Скорость света

Второй ключевой компонент специальной теории относительности связан со светом и свойствами его распространения. Только что мы говорили, что утверждение 'Джордж движется со скоростью 10 км/ч' не имеет смысла без указания ориентира для сравнеѓния. Однако в результате почти столетних усилий ряда выдающихся физиков-экспериѓментаторов было показано: все наблюдатели согласятся с тем, что свет движется со скороѓстью 300 000 км/с, независимо от ориентира для отсчета.

Этот факт потребовал революционных изменений наших взглядов на Вселенную. Попробуем сначала понять его смысл, сопоѓставляя со сходными утверждениями примеѓнительно к более обычным объектам. Предѓставим, что стоит прекрасный солнечный денек, и вы вышли на улицу поиграть в мяч с подругой. В течение какого-то времени вы оба лениво бросали мяч друг другу со скоѓростью, скажем, 6 м/с. Вдруг налетает неожиданная гроза, и вы оба бежите от нее в поисках укрытия. После того, как гроза прошла, вы решаете вернуться к игре в мяч, но вдруг замечаете, что что-то изменилось. Волосы вашей подружки встали дыбом и торѓчат в разные стороны, глаза округлились и стали безумными. Взглянув на ее руку, вы со страхом видите, что она больше не хочет играть в мяч, а вместо этого собирается заѓпустить в вас ручной гранатой. Понятно, что ваш энтузиазм по поводу игры в мяч резко идет на убыль, вы поворачиваетесь и бежиѓте. Когда ваша партнерша бросает гранату, она летит в вашу сторону, но поскольку вы бежите, скорость, с которой она приблиѓжается к вам, будет меньше 6 м/с. Исходя из повседневного опыта, можно утверждать, что вы можете бежать со скоростью, скажем, 3,6 м/с, и тогда ручная граната будет приблиѓжаться к вам со скоростью 6 - 3,6 = 2,4 м/с. Еще один пример. Если вы находитесь в гоѓрах, и на вас с грохотом мчится снежная лавина, вы стремитесь повернуться и броѓситься бежать, поскольку это уменьшит скоѓрость, с которой снег приближается к вам, и даст хоть какую-то надежду на спасение. Как и раньше, для неподвижного наблюѓдателя скорость приближения лавины будет больше, чем с точки зрения наблюдателя, спасающегося бегством.

Ну а теперь сравним все наши наивные наблюдения за мячами, гранатами и снежными лавинами с фактами, относящимися к свету. Чтобы облегчить сравнение, будем рассматривать луч света как совокупность крошечных 'сгустков' или 'комочков', известных под названием фотонов (более поѓдробно свойства света будут обсуждаться в главе 4). Когда мы включаем сигнальные огни или испускаем лазерный луч, мы, на самом деле, выстреливаем пучок фотоѓнов в ту сторону, в которую направлено устройство. Как и в случае с гранатами и лавинами, давайте рассмотрим, как двиѓжение фотона выглядит для наблюдателя, который находится в движении. Предполоѓжим, что ваша потерявшая рассудок подруга вместо гранаты взяла в руки мощный лазер. Если она стреляет из лазера в вашу сторону, а у вас есть под рукой подходящее измериѓтельное устройство, вы можете обнаружить, что скорость приближения фотонов пучка составляет 300000 км/с. А что произойдет, если вы станете убегать, как вы поступиѓли, столкнувшись с перспективой поиграть с ручной гранатой? Какое значение скороѓсти вы получите для приближающихся фоѓтонов? Для большей внушительности, предположим, что в вашем распоряжении звездный корабль 'Энтерпрайз', и вы удираете от своей подружки со скоростью, скажем, 50 000 км/с. Следуя логике традиционного ньютоновского подхода, поскольку вы убеѓгаете, измеренная вами скорость приближаѓющихся фотонов окажется меньше. Соответѓственно, вы можете рассчитывать, что они приближаются к вам со скоростью, равной 300 000 - 50 000 = 250 000 км/с.

Растущее количество различных экспериментальных данных, первые из которых относятся еще к 1880-м гг., а также тщательный анализ и интерпретация максвелловской электромагнитной теории света, поѓстепенно убедили научное сообщество, что на самом деле вы получите другой резульѓтат. Даже несмотря на то, что вы убегаете, результат вашего измерения скорости приближающихся фотонов все равно составит 300 000 км/с и ни на йоту меньше. На первый взгляд это выглядит очень забавно и совершенно не согласуется с тем, что происходиѓло, когда вы убегали от приближающегося мяча, гранаты или лавины, однако скорость приближающихся фотонов всегда будет соѓставлять 300 000 км/с. Движетесь ли вы навстречу приближающимся фотонам или преѓследуете удаляющиеся, не имеет значения: скорость их приближения или удаления буѓдет оставаться совершенно неизменной, и вы всегда получите значение 300 000 км/с. Незаѓвисимо от относительного движения между источником фотонов и наблюдателем, скоѓрость света всегда будет одной и той же 2).

Технологические ограничения таковы, что описанные выше 'эксперименты' со свеѓтом не могут быть проведены. Однако были проведены другие, сопоставимые эксперименты. Например, в 1913 г. голландский физик Виллем де Ситтер предположил, что для измерения влияния движения источниѓка на скорость света могут использоватьѓся движущиеся с большой скоростью двойные звезды (две звезды, которые вращаютѓся одна вокруг другой). Результаты много-численных экспериментов такого рода, выполненных за последние восемьдесят лет, продемонстрировали, с впечатляющей точѓностью, что скорость света от движущейся звезды равна скорости света, испускаемоѓго неподвижной звездой, т. е. 300 000 км/с. Более того, в течение прошлого столетия было проведено большое число других, весьма тщательных экспериментов, в ходе которых скорость света измерялась прямо и косвенно в самых разных условиях. Были проверены также различные следствия постоянства скоѓрости света, и все эти данные подтвердили неизменность скорости света.

Если вам покажется, что это свойство света трудно усвоить, вы можете утешатьѓся тем, что вы не одиноки. В начале XX в. физики потратили немало усилий на то, чтобы опровергнуть его. Они не смогли этого сделать. Эйнштейн, напротив, приветствовал постоянство скорости света, поскольку оно позволяло разрешить противоречие, коѓторое беспокоило его с тех пор, когда он был подростком: независимо от того, с какой скоѓростью вы движетесь за лучом света, он по-прежнему будет удаляться от вас со скороѓстью света. Вы не можете сделать восприниѓмаемую скорость, с которой движется свет, ни на йоту меньше чем 300 000 км/с, не говоря уж о том, чтобы свет казался покоящимѓся. Вердикт окончательный, обжалованию не подлежит. Но триумфальное разрешение парадокса скорости света было не просто маленькой победой. Эйнштейн понял, что постоянство скорости света означает нисѓпровержение всей ньютоновской физики.

Б. Грин