В 1851 г. уникальный опыт осуществил известный французский физик Физо. Принципиально идея опыта заключалась в следующем. Свет выходил из одного источника (одной точки), разделялся на два луча и каждый луч направлялся в трубы, по которым под давлением двигалась вода. При этом один луч распространялся по ходу течения воды; второй — против. Пройдя трубы, оба луча сходились в одну точку и вместе приходили к наблюдателю. Расстояния, проходимые лучами, были совершенно одинаковыми. Предполагалось, что луч света, который распространялся по ходу течения воды, будет иметь несколько увеличенную скорость, а луч, распространяющийся против течения воды, наоборот — скорость уменьшенную. А так как световой луч — это волна, то ожидалось, что, придя к наблюдателю, эти лучи будут смещены по фазе, т. е. впадины и гребни одной волны сместятся относительно гребней и впадин другой и, таким образом, будет наблюдаться чередование светлых и темных полос (интерференция).
Физо полагал, что по смещению фаз лучей света удастся подтвердить общее правило сложения скоростей… Увы, результаты опыта оказались ошеломляюще отрицательными. Вывод противоречил законам классической механики. Свет не подчиняется правилу сложения скоростей. Впоследствии и сам Физо, и другие многократно повторяли опыт (в том числе и при движении света в газовой среде), но результат оставался неизменным. Сомнения в его достоверности отпали. Был сделан вывод о том, что при скоростях, сопоставимых со скоростью света, законы ньютоновской физики не срабатывают. Такой вывод не мог оставить физиков равнодушными — рушились представления о применимости законов физики ко всем явлениям, ставилась под сомнение их универсальность.
Стали искать причины, которые бы объяснили результаты опытов, но так, чтобы при этом не разрушались основы физики. И, конечно, объяснение нашлось. «Была принята гипотеза существования неподвижного мирового эфира, согласно которой все тела Вселенной движутся в неподвижном эфире». Физики рассуждали так: «…расстояние между молекулами воды примерно в десять тысяч раз (а между молекулами газа — в сто тысяч раз) больше, чем размеры самих молекул». Атак как все во Вселенной заполнено эфиром, то эфир заполнял и расстояния между молекулами воды в опытах Физо. Получалось, таким образом, что лучи света распространялись в неподвижном эфире, а, следовательно, и не с чем было складывать скорость света. Объяснение было найдено, и, казалось, физики могут спать спокойно. Однако в науке покоя не может быть в принципе. Возник вопрос: если мировой эфир неподвижен и это как бы неподвижная система отсчета, то нельзя ли определить скорость движения Земли относительно неподвижного эфира?
Эксперимент удалось осуществить в 1831 г. американскому ученому Майкельсону. В эксперименте луч света от одного источника, попадая (под углом 45°) на плоскопараллельную пластину, образует два когерентных[9] луча. В дальнейшем направление одного из этих лучей совпадает с направлением движения Земли, направление другого — перпендикулярно ему. В приборе (интерферометре Майкельсона) каждый луч проходил одно и то же расстояние (около 22 м) и попадал к наблюдателю, который по интерференционной картине имел принципиальную возможность установить, как зависит скорость распространения лучей света от их направления относительно движения Земли. Ожидаемая разница во времени прохождения сигналов должна была составить крохотную долю секунды — три, деленное на единицу с шестнадцатью нулями. Но при этом технические возможности прибора позволяли измерить запаздывание, еще в сто раз меньшее. И что же?
Определить скорость движения Земли относительно неподвижного мирового эфира не удалось. И первый опыт Майкельсона, и последующие, включая опыты 1887 г. (совместно с Моряк), четко засвидетельствовали, что движения Земли относительно эфира нет.
Отсюда напрашивался вывод, что либо эфир движется вместе с Землей, либо… его вообще нет. И то и другое совершенно противоречило объяснению результатов опыта Физо. И то и другое потрясло физиков и физику. Прежде всего, был нанесен смертельный удар по теории эфира. И дело тут не только в несоответствии опытов Физо и Майкельсона. Постепенно стало ясно, что эфир (если он есть) представляет из себя субстанцию с противоречивыми свойствами.
С одной стороны, он должен был бы обладать некой «тонкостью», подвижностью и проницаемостью, чтобы не препятствовать движению небесных тел (и макротел, и микротел), а с другой — он должен обладать невероятной жесткостью, чтобы передавать поперечные волны света. В работах Сен-Венана, Релея и Столетова было доказано, что ни одно вещество не может обладать такими свойствами, так как они несовместимы.
Кроме того, в опытах Физо и Майкельсона — Морли было продемонстрировано, что свет не подчиняется правилу сложения скоростей. Нам сегодня даже трудно себе представить, как велико было смущение физиков. Но недаром говорят, что в науке отрицательный результат — это тоже результат.
Когда Майкельсон осуществил свой первый эксперимент, Эйнштейну было два года. До создания специальной теории относительности оставалось двадцать четыре… Ученые теперь должны были отказываться от пространства, заполненного эфиром. Если эфира нет, то не пустота же между небесными телами? Как через пустоту может происходить гравитационное взаимодействие? И как все-таки понимать, что свет не подчиняется правилу сложения скоростей? Движения всех тел подчиняются этому правилу, а свет нет. Что такое свет? К концу века ученые уже были готовы ответить на этот вопрос. В работах М. Фарадея, Дж. Максвелла, Г. Герца было с высокой степенью достоверности доказано, что свет — это колебания электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Этот вывод также нанес удар по эфиру, ибо оказалось, что для своего распространения свет не нуждается в эфире. Но оставим на время в покое многострадальный эфир.
Одно из важнейших следствий уравнений Максвелла состояло в том, что в вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Эта скорость в вакууме, или, как говорили в прошлом веке, в пустоте, составляет около 300 000 км/с. (Современное наиболее точное значение скорости света — 299 792 456,2 м/с.) Потрясающе огромная скорость, но самым удивительным все же было не это. «Оказалось, что, движется ли наблюдатель навстречу световому лучу или убегает в противоположном направлении, скорость луча относительно него не меняется!.. Странным образом скорость света всегда остается неизменной».
К тому времени, когда «странностями» физики занялся Эйнштейн, выдающиеся ученые Фитцджеральд и Лоренц уже определили свое отношение к проблеме независимости скорости света относительно скорости источника света. Фитцджеральд предложил считать опыт Майкельсона доказательством поразительного факта: не скорость света зависит от скорости его излучателя, а размеры всех тел зависят от скорости их движения относительно наблюдателя. Эту гипотезу обосновал своей электронной теорией Лоренц, а Пуанкаре на ней построил новую теорию относительности… Так называемыми «преобразованиями» Лоренц показал, что собственное время движущегося тела и его размеры также зависят от скорости движения тела относительно наблюдателя. А Эйнштейн, с присущей ему решительностью, обобщил эти гипотезы: «…один и тот же световой луч распространяется в пустоте со скоростью с не только в системе отсчета К, но и в каждой другой системе… движущейся равномерно и прямолинейно относительно К» {11}. Такое экстравагантное понимание света и позволило Эйнштейну произвести, по существу, революцию в области физики — поставить свет в совершенно особое положение. Абсолютизировать свет и сформулировать свой знаменитый второй постулат, процитированный ранее.
Некоторые сторонники теории относительности, признавая, что скорость света определяет предельную скорость любых взаимодействий, утверждают также, что и время — это… только функция скорости света.
Мы ознакомились с некоторыми основными положениями теории относительности. Конечно, это знакомство было недопустимо кратким и поверхностным. Я выделил только два постулата Эйнштейна, поскольку они являются главными в релятивистской физике, связаны с пониманием времени, и поэтому именно они сегодня подвергаются наиболее яростным нападкам со стороны критиков теории относительности.