Вячеслав Олегович Дредд
Чайники Рассела в современной науке
Статья 4. Эйнштейн
В этой статье мы разберем один из наиболее влиятельных на сегодня «чайников» – специальную теорию относительности (СТО) Эйнштейна. Статья описывает историю ее возникновения и развития, показывает, почему основной постулат СТО является софизмом, и как из него возникают удивительные релятивистские эффекты. Далее рассмотрим, из чего состоят многочисленные забавные споры об СТО. В отличие от прошлых материалов, эта часть требует большего внимания, поскольку читателю, если он не знаком с теорией относительности, потребуется вникнуть в материал. Но, проявив некоторое упорство, можно понять теорию относительности, и со стороны взглянуть на одно из любопытнейших сегодня явлений в теоретической науке. Замечу, что сторонники СТО могут улыбнуться, и сказать, что для понимания нужен не один год. Но автор имеет богатый опыт общения с ними, и может ответственно заявить, что сторонники имеют весьма смутное представление о том, как теория возникла, и почти никто из них не читал основу основ СТО – «к электродинамике движущихся тел».
Можно выразить всю критику теории относительности в нескольких строках:
Был произведен известный опыт, установивший, что «свет в пустоте движется всегда со скоростью с». Эйнштейн ловко расширил его до «свет в пустоте всегда движется со скоростью с – относительно любого наблюдателя». Эта трактовка, в корне меняющая смысл первого постулата, получила название «инвариантность» и легла в основу СТО. Из инвариантности выросла вся теория относительности Эйнштейна.
Давайте более подробно и основательно рассмотрим историю развития теории относительности.
Начнем с представления о классической относительности движения, которая лежит в основе СТО.
1. Классическое представление об относительности движения
Классическая относительность движения заключается в том, что в вакууме (пустоте) нельзя определить состояние движения какого-либо тела. Никто не может заявить, что его скорость в вакууме равна столько-то км/час и определить направление движения. Действительно, если представить единственный объект в космосе, то, как можно определить, с какой скоростью он движется и в каком направлении? Ведь вокруг пустота. Относительно пустоты скорость измерить невозможно, как и направление движения. Нельзя сказать, покоитесь вы, или двигаетесь в вакууме. Оговорюсь, что тут подразумевается тождественность понятий вакуум и пустота. Если полагать, что в вакууме находится, кроме единственного тела, еще объект – допустим, разряженный газ, то это другой случай, где можно мерить скорость относительно этого газа.
Скорость измерить можно лишь относительно другого объекта. Например, земля движется относительно солнца с определенной скоростью, луна движется относительно земли с орбитальной скоростью примерно километр в секунду.
Направление движения, траектория и скорость – все относительные понятия. Движение одного тела можно рассматривать только как относительное перемещение в сравнении с другим телом.
Эйнштейн показывал любопытный пример с падающей монеткой. Когда пассажир в трамвае роняет монетку, то монетка для него падает вертикально вниз с известным ускорением. Для пешехода, стоящего на остановке, монетка падает по дуге – к вертикальному падению добавится скорость автобуса. А если представить себе наблюдателя на солнце, то траектория монетки для него будет еще сложнее, поскольку придется учесть орбитальное и вращательное движение земли, которое принимает падающая в автобусе монетка.
В этом суть классического представления об относительности движения, которое отрицает абсолютное движение любого тела, т.е. движение в вакууме. Движение, противоположное относительному, называется абсолютным.
Представления об относительности движения уходят своими корнями вглубь истории, а тогда земля считалась центром мира, и подобные мысли в свое время пошатнули геоцентрическую модель с неподвижной землей.
Вот что писал Джордано Бруно.
«Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы, и как это показывает тысячью способами чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течёт, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звёздах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается всё окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь».
Во времена Ньютона вращение уже считалось абсолютным, так как наука имела представление о размерах вселенной, и признавать относительным вращение земли было неразумно – ведь такое представление заставляет все галактики вращаться вокруг земли ежесуточно. И об относительности стали говорить, как о прямолинейном движении.
Ньютон так сформулировал принцип относительности:
«Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключённых в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения»
Сегодня относительным движением принято считать прямолинейное равномерное движение, что, вероятно, связано с решением парадокса Близнецов.
Надо понимать, что все практические расчеты строятся на конкретных измерениях скоростей, будь то движение тел на земле, или орбитальные движения планет и спутников. Ведь никто не станет утверждать, двигаясь, к примеру, на автомобиле, что его автомобиль неподвижен и относительно него движется и земля, и вообще весь мир. Практические рассуждения такого рода бессмысленны. Но, надо отдать должное классике – во времена господства геоцентризма это была прогрессивная и дерзкая мысль.
Только представьте – сместить старушку-землю из центра мира, превратить декоративный купол звездочек в огромную вселенную с гигантскими солнцами, а нашу планету – в точку, затерянную в глубинах бесконечности. Это дорогого стоило, и в средние века здорово захватывало дух. Сейчас-то мы уже привыкли, и не удивляемся, но тогда это впечатляло.
2. Эксперимент Майкельсона – Морли
В 1887 году была установлена абсолютная скорость в вакууме – скорость света: «Свет движется в вакууме всегда с постоянной скоростью, не зависящей от состояния испускающего свет источника».
Этот постулат озвучивался в Лондонской Академии Наук, и был использован Эйнштейном в своей знаменитой работе «К электродинамике движущихся тел», положившей начало специальной теории относительности.
Казалось бы, относительного движения нет, поскольку экспериментально было обнаружено движение абсолютное. Но не тут-то было. Окунемся немного в историю.
В 18-19 в. считалось, что волнообразное распространение света происходит в некой среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские – в воде. Эта среда называлась «эфир» – субстанция, наполняющая весь космос. Колебания этой среды и есть свет.
Эфир, заполняющий все пространство, считался покоящимся в вакууме. Раз уж он находится везде, то и перемещаться ему некуда. И движение любого объекта, хоть и нельзя определить в вакууме, можно посчитать относительно эфира. Принцип относительности движения тут не работал, поскольку есть вездесущий покоящийся эфир, в котором можно измерить скорость любого объекта.
В 1887 году два американских физика – Альберт Майкельсон и Генри Морли провели эксперимент, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода – в другую. Наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль. Соответственно, эфира нет. (с) Статья из просторов Рунета.
Итак, эфир обнаружен не был. Но эксперимент, как было отмечено выше, установил другой пример абсолютного движения – скорость света в вакууме:
«Свет в вакууме всегда движется с постоянной скоростью с (около 300 000 км/с), не зависящей от состояния движения его источника».
Если посмотреть скептически, может возникнуть сомнение в правильности такого вывода. И действительно, как можно, пуская лучи света с земли, утверждать о скорости света в вакууме? Классический принцип относительности движения довольно убедительно говорит о невозможности подобного измерения.
Но, с другой стороны, свет может быть эталоном движения в вакууме. Скорость распространения света равна 300 000 км/с, а скорости всех остальных объектов определяем, сравнивая их со светом. Представьте, что в космосе есть лампочка, которая на миг включается. Свет от нее будет распространяться во все стороны со скоростью 300 000 км./с. Получится растущая сфера света, радиус которой увеличивается со скоростью света в секунду. Центр этой сферы будет неподвижен в вакууме. А если мы зажжем на миг кучу таких лампочек, которые летают в разных направлениях, то центры этих сфер будут неподвижны относительно друг дружки.
Эксперимент Майкельсона-Морли доказал отсутствие эфира и определил скорость света в вакууме. Опроверг один эталон абсолютного движения в вакууме, и тут же установил другой.
Но случилось так, что эфир, как эталон движения в вакууме, отменили, а скорость света, как эталон – не приняли. Точнее, приняли, но весьма специфическим образом.