Остров знаний

В 1887 году Альберт Михельсон и Эдвард Морли провели блестящий эксперимент, чтобы измерить влияние эфира на распространение света. Они исходили из предположения о том, что если эфир действительно существует, то он представляет собой инертную среду в состоянии абсолютного покоя – что-то вроде воздуха в тихий ясный день. Максвелл доказал, что электромагнитные волны движутся в неподвижном эфире со скоростью света. Но уже со времен Галилея ученым было известно, что скорости измеряются с использованием заданной точки отсчета. Например, если вы стоите у магазина, а мимо вас проезжает машина, вы измеряете ее скорость относительно вашего состояния покоя. Но если вы не стоите, а едете на велосипеде в том же направлении, то скорость машины относительно вас будет меньше. Введение абсолютной системы координат не соответствовало понятию относительности, так как в таком случае все скорости можно было бы измерять относительно эфира. Каким бы радикальным ни казалось это объяснение, альтернатива, то есть движение света в вакууме, выглядела еще хуже.

У Михельсона и Морли возникла хитроумная идея. Раз Земля движется вокруг Солнца, то ей навстречу должен дуть эфирный ветер. То же самое происходит, когда мы едем на велосипеде или в машине даже в самую безветренную погоду. Мы все равно чувствуем движение воздуха себе в лицо. Если пустить луч света в направлении, противоположном направлению эфирного ветра, скорость его движения должна будет замедлиться. И наоборот, луч, направленный по ходу вращения Земли вокруг Солнца, не должен встретить никаких препятствий. Научное сообщество было шокировано, когда Михельсон и Морли провели измерения в двух перпендикулярных направлениях и не обнаружили никакой разницы. Их эксперимент показал, что свет движется с одинаковой скоростью, в какую бы сторону он ни светил. Если эфир и существовал, то свет, очевидно, никак на него не реагировал, что лишало эфир всякого смысла.[112]

Началась паника. Многие пытались придумать правдоподобные объяснения тому, почему эксперимент «провалился». К примеру, ирландский физик Джордж Фицджеральд и голландский ученый Хендрик Антон Лоренц независимо друг от друга предположили, что любой материальный объект, движущийся в направлении, противоположном эфиру, немного сжимается, включая и приборы для наблюдения. Чем быстрее движение, тем сильнее должно было быть сжатие. Если бы теория Фицджеральда и Лоренца была правдой, она бы объяснила, почему эксперимент не выявил никакой разницы: свет замедлился при движении против эфира, но ему пришлось пройти меньшее расстояние из-за уменьшения длины измерительного прибора. Соответственно, опыт Михельсона и Морли не показывал ровно ничего нового.

Хотя некоторых ученых эта теория успокоила, убедить она не смогла никого, потому что возникла на пустом месте. И даже если Фицджеральд и Лоренц были правы, оставался еще один базовый вопрос: почему в противоречие всей ньютоновской физике, в которой законы природы остаются неизменными для любой системы отсчета с постоянной скоростью, электромагнетизму требовалась универсальная система координат? Два кита классической научной картины мира, механика Ньютона и электромагнетизм Максвелла, с трудом соответствовали друг другу. Что-то, очевидно, шло не так. Но ответ уже был близок.

Эйнштейн начал свою знаменитую работу 1905 года о специальной теории относительности с замечания о том, что теории Максвелла требуется абсолютная система отсчета. Затем он отмечает, что в электромагнетизме, как и во всей физике, любое количество наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью, должно получать одинаковые результаты наблюдений. Эйнштейн пишет, что «безуспешные попытки определить движение Земли относительно “световой среды” показывают, что электродинамические явления, равно как и механические, не имеют никаких свойств, соответствующих понятию абсолютного покоя».[113] В его революционном труде говорится о том, что пространство сокращается по направлению движения, а ход часов (или в более широком смысле время) замедляется. Итак, идея Фицджеральда и Лоренца не была ошибочна. Неверной была лишь ее интерпретация, предполагающая существование универсальной инертной среды. Эйнштейн избавляется от идеи эфира и объясняет, что электромагнетизм Максвелла полностью согласуется с любой инерциальной системой отсчета (то есть движущейся с постоянной скоростью) до тех пор, пока действует новый постулат, сформулированный им следующим образом: «Свет всегда распространяется в вакууме с определенной скоростью с, которая не зависит от движения источника света».[114]