Понять Эйнштейна. Главы 9 - 10

 

     Глава 9. Проверка механических моделей. Крах баллистической модели

 

Наш экскурс в историю открытий несколько затянулся, и я чувствую, как нетерпеливый читатель уже пролистывает страницы, говоря: «Ну зачем мне все эти старые наблюдения, которые доказывают всего лишь конечность скорости света. Это я знаю сам. Давай уже вернёмся к СТО, ты ведь обещал предъявить доказательства неизменности скорости света относительно любого наблюдателя».

Ну, во-первых, я думаю, что вся история открытий, связанных со светом, достаточно интересна, и мы ничуть не пожалеем о том, что подробней познакомились с ней.
Во-вторых, я в свое время наслушался немало упрямых, начитанных, но не слишком вдумчивых людей, стремящихся опровергнуть Теорию Относительности; и они часто отталкивались в рассуждениях (всегда ошибочных, заметим) как раз от этих, очень старых наблюдений Ремера и Брэдли, не умея их правильно интерпретировать. Для наблюдений Ремера, они используют только ту часть классической формулы доплер-эффекта, где изменение частоты завит от скорости сигнала относительно наблюдателя, и "забывают" про ту ее часть, которая определяет совершенно аналогичное изменение частоты с изменением расстояния, не говоря уже о том, что действительно точное значение дает только релятивистская формула (просто разница между тремя этими результатами на несколько порядков меньше предельной точности измерений Ремера). Для наблюдений Брэдли, они пытаются доказать, что наклон лучей меняться вследствие оптического преломления лучей в околоземном "слое эфира", что эфир увлекает и наклоняет лучи, не понимая, что этот наклон - элементарный кинематический эффект, при переходе наблюдателя с другую систему координат. Они подобны человеку, увязывающему наклон линий дождя с обязательным наличием воздуха и ветра. Однако, если бы дождь шел в безвоздушном пространстве, они убедились бы, что линии дождя точно также наклоняются для наблюдателя в машине или поезде, хотя никакого воздуха и ветра нет.

А, в-третьих, дорогие читатели, я только что в предыдущей главе допустил  заметную оплошность, но Вы её, вероятно, не заметили. И если не заметили, то еще недостаточно прониклись идеей относительности и равноправия ИСО, и её противникам несложно будет сбить Вас с пути истинного. Я написал, что, вследствие движения Земли по орбите, звёзды видны «под меняющимся углом, отличным от ИСТИННОГО угла, под которым каждая из звезд расположена на небесной сфере». Вы должны были остановить меня возгласом:
 - Как «истинного»? Разве есть «истинный угол»? Не хочешь ли ты, автор, сказать,
что существует одна-единственная, истинно неподвижная СО, в которой все звёзды неподвижны? И только в ней все направления и траектории лучей света – истинные, а в остальных – искаженные?

Нет же. Конечно, нет! То, что я назвал «истинным» положением звёзд – всего лишь направления на них в ИСО Солнца, которое мы принимаем за точку начала отсчета. Но и Солнце, и все соседние звёзды движутся относительно друг друга. И вместе они движутся вокруг центра Галактики (с немалой скоростью, замечу). И галактики движутся одна относительно другой в кластере галактик. И никакого «истинно» неподвижного центра этого движения указать невозможно. Если бы притяжение Солнца внезапно исчезло, и Земля продолжила движение по прямой, то Землю можно было бы считать условно неподвижной, а направления на звёзды, наблюдаемые в этот момент, больше не менялись бы, и стали бы для нас «истинными» (не дай бог, конечно). Я, со временем, выделю свой ответ критикам СТО, ссылающимся на наблюдения Ремера и Брэдли, в отдельную главку…

  Что ж, пора заняться демонстрацией постоянства скорости света в любой ИСО. Именно демонстрацией, а не математическим доказательством, потому что это постоянство – следствие наблюдений и логики, а не математических выкладок. Что мы имеем?
Мы имеем две механических модели движения света (электромагнитных волн): баллистическую и волновую.
Согласно обеим моделям, обязательно существует, хотя бы в теории, такой наблюдатель, который может догнать или обогнать луч света. Согласно обеим – скорость света непременно должна зависеть от выбора системы отсчета, или, что одно и то же, от выбора конкретного наблюдателя. Но только в первом случае - на скорость света должна влиять относительная скорость источника света и наблюдателя, а во втором – скорость наблюдателя относительно «эфира». В соответствии с этим заключением мы и будем в дальнейшем подыскивать схемы экспериментов, которые могут на практике подтвердить или опровергнуть каждую из моделей.

Достаточно очевидно, что никакой «гибридной» механической модели света придумать невозможно, а, если и возможно, то это будет такая причудливая смесь бульдога с носорогом, что обсуждать её всерьёз я не берусь. Поэтому, либо-либо: либо поток частичек, свободнее всего чувствующий себя в пустоте (баллистическая модель), либо волны, бегущие в невидимой и невесомой среде (волновая модель).

Начнем с баллистической модели. Баллистическая модель полагает, что скорость света относительно источника света постоянна. В ней есть множество недочетов и странностей. Во-первых, странно, что скорость излучения всеми источниками одинакова. Ведь даже револьверы разных марок имеют разную начальную скорость пули. Почему свет, идущий от свечи, дуговой лампы, от лазера, и от Солнца - все имеют одну начальную скорость? Но на практике ведь это именно так. Во-вторых, как может быть, что всевозможные прозрачные среды, хоть и уменьшают скорость света в них, но внутри среды скорость света остается неизменной на всей траектории? Если среда замедляет, то должна и дальше тормозить.  А свет только тускнеет, но движется с одной неизменной скоростью. Где постепенное замедление, вплоть до остановки, которое неизбежно происходило бы с механическим частицами, попавшими в тормозящую среду? 
  Всё же, мы не станем с порога отвергать эту модель. Баллистическая модель хороша тем, что в ней нет никакой выделенной системы координат, и она полностью удовлетворяет принципу относительности. Скорость света в любой СО, не связанной с источником, должна складываться из скорости света относительно источника и скорости самого источника света.  Когда, в рамках этой модели, мы говорим о скорости источника света, ясно, что имеется в виду скорость источника относительно наблюдателя.
   Понятно, что никакие опыты, в которых источник света и приёмник жестко закреплены на неизменном расстоянии в этом случае непригодны. Нам нужны опыты, в которых источник двигался бы с разной скоростью относительно приемника(наблюдателя), а расстояние, проходимое светом в СО наблюдателя, было бы в точности известным, а лучше — просто одинаковым, и достаточно большим, чтобы разница в скорости приводила к большой разнице во времени прихода сигнала. Тогда мы сможем сравнить скорость сигнала напрямую, без всяких ухищрений и косвенных измерений по частоте через «доплер».
Простой гипотетический пример подобного опыта: два космических аппарата, летящих навстречу, вдоль одной линии: один - от Земли, второй к Земле, т.е., один удаляется, другой приближается. Когда они поравняются, аппараты должны одновременно послать сигнал на Землю. Если сигнал того аппарата, который летит к Земле, придёт первым, а сигнал второго, удаляющегося, запоздает — тогда баллистическая модель имеет право на жизнь. Ну, что, знатоки? Как думаете? Вряд ли кто усомнится, что сигналы придут одновременно… Правда, это гипотетический опыт, хотя и возможный при сегодняшнем уровне техники.
   К счастью, надобности в нем нет, ибо сам космос дает практически бесконечное количество возможностей для похожих наблюдений — все те далекие объекты, которые вращаются — двойные звезды, планеты у других звёзд, вращающиеся галактики, — представляют собой светящиеся тела, которые, в процессе вращения, движутся то к Земле, то от Земли. Подходит и спутник Юпитера Ио, о котором мы говорили в главе про наблюдения Ремера. Если бы верна была баллистическая модель, то каждый оборот Ио вокруг Юпитера, наблюдаемый с Земли, был бы неравномерен: пол-оборота, когда он движется к Земле, пролетали бы быстрее на час или два, чем пол-оборота в направлении от Земли. А для более далеких объектов, например, планет у других звезд, происходили бы совсем фантастические вещи — одну и ту же планету мы видели бы одновременно в противоположных местах орбиты, часть изображений двигались бы в правильном направлении, другая часть - задом наперед.
Все взрывы сверхновых мы видели бы растянутыми на сотни лет — сначала только ту часть разлетающейся материи, которая направлена была к Земле, потом ту, которая разлетается по бокам, и наконец, еще долгие годы в инфракрасном свете, ту часть светящейся материи взрыва, которая полетела от Земли.

                                 

   Посмотрите на рисунок. На нем показано некое вращающееся со скоростью V тело (пусть звезда, вращающаяся вокруг другой звезды или черной дыры), очень далекое от нас, и наша Земля, с которой мы за ним наблюдаем. Звезда, в процессе вращения, находится попеременно то в точке «А», то в точке «В». Но свет, по баллистической модели, из точки «А» летит к Земле со скоростью (C-V), а из точки «В» со скоростью (C+V). И, естественно, если расстояние до Земли большое (а так оно и есть), то свет от точки «В» догоняет, и перегоняет (может быть, на несколько оборотов по времени) свет от точки «А».
На рисунке, для примера: свет от точки «В» в точности догнал свет от точки «А», значит, земной наблюдатель должен одномоментно видеть звезду в двух противоположных точках орбиты.
   
   В общем, полнейшая ерунда эта баллистическая модель, в свете современных знаний. Все астрономические наблюдения, которым нет числа, опровергают её начисто, и, напротив, подтверждают равную скорость света с любого направления, и от любых источников, к земному наблюдателю. И не только света, но и радиоволн, разумеется.

 

 

Глава 10. Проверка волновой модели. Крах модели "эфира"

 

 

   Перейдем теперь к волновой модели, согласно которой всё космическое пространство заполнено некой невидимой, невесомой, всепроникающей материей, которая, сама по себе, абсолютно необнаружима, про свойства которой неизвестно ничего, кроме одного – она является средой распространения электромагнитных волн. И именно относительно этой среды («эфира») свет распространяется с постоянной скоростью во всех направлениях (изотропно). А во всех прочих СО - нет.
   Эта модель сложнее и солиднее баллистической. В ее рамках находят объяснение многие оптические явления. В ее базовой форме, она предполагает, что «эфир» однороден и более-мене неподвижен в той единственной СО, относительно которой свет распространяется изотропно.
   Существуют попытки представить «эфир» неким газом, который то полностью увлекается телами, то частично увлекается, то проникает в тела, то не проникает, и, соответственно, образует «слои», «потоки», «завихрения», и обладает «плотностью», «вязкостью» и пр. Соответственно, его поведение должно описываться зубодробительными дифференциальными уравнениями, наподобие уравнений газодинамики, при том, что ни одна из характеристик эфира никому не ведома (их предполагается каждый раз подгонять под желаемый результат). Братцы, да СТО кристально чиста, логична, проста, с её единственным, математически несложным, преобразованием координат, в сравнении с этим навороченным безумием!
   Поэтому мы пожелаем сторонникам «эфирной гидро- и аэродинамики» успеха на их тернистом пути, и распрощаемся навсегда, потому что оттуда не возвращаются. И займемся проверкой базисной эфирной теории. У этой теории есть несколько замечательных преимуществ, в плане опытной её проверки:
Во-первых, нам не нужно, чтобы источник и приёмник двигались относительно друг друга (как для баллистической модели). Они могут быть соединены в единую жесткую конструкцию, разделенные очень точно измеренным расстоянием, и вместе с этой конструкцией передвигаться относительно «эфира». При разной скорости и разном угле поворота установки по отношению к эфиру – еще говорят, при разной скорости «эфирного ветра», - время прохода сигнала от источника к приемнику непременно должно изменяться. Вторым замечательным преимуществом, вытекающим из первого, является то, что никакого искажения частоты сигнала, связанного с эффектом Доплера, в такой конструкции не может случится никогда, ни в каком положении! Потому что эффект Доплера - всегда результат разности скоростей источника сигнала и приемника (советую обдумать это утверждение, очень полезно…). Третьим замечательным преимуществом, вытекающим из двух предыдущих, является то, что изменение скорости прохождения сигнала - на заданном расстоянии и при неизменной частоте, - выразится строго однозначно в изменении фазы сигнала, достигшего приёмника. А уж сдвиг фазы сигнала мы умеем измерять с поразительной точностью. Поэтому и длина опытной установки, чтобы заметить сдвиг фазы, не должна быть слишком большой.
   Догадайтесь с трёх раз, как называется прибор, использующий для точного обнаружения разности фаз явление интерференции? Правильно, интерферометр (как Вы догадались?!). Нет, не обязательно Майкельсона. В принципе достаточно одной трубки, по которой когерентный (лучше всего – лазерный) луч пробежит сначала в одну сторону – от источника до зеркала, затем обратно, и уже возле источника наложится на луч, вылетающий из источника, для получения интерференционной картинки. Но двухплечевой интерферометр - как у Майкельсона,- чтобы проверять за один раз два направления, конечно, и того лучше. На практике, любой интерферометр (и одноплечевой, и двухплечевой) приходится поворачивать, чтобы засечь, как изменяется, или не изменяется, интерференционная картинка.

 

   Картинки, объясняющие принцип проверки времени прохождения сигнала по разнице фаз, приведены на примере пловца, переплывающего либо неподвижный пруд (рис.1), либо реку (рис.2).
   На пруду не важно, поплывёт пловец от мостков «А» к мосткам «В» и обратно, или от мостков «А» к мосткам «С» и обратно: в обоих случаях, он проплывет расстояние в 100м, и, если один полный гребок его равен точно 1 метру, он закончит обе дистанции точно под конец сотого гребка (с вытянутой вперед рукой).
А на реке обе дистанции пловец проплывёт за разное время, и оно, в обоих случаях, будет большим, чем в неподвижной воде. (- На сколько именно? Пожалуйста, считайте сами… я обхожусь, как видите, без вычислений, одним только качественным объяснением.) Соответственно, пловец закончит дистанцию на разной фазе гребка.
   В этом суть опыта Майкельсона, и множества других подобных, значительно более точных опытов, в которых так и не удалось обнаружить «поток эфирного ветра».

  Главным итогом всех измерений и проверок скорости света является то, что свет не желает подчиняться классическому правилу сложения скоростей. Скорость света грубо нарушает закон «преобразования координат» Галилея, являющийся одним из краеугольных камней старой физики, и остается постоянной при переходе из одной системы отсчета в другую. И из осознания этого факта вырастает Специальная Теория Относительности.