Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

С помощью таких простых экспериментов ученые могут измерять сильные электрические и магнитные поля, а уравнения Максвелла предсказывают, что соотношение силы этих полей дает скорость волн. Так чему же равно это соотношение? Что предрекли измерения Фарадея в сочетании с математическим гением Максвелла? Это один из многих ключевых моментов в нашей истории и прекрасный пример, объясняющий, почему мы говорим о физике как об очень красивой, мощной и глубокой науке: электромагнитные волны Максвелла распространяются со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Удивительно, но это и есть скорость света: Максвелл наткнулся на объяснение природы самого света. Вы видите окружающий мир, потому что электромагнитное поле Максвелла несется сквозь тьму в ваши глаза со скоростью, предсказанной экспериментами с катушкой проволоки и магнитом. Уравнения Максвелла оказались щелью в двери, через которую свет проник в нашу историю о пространстве и времени. Существование в природе такой особой, единой и неизменной скорости, равной 299 792 458 метров в секунду, приведет нас в следующей главе (так же, как привело Эйнштейна) к отказу от концепции абсолютного времени.

Внимательный читатель заметит определенную нестыковку или как минимум некоторую небрежность с нашей стороны. С учетом сказанного в главе 1 нет никакого смысла говорить о скорости без указания, относительно чего она определяется, а в уравнениях Максвелла нет ни одного упоминания об этой проблеме. По всей видимости, скорость волн (то есть скорость света) выступает в качестве константы природы, соотношения сил электрического и магнитного полей. Нигде в этой элегантной математической структуре нет места для скорости источника волны или ее приемника. Максвелл и его современники, конечно же, знали об этом, но это не слишком их беспокоило. Дело в том, что большинство ученых того времени (если не все) считали, что все волны, включая свет, должны распространяться в какой-то среде. Должно быть какое-то «реальное вещество», переносящее колебания. Это были практичные парни, похожие на Фарадея, в понимании которых ничто не могло колебаться само по себе без какой-либо поддержки. Волны на воде могут существовать только в присутствии воды, а звуковые волны распространяются исключительно в воздухе или в другом веществе, но определенно не в вакууме: «В космосе никто не услышит ваш крик».

Так в конце XIX столетия возобладало мнение, что свет должен проходить сквозь некую среду, известную как «эфир». Скорость, появившаяся в уравнениях Максвелла, в те годы получила естественную интерпретацию как скорость света по отношению к эфиру. Это прямая аналогия с распространением звуковых волн в воздухе. При неизменной температуре и давлении воздуха звук всегда распространяется с постоянной скоростью, зависящей только от деталей взаимодействия между молекулами воздуха и не имеющей ничего общего с движением источника волн.

Однако, если подумать, эфир – очень странное вещество. Он должен пронизывать все пространство, поскольку свет проходит через пустоту между Солнцем и Землей и далекими звездами и галактиками. Когда вы идете по улице, вы должны двигаться через эфир, и сама Земля должна перемещаться сквозь эфир в своем путешествии вокруг Солнца. Все, что движется во Вселенной, должно проходить сквозь эфир, который при этом не должен оказывать никакого (или практически никакого) сопротивления движению твердых объектов, в том числе таких больших, как планеты. В противном случае движение Земли во время каждого из 5 миллиардов оборотов вокруг Солнца замедлялось бы подобно тому, как замедлился бы подшипник в банке с медом, а продолжительность наших земных лет за это время постепенно изменилась бы. Единственное разумное предположение, которое можно сделать, – это что Земля и вообще все объекты в эфире перемещаются беспрепятственно. Вы можете посчитать, что это делает невозможным доказательство существования эфира, но экспериментаторов викторианской эпохи такой пустяк не смущал. Во время серии высокоточных экспериментов, начавшихся в 1881 году, Альберт Майкельсон[6] и Эдвард Морли[7] попытались обнаружить то, что на первый взгляд казалось не поддающимся обнаружению. В основе этих экспериментов лежал на удивление простой замысел. В своей прекрасной книге по теории относительности, написанной в 1925 году, Бертран Рассел уподобляет движение Земли через эфир прогулке в ветреный день: в какой-то момент вам придется идти против ветра, а в какой-то – по пути с ним. Поскольку Земля проходит через эфир по мере вращения вокруг Солнца, а Земля и Солнце вместе летят сквозь эфир в своем путешествии вокруг Млечного Пути, то в какой-то момент на протяжении года Земля должна двигаться против эфирного ветра, а в какой-то – вместе с ним. И даже в том маловероятном случае, когда Солнечная система в целом находится в покое относительно эфира, движение Земли будет по-прежнему ощущать на себе эфирный ветер при путешествии вокруг Солнца, подобно тому как в совершенно тихий день вы чувствуете, как ветер обдает лицо, когда высовываетесь из окна движущегося автомобиля.

Майкельсон и Морли поставили перед собой задачу измерить скорость света в разное время года. Они (как и все остальные) были уверены, что в течение года она меняется, пусть и на малую величину, потому что скорость Земли (а вместе с ней и их экспериментальной установки) по отношению к эфиру должна постоянно меняться. В эксперименте использовалась очень чувствительная методика под названием «интерферометрия». За шесть лет экспериментов Майкельсон и Морли довели ее чувствительность до небывалого уровня, но ко времени публикации в 1887 году полученный результат был однозначно отрицательным. Не отмечалось никакой разницы в скорости света в любом направлении и в любое время года.

Если гипотеза эфира корректна, этот результат очень трудно объяснить. Например, представьте себе, что вы решили погрузиться в реку с быстрым течением и поплыли по ней вниз. Если вы плаваете со скоростью пять километров в час относительно воды, а река течет со скоростью три километра в час, то относительно берега вы плывете со скоростью восемь километров в час. Если вы развернетесь и поплывете вверх по течению, то относительно берега станете перемещаться со скоростью два километра в час. То же происходит и в эксперименте Майкельсона и Морли: роль пловца в данном случае играет луч света, река – это эфир, по которому он плывет, а берег реки – экспериментальное оборудование Майкельсона и Морли, находящееся в покое на поверхности Земли. Теперь вам должно быть понятно, почему результат Майкельсона и Морли оказался таким сюрпризом. Это выглядело, как если бы вы всегда плыли со скоростью пять километров в час по отношению к берегу реки, независимо от скорости ее течения и направления вашего движения.

Таким образом, Майкельсону и Морли не удалось доказать присутствие эфира, протекающего через их установку. Вот очередной вызов нашей интуиции: учитывая то, что мы видели до сих пор, нужно смело отбросить понятие эфира, потому что его влияние не поддается наблюдению, – так же как мы отбросили понятие абсолютного пространства в главе 1. Кстати, с философской точки зрения эфир всегда был довольно неуклюжей концепцией, поскольку стал бы во Вселенной той точкой отсчета, которая позволила бы определить абсолютное движение, что противоречит принципу относительности Галилея. По-видимому, такова была личная точка зрения Эйнштейна, поскольку он, похоже, мало что знал о результатах экспериментов Майкельсона и Морли, когда смело отказался от концепции эфира при формулировке своей специальной теории относительности в 1905 году. Однако на самом деле философские тонкости нельзя считать надежным ориентиром для понимания устройства Вселенной, поэтому в конечном счете самое веское основание для отказа от концепции эфира – то, что экспериментальные результаты не подтверждают его существования[8].

Отказ от концепции эфира можно оправдать с эстетической точки зрения и поддержать экспериментальными данными. Но если мы предпримем этот решительный шаг, то окажемся лицом к лицу с серьезной проблемой: уравнения Максвелла дают очень точный прогноз для скорости света, но не содержат никакой информации о том, относительно чего ее следует измерять. Давайте ненадолго примем уравнения Максвелла такими, какие они есть, и посмотрим, куда это нас приведет. Если мы получим в итоге бессмыслицу, то всегда сможем вернуться и попробовать другую гипотезу, удовлетворившись тем, что отрицательный результат тоже результат. Уравнения Максвелла предсказывают, что свет всегда движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду, и в них нет упоминания о скорости источника или приемника света. Создается впечатление, будто эти уравнения действительно утверждают, что скорость света неизменна независимо от того, насколько быстро источник и приемник света движутся относительно друг друга. Словом, уравнения Максвелла говорят нам о том, что скорость света – фундаментальная константа природы. Это действительно непростое утверждение, так что давайте потратим еще немного времени на уточнение его смысла.