Теорія відносності

План

1. Загальні зауваження

2. Абсолютно чи відносно?

3. Експеримент Майкельсона-Морлі

Загальні зауваження

У цьому розділі йдеться про першу революцію в науковому мисленні, яку спричинили відкриття двадцятого століття. На жаргоні фізика зміст усіх попередніх розділів об'єднує поняття класичної фізики, щоб відрізнити цю стару фізику від новітніх, сучасних теорій, до яких ми і переходимо.

Ідеї відносності зустріли спочатку сильний опір як з боку фізиків, так і з боку філософів. Фізики зустріли нову гіпотезу критично, як завжди вони зустрічають нову ідею, поки вона не пройшла їхніх вимог потрійного іспиту. По-перше, вона повинна залишати недоторканими успіхи попередньої роботи і не знецінювати тих пояснень результатів спостережень, що використовувалися для обґрунтування більш ранніх ідей. По-друге, вона повинна задовільно пояснювати нові дані, що поставили під сумнів попередні ідеї і спричинили виникнення нових гіпотез. І, по-третє, вона повинна прогнозувати нові явища або нові співвідношення між різними явищами, які до цього часу були ще невідомими або не до кінця зрозумілими.

Цей процес потребував деякого часу, тому що врахування відносності є важливим лише для об'єктів, що рухаються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю світла. Оскільки подібні об'єкти не завжди доступні для спостереження, то не було достатніх можливостей для перевірки, до того ж у багатьох випадках досліди вимагали дуже складних спостережень високої точності. Із того часу частинки, що рухаються з високими швидкостями, стали звичайними в будь-якій фізичній лабораторії. Тепер ми не можемо сприймати незначні зміни в поведінці частинок, для виявлення яких потрібні вимірювання високої точності, як несуттєві; релятивістські особливості їхнього руху пов'язані з великими ефектами, якими неможливо знехтувати. Простіше кажучи, проектуючи обладнання для фізичних досліджень, інженери змушені конструювати пристрої вартістю в багато мільйонів доларів, що пов'язано винятково з релятивістським характером руху частинок. Навряд чи схильні вони вважати це результатом марного або помилкового вигадництва. Сьогодні жоден фізик, практично ознайомлений з дослідами над швидкими частинками, не буде заперечувати принципи теорії відносності.

Заперечення філософів виникали тому, що теорія відносності започаткувала перегляд положень, які вважалися сферою філософії. Піддавалося сумніву право фізиків заперечувати ідеї, які філософи вважали очевидними й незаперечними істинами.

Але тепер, здається, є уже загальновизнаним фактом, що наші уявлення про простір і час пов'язані безпосередньо з пізнанням зовнішнього світу і багато положень, які ми вважаємо очевидними, справедливі лише в межах нашого повсякденного досвіду. Вони можуть виявитися необґрунтованими упередженнями, якщо поширити їх на ситуації, незвичні для нас.

В історії фізики такі випадки — звичайна справа. Відкриття факту, що Земля обертається навколо своєї осі й навколо Сонця, суперечило механічній інтуїції, заснованій на повсякденному досвіді. Коли ми довідуємося в школі про протидію, яку чинили спочатку цій ідеї, то середньовічні вчені, що не могли сприйняти її, здаються нам людьми з обмеженим кругозором. Але ми легко сприйняли цю думку лише тому, що звикли до неї з найперших своїх кроків і сприйняли її до того, як наш критицизм став досить розвинутим, щоб серйозно її обмірковувати.

Ідея закону Галілея про те, що тіло, яке рухається, прагне продовжити свій рух, суперечить повсякденному досвіду й спочатку цілком законно зазнавала критики тогочасних фізиків. З великими труднощами сприймали цю ідею мислителі, намагаючись узагальнити абстрактні ідеї про рух.

Той факт, що світло поширюється із скінченною швидкістю, також суперечить нашої інтуїції. Важко звикнути навіть до того, що швидкість звуку теж скінченна, і коли ми спостерігаємо за людиною, що рубає десь далеко від нас ліс, і звук удару доходить до нас після того, як ми побачимо падіння сокири, то для осмислення цієї незвичайної ситуації потрібно свідомо напружити думку. Ще більше ми звикли покладатися на свої очі, вважаючи, що інформація, яку вони дають нам про зовнішній світ, — це правдиве повідомлення про події, які відбуваються в той момент, коли ми дивимося, У повсякденному досвіді на поверхні Землі немає нічого, що могло б зруйнувати цю ілюзію, але трьохсотрічний досвід астрономії і пізніші методи надзвичайно точного вимірювання часу змусили нас визнати, що швидкість світла скінченна.

Хвильова природа світла створює для нашої інтуїції подібні труднощі. Тільки завдяки свідомому зусиллю розуму ми спроможні визнати, що через дифракцію хвиль світла на різкій межі світло дійсно огинає перешкоду.

Таким чином, кожне нове досягнення науки змушує нас покінчити зі своїм якимось глибоко укоріненим упередженням, але, напевно, усі попередні досягнення, за винятком закону Галілея, засвоювалися легше, тому що ми могли пояснити їх мовою знайомих механічних моделей. Наприклад, скінченність швидкості звуку підготувала нас до визнання скінченності швидкості світла. Поводження світлових хвиль можна наочно уявити собі, спостерігаючи брижі на поверхні ставка, відмінності лише в масштабі, але ці аналогії не придатні для засвоєння ідей теорії відносності.

Імовірно, утвердження теорії відносності трохи затрималося також через назву, тому що вона наводить на думку про зв'язок із філософською концепцією відносності, відповідно до якої будь-яка істина розглядається як відносна. Як ми побачимо, немає нічого більш далекого від змісту нових досягнень теорії. У теорії відносності закони фізики мають точну й абсолютну форму, лише деякі положення, які наша інтуїція сприймала як абсолютні, виявляються упередженням.

Абсолютно чи відносно?

Два моряки, Джо і Мо, після аварії корабля опинилися на безлюдному острові. Пройшло кілька років. Одного разу Джо знайшов пляшку, яку хвилі викинули на берег. Це була одна з нових величезних пляшок з-під " Кока-коли". Джо сполотнів.

"Гей, Мої" — крикнув він. "Ми з тобою зменшилися!"

Із цього жарту можна дістати серйозний урок: говорити про розміри будь-якого об'єкта не можна інакше, як порівнюючи їх із розмірами чого-небудь іншого. Ліліпути вважали Гуллівера велетнем. Мешканцям Бробдингнега Гуллівер здавався малесеньким. Куля для більярду велика чи мала? Зрозуміло, вона надзвичайно велика порівняно з атомом, але вкрай мала порівняно із Землею.

Жуль Анрі Пуанкаре, відомий французький математик дев'ятнадцятого століття, який передбачив багато положень теорії відносності, підійшов до вирішення цього питання в такий спосіб (учені називають його спосіб підходу "уявним експериментом": це експеримент, який можна уявити, але насправді не можна виконати). Уявіть собі, говорить він, що вночі, коли ви міцно спите, усе у Всесвіті стало в тисячу разів більшим, ніж колись. Говорячи все, Пуанкаре має на увазі справді все: електрони, атоми, довжини хвиль світла, вас самих, ваше ліжко, ваш будинок, Землю, Сонце, зірки. Чи зможете ви сказати, коли прокинетеся, що відбулися якісь зміни? Чи можна провести такий експеримент, який ловів би, що ви змінилися в розмірах?

Ні, говорить Пуанкаре, такого експерименту провести не можна. Справді, Всесвіт виявився б таким, яким і був колись. Було б безглуздо навіть говорити, що він став більшим. "Більше" — це значить більше відносно чогось іншого. У цьому випадку чогось іншого немає. Настільки ж безглуздо було б говорити, що весь Всесвіт зменшився у своїх розмірах.

Розміри, таким чином, є відносними. Не існує абсолютного способу визначення розмірів якого-небудь об'єкта і не можна сказати, що він має такі-то й такі-то абсолютні розміри. Визначити розмір можна, використовуючи інші мірки, такі як лінійка або метровий стрижень. Але яка довжина метрового стрижня? До 1 січня 1962 року метр визначали як довжину конкретного платинового бруска, що зберігався при постійній температурі в підвалах Севру, у Франції. З Ісічня 1962 року новим стандартом метра стала довжина, що становить 1650763,73 довжини хвиль жовтогарячих променів, які випромінює у вакуумі атом криптону-86. Звичайно, якщо все у Всесвіті, включаючи і довжину хвилі цього випромінювання, збільшиться або зменшаться в одній і тій же пропорції, то ніяким експериментальним способом не вдасться помітити цю зміну.

Те ж саме є вірним і стосовно інтервалів часу. "Багато" чи "мало" часу потрібно Землі для того, щоб один раз обернутися навколо Сонця? Маленькій дитині проміжок часу від одного Нового року до іншого здається вічністю. Геологу, що звик мислити періодами, що тривали мільйони років, один рік здається всього лише однією миттю. Інтервал часу, як і відстані в просторі, неможливо виміряти інакше, як порівнюючи його з яким-небудь іншим відрізком часу. Рік визначається періодом обертання Землі навколо Сонця; день - часом, необхідним для одного оберту Землі навколо своєї осі; година — часом, протягом якого велика стрілка годинника робить один оберт. Завжди один інтервал часу вимірюється шляхом порівняння його з іншим.

У Г. Уеллса є відоме науково-фантастичне оповідання під назвою "Новий прискорювач". З нього можна засвоїти такий же урок, як і із жарту про двох моряків, але тільки урок цей стосується не простору, а часу. Один учений відкриває спосіб прискорення всіх процесів у своєму організмі. Його серце б'ється частіше, його мозок працює швидше і так далі. Ви здогадуєтеся,