Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Однако долгое время предполагали, что преимущество какой-либо системы будет возможно установить другими экспериментами и наблюдениями, а именно теми, в которых изучаются физические действия, распространяющиеся с конечной скоростью; ведь скорости в различных инерциальных системах различны. Эта мысль была важна прежде всего для оптики. Любая теория, которая считала эфир носителем света (сюда относится и электронная теория; гл. 4 и 5), должна была рассматривать систему отсчета, в которой эфир находится в покое, как предпочтительную перед всеми другими системами. Поэтому такая система отсчета определялась как абсолютная. Всегда неявно принималось, что это будет инерциальная система в смысле механики.
В самом деле, открытая в 1728 г. Дж. Брэдли (гл. 4) аберрация звезд допускает простое объяснение, заключающееся в том, что свет в астрономической системе отсчета распространяется по всем направлениям с одной и той же скоростью, измеренной Олафом
Рёмером. Скорость света относительно Земли получается векторным вычитанием скорости Земли. В 1818 г. О. Френель предсказал, а в 1871 г. Джордж Бидел Эйри (1801 -1892) экспериментально подтвердил казавшееся прежде парадоксальным положение, что наполнение телескопа водой, следовательно, изменение скорости света внутри трубы телескопа, не влияет на аберрацию. Теория Френеля перестала быть спорной и привела к точному, экспериментально подтвержденному в 1851 г. Физо значению скорости распространения света в движущихся телах. Если распространение света и движение тела имеют одинаковое или противоположное направления, то скорость тела прибавляется или вычитается из скорости света не полностью. Ей приписывается уменьшающий ее величину множитель- френелевский коэффициент увлечения. Так был дан очень ценный пробный камень для всех последующих теорий оптики движущихся тел.
Опыт Физо долгое время рассматривался как поразительное доказательство существования эфира, проникающего все тела, но не принимающего участия в их движении. Только так можно было понять этот коэффициент Френеля. Теория относительности опровергла этот аргумент. Она доказала, что рассматривавшееся как само собой разумеющееся сложение или вычитание скоростей неправомерно при данных условиях. Таким образом, история опыта Физо является поучительным примером того, какую большую роль в объяснении каждого опыта играют элементы теории; их нельзя даже отделить от него. И если потом теории меняются, то опыт превращается из поразительного доказательства для одной теории в такой же сильный аргумент для противоположной теории.
Но старое представление об аддитивности скоростей света и тел, впрочем, все же сохранилось. Христиан Допплер (1803-1853) на основании волновой теории вывел в 1842 г. заключение, что приближение источника света к наблюдателю увеличивает наблюдаемую частоту, отдаление уменьшает ее. Трудный для
6*
понимания эффект Допплера в течение нескольких десятилетий встречал ожесточенное сопротивление, несмотря на подтверждение, которое он получил в области акустики (гл. 2). Это сопротивление отчасти объясняется действительно спорными астрономическими применениями этого принципа Допплером. И все же Допплер был по существу прав, и астрономия первая дала экспериментальное подтверждение этого принципа. В 1860 г. Эрнст Мах (1838-1916) предсказал, что линии поглощения в спектрах звезд, связанные с самой звездой, должны обнаруживать эффект Допплера; но наряду с ними в этих спектрах существуют линии поглощения земного происхождения, не обнаруживающие эффекта Допплера. Первое соответствующее наблюдение удалось произвести в 1868 г. Вильяму Хюггинсу (1824-1910). В настоящее время точность таких наблюдений при благоприятных условиях так велика, что можно измерить лучевые скорости в 3 • 104см/сек, в то время как эти скорости могут достигать величины до 107см/сек. Лабораторное доказательство эффекта Допплера было дано в 1905 г. Иоганнесом Штарком, пользовавшимся в качестве источника света каналовыми лучами, т. е. светящимися атомами, которые в электрических газовых разрядах приобретают скорости до 108см/сек; в этих опытах допплеровские смещения спектральных линий получаются гораздо ббльшими, чем в астрономических наблюдениях. В 1919 г. К. Майорана проверил эффект Допплера на источниках света, механически движущихся со скоростью порядка 2 • 104см/сек.
Как ни важны аберрация и эффект Допплера, но они не отвечают на вопрос, существуют ли несколько систем отсчета, равноправных с точки зрения оптики. Как показывает более точное рассмотрение, эти явления вообще не зависят от скоростей источника света и наблюдателя по отношению к системе отсчета, а за-
висят только, по крайней мере в первом приближении, от относительной скорости источника света и наблюдателя по отношению друг к другу. Если бы наблюдение смогло обнаружить влияние скорости, общей для всех участвующих тел, то было бы доказано существование привилегированной системы отсчета. Но в подобном опыте эта скорость вступает в конкуренцию со скоростью света; результат зависит от их отношения, которое является всегда маленьким числом. Поэтому такие наблюдения трудны уже тогда, когда занимаются эффектом первого порядка, т. е. величинами, пропорциональными этому отношению; тем более они трудны в случае эффекта второго порядка, при котором в рассмотрение входит квадрат этого отношения. Для случая движения Земли вокруг Солнца это отношение равно 10-4. Подобными, экспериментами пытались установить «эфирный ветер» по отношению к движущейся Земле. После 1839 г., когда Жак Бабинэ (1794-1872) исследовал влияние движения Земли на явления интерференции, было много других аналогичных попыток. Но все они давали отрицательные результаты. Большинство опытов касалось эффектов первого порядка и не давало возможности решить вопрос о системе отсчета, пока в 1895 г. Г. А. Лорентц не доказал на основе электронной теории, что вообще не может быть таких электромагнитных и оптических эффектов первого порядка. Тем большее значение получили немногие опыты, в которых исследовались эффекты второго порядка. Между ними теоретически самым простым и экспериментально точным является опыт Майкельсона. Он непосредственно сравнивает относительные скорости света по отношению к Земле в различных направлениях. «Эфирный ветер», если он существует, должен обусловить различия между ними. Эту мысль и первое еще несовершенное опытное выполнение ее А. А. Майкельсон опубликовал в 1881 г. После того как в 1884 г. Г. А. Лорентц отметил недостатки этой работы, Майкельсон и Морли в 1887 г. выступили с повторным опытом, который имел уже
достаточную точность. Значительно дальше пошли в 1904 г. Морли и Миллер; они смогли ручаться, что наблюдаемый эффект не составлял Vioo предсказанного вычислением результата. Правда, после 1920 г. казалось, что Миллер на больших высотах над уровнем моря получил положительные результаты. Однако они были внутренне противоречивы и, кроме того, были опровергнуты в 1926 г. Кеннеди, а также в 1926-1927 гг. многочисленными повторными опытами, выполненными А. Пикаром и Э. Стахелем. В 1927 г. К- К. Иллингворт и в 1930 г. Г. Иоос достигли такой высокой точности, что «эфирный ветер» должен был бы быть заметным при скорости от 1 до 1,5 км/сек, если бы была правильна теория преимущественной системы отсчета.
Под влиянием опыта Майкельсона и других подобных опытов возникла специальная теория относительности, открывшая новую эпоху для проблемы системы отсчета. Она утверждает как закон природы существование бесконечного множества инерциальных систем, движущихся с постоянными скоростями друг относительно друга и эквивалентных для совокупности всех явлений природы. При переходе от одной системы к другой нельзя, конечно, поступать, как в ньютоновской механике, в которой время не преобразовывается и сохраняет свою величину для всех систем. Поэтому механика и нуждалась в упомянутом во второй главе изменении. Чтобы выразить тот факт, что согласно опыту Майкельсона свет в любой инерциальной системе распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью, применяется одновременное преобразование координат пространства и времени. Это «лорентцево преобразование» ведет, например, к закону, что всякое тело, которое движется по отношению к инерциальной системе, оказывается короче в направлении движения по сравнению с тем, каким оно было бы, если бы покоилось. Правда, это укорочение в слу-
чае малой скорости очень незначительно. Если же скорость приближается к скорости света, оно делается значительным. Длина тела в направлении движения должна становиться бесконечно малой, по мере того как скорость приближается к скорости света. Другое следствие этой теории: скорость света является высшим пределом не только для скоростей всех тел и для распространения всех физических действий в пространстве, но также для всех относительных скоростей инерциальных систем друг относительно друга. Тем самым скорость света выступает из рамок оптики и электродинамики и получает универсальное значение для всех явлений природы. Исторической случайностью является то, что человечество впервые встретилось с этой скоростью при изучении света.
