Скорость света

Второй ключевой компонент специальной теории относительности связан со светом и свойствами его распространения. Только что мы говорили, что утверждение «Джордж движется со скоростью 10 км/ч» не имеет смысла без указания ориентира для сравне¬ния. Однако в результате почти столетних усилий ряда выдающихся физиков-экспери¬ментаторов было показано: все наблюдатели согласятся с тем, что свет движется со скоро¬стью 300 000 км/с, независимо от ориентира для отсчета.

Этот факт потребовал революционных изменений наших взглядов на Вселенную. Попробуем сначала понять его смысл, сопо¬ставляя со сходными утверждениями приме¬нительно к более обычным объектам. Пред¬ставим, что стоит прекрасный солнечный денек, и вы вышли на улицу поиграть в мяч с подругой. В течение какого-то времени вы оба лениво бросали мяч друг другу со ско¬ростью, скажем, 6 м/с. Вдруг налетает неожиданная гроза, и вы оба бежите от нее в поисках укрытия. После того, как гроза прошла, вы решаете вернуться к игре в мяч, но вдруг замечаете, что что-то изменилось. Волосы вашей подружки встали дыбом и тор¬чат в разные стороны, глаза округлились и стали безумными. Взглянув на ее руку, вы со страхом видите, что она больше не хочет играть в мяч, а вместо этого собирается за¬пустить в вас ручной гранатой. Понятно, что ваш энтузиазм по поводу игры в мяч резко идет на убыль, вы поворачиваетесь и бежи¬те. Когда ваша партнерша бросает гранату, она летит в вашу сторону, но поскольку вы бежите, скорость, с которой она прибли¬жается к вам, будет меньше 6 м/с. Исходя из повседневного опыта, можно утверждать, что вы можете бежать со скоростью, скажем, 3,6 м/с, и тогда ручная граната будет прибли¬жаться к вам со скоростью 6 — 3,6 = 2,4 м/с. Еще один пример. Если вы находитесь в го¬рах, и на вас с грохотом мчится снежная лавина, вы стремитесь повернуться и бро¬ситься бежать, поскольку это уменьшит ско¬рость, с которой снег приближается к вам, и даст хоть какую-то надежду на спасение. Как и раньше, для неподвижного наблю¬дателя скорость приближения лавины будет больше, чем с точки зрения наблюдателя, спасающегося бегством.

Ну а теперь сравним все наши наивные наблюдения за мячами, гранатами и снежными лавинами с фактами, относящимися к свету. Чтобы облегчить сравнение, будем рассматривать луч света как совокупность крошечных «сгустков» или «комочков», известных под названием фотонов (более по¬дробно свойства света будут обсуждаться в главе 4). Когда мы включаем сигнальные огни или испускаем лазерный луч, мы, на самом деле, выстреливаем пучок фото¬нов в ту сторону, в которую направлено устройство. Как и в случае с гранатами и лавинами, давайте рассмотрим, как дви¬жение фотона выглядит для наблюдателя, который находится в движении. Предполо¬жим, что ваша потерявшая рассудок подруга вместо гранаты взяла в руки мощный лазер. Если она стреляет из лазера в вашу сторону, а у вас есть под рукой подходящее измери¬тельное устройство, вы можете обнаружить, что скорость приближения фотонов пучка составляет 300000 км/с. А что произойдет, если вы станете убегать, как вы поступи¬ли, столкнувшись с перспективой поиграть с ручной гранатой? Какое значение скоро¬сти вы получите для приближающихся фо¬тонов? Для большей внушительности, предположим, что в вашем распоряжении звездный корабль «Энтерпрайз», и вы удираете от своей подружки со скоростью, скажем, 50 000 км/с. Следуя логике традиционного ньютоновского подхода, поскольку вы убе¬гаете, измеренная вами скорость приближа¬ющихся фотонов окажется меньше. Соответ¬ственно, вы можете рассчитывать, что они приближаются к вам со скоростью, равной 300 000 - 50 000 = 250 000 км/с.

Растущее количество различных экспериментальных данных, первые из которых относятся еще к 1880-м гг., а также тщательный анализ и интерпретация максвелловской электромагнитной теории света, по¬степенно убедили научное сообщество, что на самом деле вы получите другой резуль¬тат. Даже несмотря на то, что вы убегаете, результат вашего измерения скорости приближающихся фотонов все равно составит 300 000 км/с и ни на йоту меньше. На первый взгляд это выглядит очень забавно и совершенно не согласуется с тем, что происходи¬ло, когда вы убегали от приближающегося мяча, гранаты или лавины, однако скорость приближающихся фотонов всегда будет со¬ставлять 300 000 км/с. Движетесь ли вы навстречу приближающимся фотонам или пре¬следуете удаляющиеся, не имеет значения: скорость их приближения или удаления бу¬дет оставаться совершенно неизменной, и вы всегда получите значение 300 000 км/с. Неза¬висимо от относительного движения между источником фотонов и наблюдателем, ско¬рость света всегда будет одной и той же 2).

Технологические ограничения таковы, что описанные выше «эксперименты» со све¬том не могут быть проведены. Однако были проведены другие, сопоставимые эксперименты. Например, в 1913 г. голландский физик Виллем де Ситтер предположил, что для измерения влияния движения источни¬ка на скорость света могут использовать¬ся движущиеся с большой скоростью двойные звезды (две звезды, которые вращают¬ся одна вокруг другой). Результаты много-численных экспериментов такого рода, выполненных за последние восемьдесят лет, продемонстрировали, с впечатляющей точ¬ностью, что скорость света от движущейся звезды равна скорости света, испускаемо¬го неподвижной звездой, т. е. 300 000 км/с. Более того, в течение прошлого столетия было проведено большое число других, весьма тщательных экспериментов, в ходе которых скорость света измерялась прямо и косвенно в самых разных условиях. Были проверены также различные следствия постоянства ско¬рости света, и все эти данные подтвердили неизменность скорости света.

Если вам покажется, что это свойство света трудно усвоить, вы можете утешать¬ся тем, что вы не одиноки. В начале XX в. физики потратили немало усилий на то, чтобы опровергнуть его. Они не смогли этого сделать. Эйнштейн, напротив, приветствовал постоянство скорости света, поскольку оно позволяло разрешить противоречие, ко¬торое беспокоило его с тех пор, когда он был подростком: независимо от того, с какой ско¬ростью вы движетесь за лучом света, он по-прежнему будет удаляться от вас со скоро¬стью света. Вы не можете сделать восприни¬маемую скорость, с которой движется свет, ни на йоту меньше чем 300 000 км/с, не говоря уж о том, чтобы свет казался покоящим¬ся. Вердикт окончательный, обжалованию не подлежит. Но триумфальное разрешение парадокса скорости света было не просто маленькой победой. Эйнштейн понял, что постоянство скорости света означает нис¬провержение всей ньютоновской физики.

Б. Грин