Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Борьба между приверженцами корпускулярной и волновой теории продолжалась до начала XIX века, когда Томас Юнг и Огюстен Жан Френель независимо пришли к концепции света как поперечной волны. В частности, Юнг провел серию экспериментов, включающих в себя дифракцию, и убедительно доказал, что свет является волной. Янг прорезал в листе бумаги прямоугольное отверстие, поместил в него человеческий волос, а затем подсветил его свечой. В своих заметках от 1802 года он пишет: «Когда волос приблизился к краю свечи достаточно близко, чтобы на него падало достаточно света, начали появляться [чередующиеся черные и белые] полосы и легко было заметить, что их ширина была пропорциональна видимой ширине волоса, от которого они отходили».[111] К тому моменту, как Максвелл доказал, что свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, корпускулярная теория Ньютона была забыта. Эксперименты показывали, что свет при столкновении с препятствием ведет себя так же, как волны воды, и демонстрирует те же интерференционные узоры.

Однако чем больше внимания уделялось природе света, тем более странным казалось понятие эфира. Как и флогистон и теплород, он казался скорее не физическим, а магическим явлением. Чтобы заполнять собой все пространство, люминофорный эфир должен был быть жидкостью, подобной эфиру Аристотеля. Но при этом он одновременно должен был быть крепче стали (чтобы обеспечивать движение коротких волн) и прозрачнее стекла (иначе мы не могли бы видеть свет далеких звезд). Кроме того, у него не должно было быть ни массы, ни вязкости и он не должен был бы мешать орбитальному движению планет. Тот факт, что большая часть самых светлых научных умов того времени приняла подобную странную концепцию с полной уверенностью, показывает, как сложно отказаться от предубеждений, рожденных опытом. Волна должна была в чем-то распространяться. Ученому XIX века было гораздо проще поверить в эфир, чем предположить, что свет может двигаться в вакууме. Космос снова казался людям наполненным какой-то размытой субстанцией, недоступной для восприятия.

Для того чтобы эфир можно было признать полноправным физическим явлением, его следовало прямо или косвенно обнаружить. Учитывая его сверхъестественные свойства, первый вариант исключался, ведь для того, чтобы что-то можно было обнаружить, это что-то должно взаимодействовать с приборами. А какой детектор сможет засечь нечто неосязаемое и не имеющее вязкости? Итак, требовались косвенные доказательства, и найти их было не так-то просто.

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]