Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Для объяснения опыта Майкельсона такие крупнейшие физики, как Джозеф Лармор (1857–1942) и Гендрик Антон Лоренц (1853–1928), применили гипотезу сокращения тел в направлении их движения. Однако логические противоречия и искусственность объяснения многих явлений, касающихся электродинамики, продолжали оставлять чувство неудовлетворенности.

Разрубить гордиев узел всех противоречий выпало на долю величайшего физика нашего столетия Альберта Эйнштейна (1879–1955).

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (1879–1955) — гениальный ученый, творец теории относительности, революционизировавшей физическое мышление. В 1905 г. Эйнштейн публикует труд, посвященный специальной теории относительности. В 1907 г. им получена формула, связывающая энергию и массу тела. В 1915 г. Эйнштейн публикует общую теорию относительности. Из теории следовали новые законы тяготения и выводы о кривизне пространства.

Теорией относительности не исчерпывается вклад Эйнштейна в физику. Из работы Планка он делает вывод о существовании частицы света — фотона и показывает, каким образом можно с этих позиций объяснить ряд фундаментальных явлений, в том числе и фотоэффект.

Отправной точкой рассуждений Эйнштейна служил принцип относительности. Мало кто сомневался после Галилея, что в отношении механических движений все инерциальные системы равноправны (вернитесь, пожалуйста, к 1-й книге и освежите в памяти все, что было сказано по этому поводу). Получается как-то странно, да и несовершенно с эстетических позиций: для механических движений равноправие, а для электромагнитных его нет.

Откажемся от этой «некрасивой» точки зрения и примем, что принцип относительности верен для всех явлений.

А теперь задумаемся над результатом опыта Майкельсона. Попытки объяснить результат этого эксперимента, рассматривая распространение света в «эфире» наподобие распространения звука в воздухе, также не удовлетворяют Эйнштейна. Он чувствует, что «что-то» здесь не то. Собственно говоря, почему мы обязаны «подравнивать» свет и звук? Из-за того, что и тот и другой способны дифрагировать? Не такой уж сильный довод. Откажемся и от этой точки зрения и примем следующий постулат (на первый взгляд кажущийся диким): скорость света в вакууме одинакова с точки зрения всех наблюдателей, движущихся в разных инерциальных системах. В каком бы направлении ни бежала электромагнитная волна, какое бы тело ни послужило ее источником, земляне и инопланетяне, проживающие в другой галактике (как хочется многим фантазерам верить в их существование), измерят одну и ту же скорость — 299 792 км/с.

Вдоль прямолинейного участка железнодорожного пути катится вагон с неизменной скоростью v. Параллельно дороге идет шоссе. По нему в том же самом направлении, мчится мотоциклист. Инспектор ГАИ, пост которого расположен вблизи железной дороги, свистит вслед нарушителю — он промчался мимо него со скоростью u, куда большей, чем дозволено. Маленький радар, которыми теперь снабжены многие инспекторы, показывает 85 км/ч. Машинист поглядывает на мотоциклиста, который быстро нагоняет, а затем и обгоняет поезд. И этому наблюдателю нетрудно измерить скорость мотоциклиста. Она будет равна u' = 35 км/ч. Мне не надо доказывать читателю, что скорость поезда равна 50 км/ч. Справедлив закон сложения скоростей:

u = v + u'

И вот это, казалось бы сверхочевидное правило не подходит для светового луча. Фотоны движутся с одной и той же скоростью по отношению к двум наблюдателям, находящимся в разных инерциальных системах.

Гений Эйнштейна состоял в том, что он отказался от этого очевидного вывода не только для света, но желая сохранить единый подход ко всем физическим явлениям, как электромагнитным, так и механическим, взял на себя смелость отказаться от закона сложения скоростей для всех тел.

Разумеется, с подобных позиций опыт Майкельсона и объяснять нечего. Раз скорость света универсальна, значит, она будет одинаковой во всех направлениях — и вдоль земной орбиты, и поперек пути обращения Земли вокруг нашего светила.

Из сформулированных принципов сразу же следует что скорость света является максимальной скоростью[1].