Чтение онлайн

Специальная теория относительности расширяет принцип относительности Галилея. Кроме того, она добавляет еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности?

Все дело в том, что скорость света — это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Так думал, например, Аристотель. Правда, серьезные рассуждения, которые приводились в древности в пользу такой воз- возможности, кажутся нам сейчас не слишком надежными.

Например, Герон Александрийский рассуждал так. Если вы ночью повернете голову к небу, закрыв глаза, а затем внезапно откроете их, то вы увидите звезды немедленно. Раз между мгновением открытия глаз и мгновением, когда мы впервые видим звезды, не протекает никакого времени, свет распространяется мгновенно.

Это звучит для нас не очень убедительно. К тому же нужно сказать, что но мнению древних греков зрительные образы возникают вследствие излучения из глаз, а не вследствие испускания света (или его рассеяния) видимыми телами. Они держались, так сказать, «радиолокационной» теории зрения: чтобы что-то увидеть, нужно послать из глаз сигнал, а затем принять его обратно, — это отражение создаст и принесет нам видимый образ тела.

Скорость света долго еще считали бесконечной. Так думал, например, Кеплер, который прямо писал об этом в 1611 году.

Галилей был другого мнения. Он предложил не спорить, а проделать эксперимент. Пусть два человека, снабженные сигнальными фонариками, станут подальше друг от друга, насколько это возможно, и один из них включит свет. Другой должен включить свой фонарь, как только этот свет увидит. Время обмена сигналами можно измерить, а зная расстояние, нетрудно определить и скорость света. Галилей пытался проделать такой опыт, но его «экспериментальной технике» это было все же не под силу.

Эксперимент почти по такой же схеме провел позднее, в 1675 году, датский астроном Олаф Кристенсен Рёмер (1644—1710). Это был астрономический эксперимент, и «фонарем» служил ему один из открытых Галилеем спутников Юпитера — во время своих затмений. Конечность скорости света была подтверждена.

А в земных, лабораторных условиях опыт Галилея осуществил в 1849 году французский экспериментатор Ипполит Физо (1819—1896), которого Эйнштейн назвал в одной из своих работ гениальным физиком. В усовершенствованном варианте опыт был повторен затем в 1874 году. Он дал для скорости света величину 300 — 330 км/с. Современное наиболее точное значение скорости света получено с помощью атомных часов. Оно составляет 299 792456,2 м/с с точностью до погрешности эксперимента, которая оценивается как +/- 0,2 м/с.

Это — огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Она и вправду чуть ли не бесконечно велика.

Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с; скорость космической ракеты — 12 км/с, скорость Земли в ее орбитальном движении вокруг Солнца — 30 км/с: скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики — около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики вместе с большой группой других галактик — относительно других таких же групп — еще примерно в два раза больше.

Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это действительно огромная скорость, но все же и она еще мала по сравнению со скоростью света.

Большой спутник движется по орбите вокруг Земли и с него, как с космодрома, запускается ракета — автоматическая межпланетная станция к Венере. Это не мысленный эксперимент, так уже не раз бывало в истории советских космических исследований. Представим себе, что запуск производится строго в направлении движения «орбитального космодрома». Ясно тогда, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно «орбитального космодрома» плюс скорость самого этого «космодрома» относительно Земли. Скорости двух движений складываются, и потому ракета получает довольно большую скорость. Она может преодолеть притяжение Земли и улететь к другой планете.

А теперь другой эксперимент. Со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света с. Какова скорость распространения света относительно Земли ? Ответ: эта скорость — не больше с, она есть с и только с.

Если свет испускается не по движению спутника, а в прямо противоположную сторону, то и тогда относительно Земли свет будет распространяться со скоростью, не меньшей с, а снова равной этой величине.

Это — иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше с. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. Например, скорость человека, идущего вдоль вагона поезда по его ходу, может быть 1 метр в секунду. Это скорость относительно поезда. Но скорость человека относительно Земли, или относительно лаборатории в поле (вспомним мысленный эксперимент Эйнштейна), будет равна сумме: 1 метр в секунду плюс скорость поезда, которая может составлять, например, 30 метров в секунду. Итак, скорость человека относительно лаборатории в поле равна 31 метру в секунду. И вообще, когда мы говорим о скоростях, мы всегда должны сказать, относительно чего мы их измерили, ибо эти скорости относительны, они зависят от системы отсчета.

А скорость света не складывается с другими скоростями. К ней ничего ни прибавить, ее никак ни убавить. Скорость света абсолютна, она всегда одна и та же и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Эйнштейн пришел к мысли об абсолютности скорости света логическим путем. И подвели его к этому заключению теоретические исследования электромагнитных процессов в движущихся телах. Все опытные, экспериментальные данные об этих процессах приводят к такой теории электромагнетизма, из которой в качестве неизбежного следствия вытекает постоянство скорости света в пустоте.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ней. Постоянство этой скорости — закон природы, а потому — именно в соответствии с принципом относительности — он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Эйнштейн положил принцип относительности и закон распространения света в основу специальной теории относительности в качестве исходных аксиом.

В пользу постоянства скорости распространения света определенно говорят прямые эксперименты. Эйнштейн особенно ценил эксперимент голландского астронома и космолога де Ситтера (1872—1935). Это был астрономический эксперимент, основанный на наблюдениях двойных звезд. Наблюдения показали, что скорость света не зависит от скорости звезды, испускающей свет. Факт постоянства скорости света неизменно подтверждался и многочисленными последующими экспериментами.

Возможны ли в природе скорости движения, превышающие скорость распространения света в пустоте? Специальная теория относительности и весь опыт физики отвечают на этот вопрос отрицательно. Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости.

Стоит напомнить, что со скоростью света распространяются в пустоте все электромагнитные волны, а не только волны из «видимого» диапазона частот, соответствующих зрительной способности человеческого глаза воспринимать электромагнитное излучение. Скорость распространения любых электромагнитных волн равна «рекордной» скорости с. Радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение — все они имеют в пустоте эту скорость. Последние известия по радио и вообще любые сообщения мы можем передавать с этой предельной скоростью — но никогда не быстрее. Поэтому часто говорят, что скорость света — это предельная скорость передачи информации.