Теория относительности Эйнштейна за 1 час - Наталья Сердцева

Теперь изменим условия эксперимента: вместо мячей будут действовать фонарики, посылающие световые лучи в противоположные стороны. Для второго наблюдателя, находящегося в трюме, ситуация будет аналогична предыдущему эксперименту: лучи достигнут противоположных стен одновременно. Но для первого наблюдателя, который неподвижен сам, но видит движение корабля, все будет выглядеть иначе. Скорость света постоянна, закон сложения скоростей в этом случае не работает. Поэтому луч, направленный вправо, достигнет стены позже, чем луч, идущий влево: корабль движется, расстояние для левого луча сократилось, а для правого увеличилось. Получается, что события, одновременные в системе отсчета второго наблюдателя, не одновременны в системе отсчета первого.

Хендрик Лоренц вывел уравнения, позволяющие сохранять величины при переходе из одной системы отсчета в другую, еще до того, как Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Изучая следствия второго постулата своей теории – постоянства скорости света, Эйнштейн обнаружил, что преобразования Лоренца выводятся из него даже без обращения к уравнениям Максвелла. Когда-то Лоренц обнаружил, что его преобразования имеют странные «побочные эффекты»: сокращение длины движущегося тела и замедление времени в движущемся объекте. Он считал, что на сокращение длины влияет эфир, свойства которого еще не изучены и потому непонятны, а замедление времени называл «кажущимся», считая его условным.

Мнение Эйнштейна по этому вопросу было полностью противоположным. Ученый был уверен: все эти эффекты имеют место в реальности, их восприятие зависит от системы отсчета. Ракета, пролетающая мимо нас со скоростью, близкой к скорости света, в нашей системе отсчета имела бы меньшие размеры, чем та же ракета в состоянии покоя. Для наблюдателей, смотрящих на нас из ракеты, ситуация была бы точно такой же. Так как движение относительно, то наблюдатели считали бы себя покоящимися, а нас – проносящимися мимо со скоростью, близкой к скорости света. И мы для них, так же как ракета для нас, имели бы меньшие размеры.

То, что в движущейся системе отсчета (при очень высоких скоростях) время замедляется, хорошо иллюстрирует так называемый «парадокс близнецов». Этот мысленный эксперимент выглядит так: один из близнецов остается на Земле, другой летит на далекую планету в ракете, которая развивает скорость, близкую к скорости света. Допустим, по земным меркам полет длился два года. Но для близнеца, который находился в полете, время шло гораздо медленнее, у него прошло всего несколько дней. Так что по возвращении он оказывается моложе своего брата.

Запаздывание времени в движущейся системе отсчета, также как другие следствия постулатов теории относительности, были выведены Эйнштейном математически, с использованием преобразований Лоренца. В привычном нам мире все эти теории кажутся невероятными, но они реально действуют в мире высоких скоростей и неоднократно подтверждены современной экспериментальной наукой.

Первая из статей, опубликованная Эйнштейном в «чудесном» 1905 году в немецком журнале «Анналы физики», называлась «Об одной эвристической точке зрения на происхождение и превращение света». Речь в ней шла о явлении фотоэффекта, сам автор в одном из писем другу называл ее «весьма революционной».

Предыстория вопроса началась еще в XVII веке, когда ученые впервые задумались о природе света. Английский естествоиспытатель Роберт Гук тогда выдвинул теорию, что свет, так же как звук, является волной. Его современник и коллега из Нидерландов Христиан Гюйгенс написал «Трактат о свете», где поддерживал и развивал взгляды Гука. Этот труд считается наброском первой волновой теории света.

Тем не менее в физике XVII–XVIII веков главенствовала корпускулярная теория света, согласно которой свет состоит из мельчайших частиц – корпускул. Считалось, что их излучает любое светящееся тело. Исаак Ньютон поначалу тоже склонялся к этой теории, но впоследствии увидел, что свет порождает некоторые волновые эффекты (колебания, дифракцию – огибание препятствий). Он был на пороге того, чтобы выдвинуть компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света, но не сделал этого. Изучая и описывая свойства света, Ньютон создавал математические модели различных световых явлений, но не пытался дать им физическое определение. «Учение мое о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении», – писал он.

Таким образом, до начала XX века корпускулярная теория света была в физике общепринятой. Но в 1900 году немецкий ученый Макс Планк, занимавшийся проблемой теплового излучения, сам того не подозревая, заложил основы квантовой физики. Он первым ввел понятие «квант» – небольшая неделимая частица какой-либо физической величины. Планк предположил, что энергия света выделяется не волнами, а именно квантами. Альберт Эйнштейн в своей работе 1905 года согласился с теорией кванта и развил ее. «Согласно сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком», – написал он в начале статьи.

Ученый подчеркивал, что в современной ему физике представления о структуре материи и структуре света являются противоположными. «Согласно теории Максвелла, – писал Эйнштейн, – во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов. Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (или вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему».

Эйнштейн утверждал, что экспериментальные данные показывают несоответствие. Свет во многих случаях (в первую очередь, связанных с возникновением и превращением светового потока) ведет себя не как волна, а как совокупность дискретных частиц. Энергия пучка света, выходящего из конкретной точки светящегося тела, распределяется не непрерывно с возрастанием объема, как это происходит в случае волны, а складывается из отдельных квантов, цельных и неделимых, возникающих и поглощаемых только целиком.

Для доказательства ученый обращается к явлению фотоэффекта. Фотоэффект был открыт в начале XIX века, его активное изучение началось в конце того же столетия, наибольший вклад внесли Генрих Герц из Германии и Александр Столетов из России. Они заметили, что металлические тела, когда на них действует свет, начинают терять свой отрицательный электрический заряд. То есть свет «выбивает» электроны из металла. Если бы свет был волной, то скорость, с которой удаляются электроны, должна была зависеть от интенсивности этой волны (или от яркости и мощности пучка света). Но эксперименты показали, что мощность и интенсивность влияют на количество электронов, «выбиваемых» в единицу времени. А на скорость их «выбивания» влияет частота колебаний света, или его цвет.