Страница 45 из 62
Согласно принципу относительности скорость света, измеренная в «опыте L1», снова должна оказаться равной c, поскольку одна инерциальная система ничем не хуже другой.
Действительно, получив другое значение скорости света в системе K1, мы убедились бы, что законы природы различны в различных инерциальных системах. Пока все хорошо.
Но мы имеем полное право рассматривать любой опыт из любой системы отсчета. Рассмотрим и опишем «опыт L1», используя систему K.
В системе K источник света S1 и вся экспериментальная установка движутся направо со скоростью v. И мы сейчас убедимся, что в ней скорость светового луча, бегущего от этого источника направо, равна скорости света плюс скорость системы K1 относительно системы K, то есть (c + v). И соответственно, налево свет бежит со скоростью, равной разности скорости света и скорости системы K1, то есть (с – v).
Мы подошли к очень важному месту и, чтобы лучше понять дальнейшее, перейдем от общих, абстрактных рассуждений к конкретному примеру.
Пусть физик находится со своей установкой в вагоне равномерно идущего поезда. Измерения, которые он провел, показывают, что скорость света относительно источника не зависит от направления, а постоянна и равна определенному числу — c. Иначе говоря, он установил, что свет одновременно достиг передней и задней стенок вагона через Δt, и определил скорость
c = ½l/Δt.
Если вагон сделан из стекла, наблюдатель на полотне дороги также может изучать процесс распространения света. Однако для него все будет выглядеть несколько по-другому.
Пока свет бежит от источника к стенкам вагона, поезд проезжает некоторое расстояние. Передняя стенка «убегает», а задняя «бежит навстречу» световому лучу. До нее свет должен пройти меньшее расстояние. Но свет достигает стенок одновременно! Очевидно, это может быть только, если вперед свет распространяется с большей скоростью, чем назад.
Скорости эти можно найти совершенно просто. Как только что было сказано, скорость светового луча «вперед» равна c + v, а «назад» с – v (здесь v — скорость вагона).
Тот же самый вывод можно получить, рассуждая несколько иначе. Относительно источника света скорость света постоянна и в любой системе отсчета равна с (принцип относительности!).
Если луч света из фар паровоза «убегает» от поезда со скоростью c, а поезд «убегает» от наблюдателя на полотне со скоростью, v, то от наблюдателя на полотне свет «убегает» со скоростью c + v. Соответственно скорость луча света, посланного из фонарика на концевом вагоне, относительно полотна дороги равна с – v. В этом мы убеждаемся сразу, применив формулу сложения скоростей.
Говоря иначе, мы пришли к выводу, что скорость света зависит от движения источника. При выводе этого положения мы использовали только принцип относительности, и потому, если наше утверждение не оправдывается на опыте, принцип относительности для электромагнитных явлений несправедлив.
Итак, принимая принцип относительности, мы должны заключить, что если в какой-то системе отсчета источник света движется со скоростью v (см. рисунок), то прибор A, помещенный слева от источника, покажет, что свет, посылаемый источником, распространяется со скоростью с – v. Соответственно прибор B покажет, что свет распространяется со скоростью c + v. Одним словом, скорость источника света следует геометрически сложить со скоростью светового сигнала. И скорость света, которая относительно источника всегда равна одному и тому же значению c, естественно, изменяется в той системе отсчета, где источник движется.
Совершенно точную аналогию только что сказанному получим, рассматривая взрыв снаряда. Осколки снаряда разлетаются с одной и той же скоростью относительно центра тяжести снаряда.
Выберем две системы отсчета: одну — связанную с Землей, другую — с центром тяжести системы снарядных осколков.
Координатные оси определим так, чтобы в момент взрыва начала координат обеих систем находились в той точке, где взрывается снаряд. Тогда через время t осколки окажутся на поверхности сферы радиусом c · t, центр которой совпадает с центром тяжести снарядных осколков и, следовательно, с началом координат системы отсчета, связанной с центром тяжести.
Центр этой сферы, однако, уже не будет совпадать с началом координат для наблюдателя с Земли, который скажет, что в момент t осколки находятся на поверхности сферы, центр которой удален от начала координат на расстоянии vt. Далее — в системе центра тяжести снаряда скорость осколков не зависит от направления полета и постоянна, а в системе отсчета «Земля» скорости зависят от направления и изменяются от с – v до c + v.
Ввиду этой аналогии теорию, согласно которой скорость света зависит от движения источника, и назвали «баллистической».
Естественно, эта теория легко объясняет отрицательный результат опыта Майкельсона[57]. Однако чем глубже исследовали выводы баллистической теории, тем безрадостней становилась картина. Преломление, отражение, интерференция, дифракция света — все эти явления нельзя было удовлетворительно объяснить.
Но главное, в 1913 году было показано, что наблюдаемые движения двойных звезд прямо противоречат баллистической теории. В чем именно противоречие и при чем тут именно двойные звезды, нам не так важно. Примем на веру, что в 1913 году появились эксперименты, опровергающие баллистическую теорию.
Обратите внимание на дату — 1913! Уже восемь лет прошло после того, как вышел труд Эйнштейна. Когда Эйнштейн писал свою работу, не существовало ни экспериментов, непосредственно противоречащих баллистической теории, ни, впрочем, самой теории, которую предложил Ритц только в 1908 году[58]. Нет сомнения, что в процессе работы Эйнштейн обязан был рассмотреть гипотезу, которую впоследствии высказал Ритц. Действительно, стоит принять принцип относительности, как баллистическая гипотеза напрашивается, «стучится в дверь». Несколькими строками выше мы пытались доказать, что она единственно возможное следствие принципа относительности. Просмотрите еще раз эти рассуждения и попробуйте найти ошибку! Все кажется так безукоризненно ясно и логично. Но если так, то мы попали в очень неприятное положение. Поглядите, что получилось.
1. Опыт Майкельсона убеждает нас в принципе относительности.
2. Принимая принцип относительности, мы как будто доказали, что скорость света должна зависеть от скорости источника, и тем самым обосновали баллистическую теорию.
57
Как помните, для объяснения опыта Майкельсона достаточно принять принцип относительности.
58
Так что, говоря о теории Ритца до обсуждения теории относительности, мы несколько погрешили против хронологии.