История физики

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.

. В 1887 г. Вольдемар Фойгт (1850-1919) заметил в одной из своих работ, что вышеуказанное преобразование ведет от одной справедливой для оптики системы отсчета к другой, подобной же системе. В 1900 г. Анри Пуанкаре (1854-1912) пояснил это остроумным мысленным опытом. В 1904 г. эта мысль укрепилась под влиянием электродинамики Лорентца, который уже применял релятивистски измененную механику (гл. 2). Но исходным пунктом всех предшественников теории относительности было все же то, что электромагнитные и оптические процессы протекают так, как будто бы это преобразование ведет опять к приемлемой системе отсчета. Лорентц, например, установил различие expressis verbis между собственным временем, непосредственно применяющимся в привилегированной системе отсчета, абсолютным временем и «местным временем», которое вычисляется из абсолютного времени и пространственных координат для других систем отсчета. Решающий поворот, отказ от «как будто бы», совершил в 1905 г. А. Эйнштейн. На основе глубокого воззрения на сущность пространства и времени он высказал мнение о полном равноправии всех систем отсчета, полученных с помощью преобразования Лорентца из одной допустимой системы, и, следовательно,

равноправии всех относящихся к этим системам измерений пространства и времени. Чрезвычайно интенсивная полемика против теории относительности возникала зачастую из-за недостатка глубокого воззрения у оппонентов. Новая принципиальная установка привела Эйнштейна к вершине всего здания теории относительности - к закону инертности энергии (гл. 2).

Материальный носитель света, эфир, несовместим с теорией относительности. Он дал бы, как было сказано, предпочтение одной определенной системе отсчета. Взгляд Фарадея - Максвелла на электромагнитное поле как на изменение состояния эфира становится также неприемлемым. Не оставалось ничего иного, как усмотреть в электромагнитном поле самостоятельную физическую реальность.

Другое следствие из лорентцовского преобразования гласит, что движущиеся часы идут медленнее покоящихся. В качестве «часов» можно рассматривать периодические колебания в атомах, порождающие спектральные линии. Правда, этот эффект мал, второго порядка, и потому его трудно обнаружить. Скорости каналовых лучей оказались все же достаточными, чтобы его констатировать. «Квадратичный эффект Допплера» переплетается с классическим эффектом Допплера; его фактически наблюдали в 1938 г. Г. Айвс и Г. Р. Стивел, в 1939 г. Г. Отинг.

Специальная теория относительности, о которой здесь идет речь, явилась итогом продолжавшегося в течение столетия развития. Именно поэтому она не поставила перед экспериментальным исследованием новых проблем. Все опыты, произведенные с тех пор, являлись только улучшением прежних опытов. Мы выше уже упоминали о повторениях опыта Майкельсо-на. Укажем еще на электромеханический опыт, предложенный в 1903 г. Фр. Т. Троутоном и Г. Р. Ноблем, точность которого была поднята в 1926 г. Р. Томаше-ком до уровня точности опыта Майкельсона. Заряженный электростатический конденсатор, подвешенный так, чтобы он мог вращаться, должен был, согласно элек-

тронной теории, поворачиваться вследствие вращения Земли, но само собой разумеется, что согласно теории относительности такое вращение не должно было происходить. Вычисленный на основе электронной теории результат оказался малой величиной второго порядка. Несмотря на это, упомянутые исследователи убедились, что вращения действительно не было.

Перед математиками и теоретиками-физиками встала трудная задача. Они должны были приспособить к теории относительности все ветви физики, например, теорию упругости, гидродинамику, термодинамику и относящиеся к веществу части теории Максвелла. Изящную математическую формулировку теории относительности дал Герман Минковский (1864-1909), который незадолго до смерти ввел время как четвертую координату, равноправную с тремя пространственными координатами. Но это - только очень ценный и искусный математический прием; в противоположность существующему мнению, ничего более глубокого здесь не скрывается. В 1911 г. Макс Лауэ дал первое синтетическое изложение специальной теории относительности.

Но Эйнштейн не остановился на специальной теории относительности. С измерением пространства дело обстоит так же, как с измерением времени (гл. 1). Перед нашим созерцанием лежит континуум, и мы должны внести туда систему мер; но эта система в связи с трехмерностью пространства сложнее. В принципе существует бесконечно много равноправных методов измерения. Математики используют это многообразие, когда они свободно создают неевклидовы геометрии. Но физика должна это многообразие ограничить выбором той геометрии, которая даст возможность простого изложения законов природы. Смысл вопроса в том, какая геометрия соответствует опыту. Когда, например, Гаусс, с целью испытать значимость евклидовой геометрии, путем геодезических измерений

(следовательно, оптически) исследовал, действительно ли сумма углов в треугольнике Брокен - Инсельсберг- Высокий Гаген равна 180°, как утверждает эта геометрия в противоположность другим, он неявно допускал для простоты, что лучи света следуют по геодезическим («наикратчайшим») линиям. Если от этого отказаться, то невозможно будет вывести геометрическое заключение из результата опыта, подтверждающего эту сумму углов.

В то время как до сих пор физика была вполне удовлетворена евклидовой геометрией, общая теория относительности Эйнштейна, которая постепенно развивалась с 1913 г., утверждает, что для объяснения тяготения необходимо пользоваться неевклидовой, «римановой» геометрией. Отклонения от евклидовой геометрии минимальны даже вблизи таких больших масс, как Солнце, и проявляются только в очень немногих наблюдениях. Это, во-первых, не объясненный теорией движения планет остаток движения перигелия Меркурия (гл. 3); во-вторых, отклонение света Солнцем, которое, согласно наблюдениям Артура Стенли Эддингтона (1882-1944) во время солнечного затмения в 1919 г., точно соответствует предсказанию Эйнштейна. Последующие наблюдения затмений доставили, правда, несколько большую величину. В-третьих, нужно усмотреть подтверждение теории в новых спектральных наблюдениях, особенно касающихся плотной звезды - спутника Сириуса, в спектре которой линии значительно смещены в красной части спектра по отношению к их положению в земном спектре.

Общая теория относительности еще не закончена; но за ней останется на все времена слава предсказания отклонения света без применения специальных ad hoc сделанных допущений*).

*) Посредством подобных допущений также предсказывали отклонение света.