Лев Ландау - Что такое теория относительности. 3-е, дополненное издание
Поскольку покой оказывается не абсолютным, а относительным, приходится всегда указывать, относительно какой из бесчисленных движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга лабораторий мы наблюдаем движение.
Таким образом, нам все-таки не удалось сделать понятие движения абсолютным.
Всегда остается открытым вопрос: относительно какого «покоя» мы наблюдаем движение?
Мы пришли, таким образом, к важнейшему закону природы, обычно называемому принципом относительности движения.
Он гласит: во всех лабораториях, которые движутся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам.
Закон инерции
Из принципа относительности движения вытекает, что тело, на которое не действует никакая внешняя сила, может находиться не только в состоянии покоя, но и в состоянии прямолинейного равномерного движения. Это положение в физике называется законом инерции.
Однако в повседневной жизни он как бы завуалирован и непосредственно не проявляется. Ведь по закону инерции тело, находящееся в состоянии прямолинейного равномерного движения, должно — и без воздействия внешних сил — продолжать свое движение без конца. Однако из наблюдений нам известно, что тела, к которым мы силы не прилагаем, останавливаются.
Разгадка заключается в том, что на все тела, наблюдаемые нами, действуют некоторые внешние силы — силы трения. Поэтому условие, необходимое для наблюдения закона инерции — отсутствие внешних сил, действующих на тело, — не выполняется. Но, улучшая условия опыта, уменьшая силы трения, можно приблизиться к идеальным условиям, необходимым для наблюдения закона инерции, доказав, таким образом, правильность этого закона и для движений, наблюдаемых в повседневной жизни.
Открытие принципа относительности движения является одним из величайших открытий. Без него развитие физики было бы невозможно. Этим открытием мы обязаны гению Галилео Галилея, смело выступившего против господствовавшего в те времена и поддерживаемого авторитетом католической церкви учения Аристотеля, согласно которому движение возможно только при наличии силы и без нее должно неминуемо прекратиться. Рядом блестящих опытов Галилей показал, что причиной остановки движущихся тел, наоборот, является сила трения и в отсутствие этой силы приведенное раз в движение тело двигалось бы вечно.
И скорость относительна!
Из принципа относительности движения следует, что говорить о прямолинейном и равномерном движении тела с некоторой скоростью, не указывая, относительно какой из покоящихся лабораторий измерена скорость, имеет столь же мало смысла, как говорить о географической долготе, не условившись заранее, от какого меридиана ее отсчитывать.
Скорость оказывается тоже относительным понятием. Определяя скорость одного и того же тела относительно разных покоящихся лабораторий, мы будем получать разные результаты. Но вместе с тем всякое изменение скорости, будь то ускорение, замедление или изменение ее направления, имеет абсолютный смысл и не зависит от того, в какой покоящейся лаборатории мы наблюдаем движение.
Глава третья
ТРАГЕДИЯ СВЕТА
Свет распространяется не мгновенно
Мы убедились в наличии принципа относительности движения, в существовании бесчисленного множества «покоящихся» лабораторий. В последних законы движения тел не отличаются друг от друга. Однако существует вид движения, на первый взгляд противоречащий установленному выше принципу. Это — распространение света.
Свет распространяется не мгновенно, хотя и с огромной скоростью — 300 000 километров в секунду!
Такую колоссальную скорость трудно постигнуть, поскольку в повседневной жизни нам приходится встречаться со скоростями, неизмеримо меньшими. Например, даже скорость советской космической ракеты достигает лишь 12 километров в секунду. Из всех тел, с которыми мы имеем дело, наиболее быстро перемещается Земля при своем обращении вокруг Солнца. Но и скорость Земли всего лишь 30 километров в секунду.
Можно ли изменить скорость света?
Сама по себе огромная скорость распространения света не является чем-то особенно удивительным. Поразительно то, что эта скорость отличается строгим постоянством.
Движение любого тела всегда можно искусственно замедлить или ускорить. Даже пули. Поставим на пути мчащейся пули ящик с песком. Пробив ящик, пуля потеряет часть скорости и полетит медленнее.
Совсем иначе обстоит дело со светом. В то время как скорость пули зависит от конструкции ружья и свойств пороха, скорость света одинакова при всех источниках света.
Поставим на пути луча стеклянную пластинку. Во время прохождения пластинки скорость света уменьшится, поскольку в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако, выйдя из пластинки, свет вновь пойдет со скоростью 300 000 километров в секунду!
Распространение света в пустоте, в отличие от всех других движений, обладает тем важнейшим свойством, что его нельзя замедлить или ускорить. Какие бы изменения ни претерпевал луч света в веществе, по выходе в пустоту он распространяется с прежней скоростью.
Свет и звук
В этом отношении распространение света похоже не на движение обычных тел, а на явление распространения звука. Звук есть колебательное движение той среды, в которой он распространяется. Поэтому его скорость определяется свойствами среды, а не свойствами звучащего тела: скорость звука, подобно скорости света, не может быть ни уменьшена, ни увеличена даже посредством пропускания звука через какие-нибудь тела.
Если, например, на пути его распространения поставить перегородку из металла, то, изменив свою скорость внутри этой перегородки, звук обретет первоначальную скорость, как только вновь вернется в первоначальную среду.
Поместим под колпак воздушного насоса электрическую лампочку и электрический звонок, а затем начнем выкачивать воздух. Звук звонка будет ослабляться, пока совсем не перестанет быть слышимым, лампочка же продолжает светить по-прежнему.
Этот опыт прямо показывает, что звук распространяется только в вещественной среде, свет же может распространяться и в пустоте.
В этом существенное между ними различие.
Принцип относительности движения кажется поколебленным
Колоссальная, но все же не бесконечная скорость света в пустоте и привела к конфликту с принципом относительности движения.
Представим себе поезд, движущийся с огромной скоростью — 240 000 километров в секунду. Пусть мы находимся в голове поезда, а в его хвосте зажигается лампочка. Поразмыслим над тем, каковы могут быть результаты измерения времени, необходимого свету, чтобы пройти от одного конца поезда до другого.
Это время, казалось бы, будет отличаться от того, которое мы получим в покоящемся поезде. В самом деле, относительно поезда, движущегося со скоростью 240 000 километров в секунду, свет должен бы иметь скорость (вперед по ходу поезда) всего лишь в 300 000–240 000 = 60 000 километров в секунду. Свет как бы догоняет убегающую от него переднюю стенку головного вагона. Если поместить лампочку в голове поезда и измерять время, необходимое свету, чтобы дойти до последнего вагона, то, казалось бы, скорость света в направлении, противоположном движению поезда, должна составить 240 000 + 300 000 = 540 000 километров в секунду. (Свет и хвостовой вагон идут навстречу друг другу.)
Итак, выходит, что в движущемся поезде свет должен был бы распространяться в разные стороны с различными скоростями, в то время как в поезде неподвижном скорость эта одинакова в обоих направлениях.
Совершенно иначе обстоит дело с пулей. Будем ли мы стрелять по направлению движения поезда или навстречу ему, скорость пули относительно стенок вагона будет всегда одной и той же — равной скорости полета пули в неподвижном поезде.
Дело в том, что скорость пули зависит от скорости, с которой движется ружье. Скорость же света, как мы уже сказали, не изменяется от изменений скорости перемещения лампочки.
Наше рассуждение, казалось бы, ясно показывает, что распространение света находится в резком противоречии с принципом относительности движения. В то время как пуля и в покоящемся и в движущемся поезде летит относительно стенок вагона с одинаковой скоростью, свет в поезде, движущемся со скоростью 240 000 километров в секунду, по-видимому, в одну сторону распространялся бы в пять раз медленнее, а в другую — в 1,8 раза быстрее, чем в поезде покоящемся.
Изучение распространения света должно, казалось бы, дать возможность установить абсолютную скорость движения поезда.
Возникает надежда: а нельзя ли, используя явление распространения света, установить понятие абсолютного покоя?
