Давайте проведемо ще один уявний експеримент. Припустимо, що в певний момент усе в космосі починає рухатися повільніше чи швидше або повністю зупиняється на кілька мільйонів років, починаючи потім рухатися знову. Чи вдасться помітити цю зміну? Здійснити такий експеримент, звичайно, неможливо. Час, як і відстані в просторі, відносний.

Багато інших понять, які відомі нам з повсякденного життя, теж відносні. Розглянемо поняття "нагору" й "униз". У минулі століття людям було нелегко зрозуміти, чому людина з протилежного боку Землі висить униз головою, а вся кров не приливає їй до голови. Діти й тепер стикаються з такими труднощами, довідавшись уперше, що Земля кругла.

Якби Земля була з прозорого скла й ви змогли глянути в телескоп прямо крізь неї, то ви справді побачили б людей, які стоять униз головою ногами на склі. Тобто вам здавалося б, що вони стоять униз головою стосовно вас. Зрозуміло, їм здавалося б, що ви стоїте вниз головою стосовно них. На Землі напрямок "угору" — це напрямок від центра Землі. Напрямок "униз" — до центра Землі. У міжзоряному просторі немає абсолютного верху й низу, оскільки там немає планети, яка могла б бути "системою відліку".

Уявімо собі космічний корабель у формі величезного бублика, що рухається в Сонячній системі. Він обертається, так що відцентрова сила створює штучне гравітаційне поле. Перебуваючи всередині корабля, космонавти можуть ходити по зовнішній стінці цього бублика, як по підлозі. Для них "униз" — це від центра корабля, "нагору" — до центра, тобто прямо протилежно тому, що має місце на планеті, яка обертається.

Таким чином, ви бачите, що у Всесвіті немає абсолютного "верху" й "низу". Угору й вниз — це напрямки стосовно напрямку дії гравітаційного поля. Було б безглуздо говорити, що, поки ви спали, увесь Всесвіт перевернувся вгору ногами, оскільки немає нічого такого, що могло б бути системою відліку при вирішенні питання про те, яке положення зайняв Всесвіт.

Інший тип зміни, яка також є відносною, — це зміна об'єкта за умови його дзеркального відображення. Якщо заголовну букву R надрукувати навпаки, як Я, то ви відразу ж побачите, що це дзеркальне відображення букви R. Але якщо весь Всесвіт (включаючи вас) раптово стане дзеркально відображеним, то у вас не буде способу виявити подібні зміни. Звичайно, якби тільки одна людина перетворилася у своє дзеркальне відображення (про це Г. Уеллстакож написав оповідання під назвою "Розповідь Плеттнера"), а Всесвіт залишився б колишнім, то їй здалося б, що все стало навпаки. Щоб прочитати книгу, вона повинна була б підносити її до дзеркала, подібно до Аліси в Задзеркаллі, якій вдавалося читати надруковану дзеркально відображеними буквами поему, тримаючи її перед дзеркалом. Але якби усе стало навпаки, то ніякий експеримент не виявив би цих змін.

Чи абсолютний рух? Чи існує який-небудь клас експериментів, який би напевно встановив, рухається об'єкт чи перебуває у стані спокою? Чи є рух ще однією відносною категорією, пізнати яку можна, тільки зіставляючи місце розташування одного предмета з місцем розташування іншого? Чи ж руху властиве щось своєрідне, що робить його відмінним від відносних категорій, розглянутих вище?

Експеримент Майкельсона-Морлі

Чи відносний рух? Після деяких міркувань ви могли б схилитися до відповіді: "Так, звичайно!" Уявіть собі потяг, що рухається на північ зі швидкістю 60 км/год. Людина в потязі йде на південь зі швидкістю 3 км/год. У якому напрямку вона рухається і яка її швидкість? Зовсім очевидним є те, що на це питання не можна відповісти, не вказавши системи відліку. Стосовно потяга людина рухається на південь зі швидкістю 3 км/год. Стосовно Землі вона рухається на північ зі швидкістю 60 мінус 3, тобто 57 км/год.

Чи можна сказати, що швидкість людини стосовно Землі (57 км/год.) є її справжньою, абсолютною швидкістю? Ні, тому що існують й інші, ще більш великомасштабні системи відліку. Рухається сама Земля. Вона обертається навколо своєї осі й у той же час рухається навколо Сонця. Сонце разом із усіма своїми планетами рухається всередині Галактики. Галактика обертається й рухається відносно інших галактик. Галактики, у свою чергу, утворюють скупчення галактик, що рухаються одна відносно іншої. Ніхто не знає, наскільки далеко можна продовжити цей перелік рухів. Немає очевидного способу визначити абсолютний рух якого-небудь предмета; інакше кажучи, немає такої фіксованої, остаточної системи відліку, стосовно якої можна було б вимірювати всі рухи. Рух і спокій, подібно великому й малому, швидкому й повільному, верху й низу, лівому й правому, очевидно, цілком відносні. Немає іншого способу виміряти рух якогось предмета, окрім як порівняти його рух з рухом іншого предмета.

На жаль, це не так просто! Якби можна було обмежитися лише тим, що вже сказано про відносність руху, то Ейнштейну не довелося б створювати теорію відносності.

Причина труднощів у тому, що існує два дуже простих способи виявлення абсолютного руху. В одному з методів використовуються властивості світла, в іншому — різноманітні явища інерції, що виникають при зміні траєкторії або швидкості руху предмета, який рухається. Спеціальна теорія відносності Ейнштейна має справу з першим методом, а загальна теорія відносності — із другим. У цьому і у двох наступних розділах розглядатиметься перший метод, який використовує властивості світла й може стати ключем до розуміння абсолютного руху.

У дев'ятнадцятому столітті, ще до Ейнштейна, фізики вважали, що простір наповнений особливою нерухомою і невидимою речовиною — ефіром. Часто його називали "світлоносним" ефіром, маючи на увазі, що він є носієм світлових хвиль. Ефір заповнював увесь Всесвіт.

Він проникав у всі матеріальні тіла. Якби вдалося відкачати з-під скляного дзвона все повітря, то він наповнився б ефіром. А як інакше світло могло 6 пройти через вакуум? Світло — це хвильовий рух. Отже, повинно існувати щось, у чому відбуваються коливання. Сам ефір, хоч у ньому й відбуваються коливання, не рухається стосовно матеріальних предметів, скоріше, усі предмети рухаються крізь нього, подібно руху сита у воді. Абсолютний рух зірки, планети або якого-небудь іншого предмета стане зрозумілішим (у цьому фізики тієї епохи були впевнені), якщо цей рух розглядати відносно такого нерухомого, невидимого ефірного моря.

Але, запитаєте ви, якщо ефір — нематеріальна субстанція, яку не можна побачити, почути, відчути на дотик, запах чи спробувати на смак, то як можна розглядати рух, наприклад, Землі відносно нього? Відповідь проста. Вимірювання можна виконати, порівнявши рух Землі з рухом світлового пучка.

Щоб зрозуміти це, розглянемо спочатку природу світла. Насправді світло — це лише невелика видима частина спектра електромагнітного випромінювання, до складу якого входять радіохвилі, ультракороткі хвилі, інфрачервоне світло, видиме світло, ультрафіолетове світло й гамма-промені. Ми використовуємо слово "світло" для позначення будь-якого типу електромагнітного випромінювання, тому що це слово коротше, ніж "електромагнітне випромінювання". Світло — хвильовий рух. Фізики минулого вважали, що вивчати такий рух, не беручи одночасно до уваги матеріальний ефір, настільки ж абсурдна справа, як і досліджувати хвилі на воді, забуваючи про саму воду.

Якщо вистрілити з реактивного літака, що рухається, у напрямку його руху, то швидкість кулі відносно Землі буде більшою, ніж швидкість кулі, випущеної з рушниці на Землі. Швидкість кулі відносно Землі є результатом додавання швидкості літака й швидкості кулі. У випадку ж світла швидкість пучка не залежить від швидкості предмета, який це світло випромінює. Цей факт переконливо довели експериментально наприкінці дев'ятнадцятого й на початку двадцятого століття, і з того часу він не одноразово підтверджувався. Останню перевірку було проведено в 1955 р. радянськими астрономами, які використовували світло від протилежних країв Сонця, яке постійно перебуває в обертальному русі. Один край нашого Сонця завжди рухається до нас, а інший — у протилежний бік. Було встановлено, що світло від обох країв приходить до Землі з однаковою швидкістю. Подібні досліди проводилися і десятиліття назад зі світлом від подвійних зірок, які теж обертаються. Незважаючи на рух джерела, швидкість світла в порожнечі завжди однакова: вона становить майже 300000 км/сек.

Очевидно, цей факт дає ученому (будемо називати його спостерігачем) спосіб для обчислення своєї абсолютної швидкості. Якщо світло поширюється через нерухомий, незмінний ефір з відомою швидкістю с і якщо ця швидкість не залежить від швидкості руху джерела, то швидкість світла може слугувати еталоном для визначення абсолютного руху спостерігача. Спостерігач,