Відносність відстані
Відстань, яка долає тіло, і його шлях можуть по-різному оцінюватися різними спостерігачами.
Ньютона дуже турбувала відсутність абсолютних положень, або абсолютного простору, як заведено було говорити, оскільки це не узгоджувалося з його ідеєю абсолютного Бога. Фактично він відмовився прийняти відсутність абсолютного простору, незважаючи на те, що його закони мали на увазі це. За цю ірраціональну віру його критикували багато хто, особливо єпископ Берклі, філософ, який думав, що всі матеріальні тіла, простір і час — ілюзія. Коли знаменитого доктора Джонсона ознайомили з думкою Берклі, він закричав: "Я спростовую це так!" — і вдарив ногою по великому каменю.
І Арістотель, і Ньютон вірили в абсолютний час. Тобто вважали, що можна однозначно виміряти інтервал часу між двома подіями і отримане значення буде тим самим, хто б його не вимірював, якщо використовувати точний годинник. На відміну від абсолютного простору, абсолютний час узгоджувався із законами Ньютона. І більшість людей вважає, що це відповідає здоровому глузду.
Проте в ХХ столітті фізики були змушені переглянути уявлення про час і простір. Як ми переконаємося надалі, вчені виявили, що інтервал часу між двома подіями, подібно до відстані між відскоками тенісної кульки, залежить від спостерігача. Фізики також виявили, що час не є абсолютно незалежним від простору.
Ключем до прозріння стало нове розуміння властивостей світла. Властивості ці, здавалося б, суперечать нашому досвіду, але наш здоровий глузд, що справно служить нам, коли ми маємо справу з яблуками або планетами, які рухаються порівняно повільно, перестає працювати у світі навколосвітніх швидкостей.
Той факт, що світло поширюється з кінцевою, хоч і дуже високою, швидкістю, було виявлено в 1676 році. датським астрономом Оле Християнсеном Ремером. Спостерігаючи за супутниками Юпітера, можна помітити, що час від часу вони зникають з очей, проходячи позаду гігантської планети. Такі затемнення у системі супутників Юпітера мають відбуватися з однаковими інтервалами, проте Ремер встановив, що проміжки між ними різні. Можливо, швидкість руху супутників орбітою то зменшується, то збільшується? Ремер знайшов інше пояснення.
Якби світло поширювалося з нескінченною швидкістю, то на Землі ці затемнення спостерігалися б через рівні інтервали часу, в ті самі моменти, коли вони відбуваються, — подібно до цокання космічного годинника. Наближення Юпітера до Землі або його видалення не мало б жодного значення, оскільки світло будь-яку відстань долало б миттєво.
Тепер уявімо, що світло поширюється з кінцевою швидкістю. Тоді затемнення повинні спостерігатися через деякий час після їхнього настання. Ця затримка залежить від швидкості світла та від відстані до Юпітера. Якби відстань між Юпітером і Землею залишалася незмінною, то й затемнення відзначалося б завжди через рівні інтервали. Однак, коли відстань між Землею та Юпітером скорочується, «сигнал» про кожне наступне затемнення долає все меншу і меншу відстань і досягає нашої планети з усе більшим «випередженням графіка». З тієї ж причини, коли Юпітер віддаляється від Землі, бачимо, що затемнення дедалі більше запізнюються (рис. 6). Величина випередження та запізнення залежить від швидкості світла, що дозволяє її виміряти.
Мал. 6. Швидкість світла та моменти затемнень супутників Юпітера.
Наявні моменти затемнень супутників Юпітера залежать як відсправжнього часу затемнень, і від часу, протягом якого світло долає відстань від Юпітера до Землі. Так, складається враження, ніби затемнення трапляються частіше, коли Юпітер зближується із Землею, і рідше — коли віддаляється від неї. Цей ефект тут перебільшений для наочності.
Задовільної теорії поширення світла не існувало до 1865, коли англійський фізик Максвелл зумів об'єднати до того відокремлені описи електричних і магнітних сил. Рівняння Максвелла передбачали можливість хвилеподібних збурень сутності, що він назвав електромагнітним полем. Вони повинні були поширюватися з постійною швидкістю, подібно до брижів на поверхні ставка. Обчисливши цю швидкість, Максвел виявив, що вона точно збігається зі швидкістю світла!
Сьогодні ми знаємо, що хвилі Максвелла сприймаються людським оком як видиме світло, якщо їхня довжина знаходиться в інтервалі від сорока до вісімдесяти мільйонних часток сантиметра. [Довжиною хвилі називають відстань між двома її гребенями або западинами (рис. 7).] Хвилі, довжина яких коротша, ніж у видимого світла, тепер називають ультрафіолетовим, рентгенівським та гамма випромінюванням. Хвилі, що перевершують по довжині видиме світло, - це радіохвилі (метр або більше), мікрохвилі (кілька сантиметрів) та інфрачервоне випромінювання (більше десятитисячної частки сантиметра).
Довжиною хвилі називають відстань між двома її гребенями чи западинами.
Випливає з теорії Максвелла положення про те, що радіо-і світлові хвилі поширюються з деякою постійною швидкістю, було важко узгодити з теорією Ньютона. За відсутності абсолютного стандарту спокою не може бути жодної універсальної угоди про швидкість об'єкта. Щоб зрозуміти це, зновууявіть себе, що грає в пінг понг в поїзді. Якщо ви направляєте кульку до супротивника зі швидкістю 10 миль на годину, то для спостерігача на платформі швидкість кульки становитиме 100 миль на годину: 10 – швидкість кульки щодо поїзда плюс 90 – швидкість поїзда щодо платформи. Яка швидкість кульки — 10 чи 100 миль на годину? А як ви її визначатимете? Щодо поїзда? Щодо Землі? Без абсолютного стандарту спокою ви не можете визначити абсолютну швидкість кульки. Одному й тому кульці можна приписати будь-яку швидкість залежно від того, щодо якої системи відліку вона вимірюється (рис. 8). Відповідно до теорії Ньютона те саме має відноситися і до світла. То який тоді сенс несе в собі твердження теорії Максвелла про те, що світлові хвилі завжди поширюються з однаковою швидкістю?
Щоб примирити теорію Максвелла з законами Ньютона, була прийнята гіпотеза про те, що всюди, навіть у вакуумі, в «порожньому» просторі, існує якесь середовище, що отримало назву «ефір». Ідея ефіру мала особливу привабливість для тих учених, які вважали, що, подібно до морських хвиль, що вимагають води, або звукових коливань, що вимагають повітря, хвиль електромагнітної енергії потрібне якесь середовище, в якому вони могли б поширюватися. З цього погляду світлові хвилі поширюються в ефірі так само, як звукові хвилі в повітрі, і їхня швидкість, що виводиться з рівнянь Максвелла, повинна вимірюватися щодо ефіру. У такому разі різні спостерігачі фіксували б різні значення швидкості світла, але щодо ефіру вона залишалася постійною. Цю ідею можна перевірити. Уявіть собі світло, яке випускається якимось джерелом. Згідно з теорією ефіру світло поширюється в ефірі з постійною швидкістю. Якщо ви рухаєтеся крізь ефір убікджерела, швидкість, з якою до вас наближається світло, складатиметься зі швидкості руху світла в ефірі та вашої швидкості щодо ефіру. Світло наближатиметься до вас швидше, ніж якби ви були нерухомі або, наприклад, рухалися в якомусь іншому напрямку. Однак ця відмінність у швидкості дуже важко виміряти через те, що швидкість світла багаторазово більша за ту швидкість, з якою ви могли б рухатися назустріч джерелу.
У 1887 р. Альберт Майкельсон (який згодом став першим американським лауреатом Нобелівської премії з фізики) та Едвард Морлі виконали дуже тонкий та важкий експеримент у Школі прикладних наук у Клівленді. Вони вирішили скористатися тим, що якщо Земля обертається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 кілометрів на секунду, то і їхня лабораторія повинна рухатися крізь ефір із цією відносно високою швидкістю. Звичайно, ніхто не знав, чи переміщається ефір щодо Сонця, а якщо так, то в якому напрямку і з якою швидкістю. Але, повторюючи виміри у різні пори року, коли Земля перебуває у різних точках своєї орбіти, вони сподівалися врахувати цей невідомий чинник. Майкельсон і Морлі розробили експеримент, у якому швидкість світла у бік руху Землі через ефір (коли ми рухаємося у бік джерела світла) порівнювалася зі швидкістю світла під прямим кутом до цього напряму (коли ми не наближаємося до джерела). На диво, вони виявили, що швидкість в обох напрямках в точності однакова!
Різні швидкості тенісної кульки.
Відповідно до теорії відносності результати вимірювань швидкості тіла, отримані різними спостерігачами, однаково справедливі.
Між 1887 та 1905 рр. було зроблено кілька спроб врятувати теорію ефіру.Найцікавішими виявилися роботи голландського фізика Хендріка Лоренца, який спробував пояснити результат експерименту Майкельсона-Морлі стисненням предметів та уповільненням ходу годинника при пересуванні крізь ефір. Однак у 1905 р. Невідомий співробітник швейцарського патентного бюро Альберт Ейнштейн показав, що будь-яка потреба в ефірі відпадає, якщо відмовитися від ідеї абсолютного часу (ви скоро дізнаєтеся чому). Провідний французький математик Анрі Пуанкаре висловив схожі міркування кількома тижнями пізніше. Аргументи Ейнштейна були ближчими до фізики, ніж викладки Пуанкаре, який розглядав проблему як суто математичну і до останнього свого дня не приймав ейнштейнівську інтерпретацію теорії.
Фундаментальний постулат Ейнштейна, що називається принципом відносності, говорить, що всі закони фізики повинні бути однаковими для всіх спостерігачів, що вільно рухаються, незалежно від їх швидкості. Це було правильно для законів руху Ньютона, але тепер Ейнштейн поширив цю ідею також і теорію Максвелла. Іншими словами, раз теорія Максвелла оголошує швидкість світла постійною, то будь-який вільно рухомий спостерігач повинен фіксувати те саме значення незалежно від швидкості, з якою він наближається до джерела світла або віддаляється від нього. Звичайно, ця проста ідея пояснила — без залучення ефіру чи іншої привілейованої системи відліку — сенс появи швидкості світла в рівняннях Максвелла, проте з неї також випливала низка дивовижних наслідків, які часто суперечили інтуїції.
Наприклад, вимога, щоб усі спостерігачі зійшлися в оцінці швидкості світла, змушує змінити концепцію часу. Відповідно до теорії відносності спостерігач, що їде поїздом, і той, що стоїть на платформі, розійдуться в оцінцівідстані, пройденого світлом. А оскільки швидкість є відстань, поділена на якийсь час, єдиний спосіб для спостерігачів дійти згоди щодо швидкості світла — це розійтися також і в оцінці часу. Інакше кажучи, теорія відносності поклала край ідеї абсолютного часу! Виявилося, що кожен спостерігач повинен мати свою власну міру часу і що ідентичний годинник у різних спостерігачів не обов'язково показуватиме той самий час.
Теорія відносності не потребує ефіру, присутність якого, як показав експеримент Майкельсона-Морлі, неможливо виявити. Натомість теорія відносності змушує нас суттєво змінити уявлення про простір та час. Ми маємо визнати, що час не повністю відокремлений від простору, але складає з ним певну спільність — простір час. Зрозуміти це нелегко. Навіть співтовариству фізиків знадобилися роки, щоб ухвалити теорію відносності. Вона — свідчення багатої уяви Ейнштейна, його здібності до побудови теорій, його довіри до власної логіки, завдяки якому він робив висновки, не лякаючись тих, начебто дивних висновків, які породжувала теорія.