і темних смуг.

І знову Майкельсон був вражений і розчарований. Здивовані були і і усі фізики, які спостерігали за цим важливим дослідом. Незважаючи на те, що Майкельсон і Морлі повертали свій прилад, вони не помітили і сліду ефірного вітру! Ніколи раніше в історії науки негативний результат досліду не був настільки руйнівним і настільки плідним. Майкельсон знову вирішив, що його експеримент не вдався. Він ніколи не думав, що ця "невдача" зробить його дослід одним з найбільш значних, революційних експериментів в історії науки.

Пізніше Майкельсон і Морлі повторили свій дослід за допомогою ще більш досконалого прилада. Інші фізики зробили те ж саме. Найбільш точні досліди виконав у 1960 році Чарльз Таунс у Колумбійському університеті. Його прилад, що використовує мазер ("атомний годинник", принцип дії якого ґрунтується на коливаннях молекул), був настільки чутливий, що міг би помітити ефірний вітер, навіть якби Земля рухалася зі швидкістю, що становить усього лише одну тисячну частку від її справжньої швидкості. Але і сліду такого вітру не було виявлено.

Фізики спочатку були настільки здивовані негативним результатом досліду Майкельсона-Морлі, що почали придумувати всілякі пояснення для порятунку теорії ефірного вітру. Найкращим поясненням була теорія (набагато старіша, ніж досвід Майкельсона-Морлі), яка стверджувала, що Земля захоплює ефір, подібно закритому вагону з повітрям усередині. Так вважав і сам Майкельсон. Але інші досліди, один із яких Майкельсон виконав власноруч, спростовували і це пояснення.

Найбільш незвичайне пояснення запропонував ірландський фізик Джордж Френсіс Фітцджеральд. Можливо, говорив він, ефірний вітер давить на предмет, що рухається, змушуючи його скорочуватися в напрямку руху. Щоб визначити довжину предмета, що рухається, треба його довжину в стані спокою помножити на величину, що задається формулою

Із цієї формули випливає, що величиною скорочення можна знехтувати, коли йдеться про невеликі швидкості тіла, однак ця величина зростає із збільшенням швидкості і стає значною, коли швидкість тіла наближається до швидкості світла. Так, космічний корабель, який за формою схожий на довгу сигару, рухаючись із великою швидкістю, набуває форми короткої сигари.

Швидкість світла — недосяжна межа. Для тіла, що рухається із цією швидкістю, формула мала б такий вигляд:

а цей вираз дорівнював би нулю. Помноживши довжину предмета на нуль, ми одержали б у результаті нуль. Іншими словами, якщо який-небудь предмет зможе досягти швидкості світла, то він не буде мати ніякої довжини в напрямку свого руху!

Елегантну математичну форму теорії Фітцджеральда надав голландський фізик Хендрік Лоренц, який самостійно прийшов до такого ж пояснення. (Пізніше Лоренц став одним з найближчих друзів Ейнштейна, але в той час вони ще не були знайомі.)

Ця теорія одержала популярність як теорія скорочення Лоренца-Фітцджеральда (або Фітцджеральда-Лоренца).

Легко зрозуміти, як теорія скорочення пояснила невдачу досвіду Майкельсона-Морлі. Якби квадратна плита й усі прилади на ній трохи скорочувалися в тому напрямку, в якому дув ефірний вітер, то світло проходило б трохи коротший повний шлях. І хоч вітер у цілому гальмував би рух пучка в прямому і зворотному напрямках, трохи коротший шлях дозволив би пучку завершити цю подорож за точно такий же час, як коли б не було ні вітру, ні скорочення. Інакше кажучи, скорочення було саме таким, щоб збереглася сталість швидкості світла незалежно від напрямку повороту приладу Майкельсона-Морлі.

Чому, можете запитати ви, не можна було просто виміряти довжину приладу й визначити, чи відбувалося насправді укорочування в напрямку руху Землі? Але ж і лінійка скорочується в тій самій пропорції. Вимірювання дало б такий же результат, як і за відсутності скорочення. На Землі, що рухається, усе зазнає скорочення. Стан речей такий же, як і в уявному досвіді Пуанкаре, в якому Всесвіт раптово стає в тисячу разів більшим, але тільки в теорії Лоренца-Фітцджеральда зміни відбуваються в одному-єдиному напрямку. Так як цієї зміни зазнає все, то немає способу її виявити. У певних межах (межі встановлює топологія — наука про властивості, що зберігаються при деформації предмета) форма така ж відносна, як і розмір. Скорочення приладу, як і скорочення всього на Землі, міг би помітити лише той, хто знаходиться поза Землею і не рухається разом з нею.

Багато хто, говорячи про теорію відносності, вважали гіпотезу скорочення Лоренца-Фітцджеральда гіпотезою ad hoc (латинський вислів, що означає "тільки для даного випадку"), яку неможливо перевірити за допомогою яких-небудь інших експериментів. Адольф Грюнбаум вважав, що це не дуже справедливо. Гіпотеза скорочення була ad hoc тільки в тому розумінні, що на той час не було способу перевірити її. У принципі вона зовсім не ad hoc. І це було доведено в 1932 p., коли Кеннеді і Торн-дайк експериментально спростували цю гіпотезу.

Рой Дж. Кеннеді та Едвард М. Торндайк, два американські фізики, повторили досвід Майкельсона-Морлі. Але замість того, щоб намагатися зробити обидва плеча якомога рівними, вони зробили їхні довжини максимально різними. Для того, щоб визначити різницю в часі, який потрібен світлу для проходження в двох напрямках, прилад повертали. Відповідно до теорії скорочення різниця в часі повинна була змінюватися при повороті. її можна було б помітити (як і в досліді Майкельсона) у разі зміни інтерференційної картини, що виникає при змішуванні двох пучків. Але такої зміни не виявили.

Хоч такі експерименти і не можна було ще виконати в часи Лоренца, він, однак, передбачав принципову можливість їх проведення й вважав цілком обґрунтованим припущення, що ці досліди, подібно досліду Майкельсона, дадуть негативний результат. Щоб пояснити такий імовірний результат, Лоренц зробив важливе доповнення до первісної теорії скорочення, увівши зміну часу. Він вважав, що годинник сповільнювався 6 під дією ефірного вітру, причому таким чином, що вимірювана швидкість світла завжди становила б 300 000 км/сек.

Розглянемо конкретний приклад. Припустимо, що в нас є годинник, досить тоЧ-ний, щоб провести дослід з вимірювання швидкості світла. Пошлемо світло з точки А в точку Б по прямій уздовж напрямку руху Землі. Синхронізуємо обидва годинники в точні А й потім пересунемо один з них у точку Б. Відзначимо час, коли пучок світла залишив пункт А і (за іншим годинником) момент прибуття його в пункт Б. Так як світло рухалося б при цьому проти ефірного вітру, його швидкість трохи зменшилася 6, а тривалість пробігу зросла порівняно з випадком Землі, яка перебуває у стані спокою. Ви помітили помилку в цьому міркуванні? Годинник, який рухався з точки А в 5, також рухався проти ефірного вітру. Це сповільнило годинник у точці Б, він трохи відстав від годинника в точці А. У результаті виміряна швидкість світла залишається незмінною — 300000 км/сек.

Те ж саме відбудеться (стверджує Лоренц), якщо вимірювати швидкість світла, що поширюється в протилежному напрямку з точки Б у точку А. Два годинники синхронізуються в точці Б і потім один з них переноситься в точку А. Пучок світла, поширюючись із пункту Б в А, рухається вздовж ефірного вітру. Швидкість пучка збільшується, і, отже, час проходження трохи зменшується, як і у випадку із Землею, яка перебуває у стані спокою. Однак при перенесенні годинника із точки Б в Л його теж "підганяє" вітер. Зменшення тиску ефірного вітру дозволить годиннику збільшити швидкість, і, отже, до моменту закінчення експерименту годинник у точці А втече вперед порівняно з годинником у точці Б. І в результаті швидкість світла знову 300000 км/сек.

Нова теорія Лоренца не тільки пояснила негативний результат досліду Майкельсона-Морлі; з неї випливала принципова неможливість дослідним шляхом виявити вплив ефірного вітру на швидкість світла. її рівняння для зміни довжини й часу діють так, що при будь-якому можливому методі вимірювання швидкості світла в будь-якій системі відліку буде однаковий результат. Зрозуміло, що фізики були незадоволені цією теорією. Вона була теорією ad hoc у повному розумінні цього слова. Виявилися марними зусилля залатати діри, що виникли в теорії ефіру. Не можна уявити собі способу для її підтвердження або спростування. Фізикам було важко повірити, що, створивши ефірний вітер, природа улаштувала все так, що виявити цей вітер неможливо. Англійський філософ-математик Бертран Рассел пізніше дуже вдало цитував пісеньку Білого Лицаря з книги Льюїса Керрола "Аліса в країні чудес":

Мені хотілося 6 пофарбувати