Как Эйнштейн опроверг эфир: странная физика, лежащая в основе специальной теории относительности

Специальная теория относительности — это действительно что-то странное. Она утверждает, что движущиеся часы идут медленнее, а движущиеся линейки сокращаются. Но как это понять? Чтобы разобраться в физике относительности, стоит обратиться к истории.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл открыл, что свет — это волны электричества и магнетизма. Как и все волны, они должны распространяться через что-то. Звуковые волны движутся через воздух, океанские волны — через воду. Максвелл предположил, что световые волны путешествуют через вещество, которое сейчас называют "светоносный эфир".

Эфир должен был обладать странными свойствами. Его нельзя было почувствовать, потрогать или увидеть. Он должен был быть почти невидимым, но при этом позволять свету проходить через него. В конце 1800-х годов шли горячие дебаты о природе эфира, и оказалось, что все были неправы.

Это стало ясно, когда в 1887 году два учёных решили измерить наше движение через эфир. Альберт Майкельсон из Школы прикладных наук Кейса и Эдвард Морли из Западного резервного университета разработали эксперимент, который сейчас известен как эксперимент Майкельсона-Морли . Основная идея заключалась в том, что если эфир существует, то мы должны "плавать" через него, и это движение должно проявляться как изменение скорости света.

Эксперимент Майкельсона-Морли попытался измерить это, но потерпел неудачу. Возникла проблема: свет — это волна, и он должен двигаться через что-то, то есть через эфир. Но почему нельзя измерить наше движение через эфир? Что же происходит?

Длительные схватки

Вскоре после этого эксперимента физик Оливер Хевисайд заметил интересное явление: когда электрические заряды движутся, их электрические поля сжимаются в направлении движения. Затем Гендрик Лоренц выдвинул гипотезу: если всё состоит из электрических зарядов и поля сжимаются при движении, то, возможно, и сами объекты сжимаются при движении. Поэтому нельзя измерить изменения скорости света из-за сокращения длины — как только измерительные приборы начинают двигаться, они сами сжимаются, что компенсирует изменение скорости света.

Эта теория считалась успешной, поскольку объясняла все данные: материя сжимается при движении из-за физических взаимодействий, и эфир присутствует, но его нельзя обнаружить.

Затем появился Эйнштейн и задал важный вопрос: если эфир всегда и навсегда неуловим, зачем он вообще нужен? Почему не допустить, что объекты сокращаются сами по себе, не для объяснения экспериментальных результатов, а как данность Вселенной?

Это было главное достижение Эйнштейна. Другие учёные тоже работали в направлении теории относительности, но никто не сделал такого прорыва, как он. Эйнштейн заявил, что сокращение длины — это свойство Вселенной, а не недостаток. Больше не нужно было пытаться вписать электромагнитные явления в рамки эфира. Длины сокращаются при движении. Точка.

Для Лоренца это было физическое явление, а для Эйнштейна — свойство самого пространства, независимое от объектов. Это осознание позволило Эйнштейну сделать ещё один важный шаг.

Рождение теории относительности

Чтобы всё работало, Эйнштейн понял, что должна быть некоторая взаимосвязь. Нельзя просто иметь сокращение длины — движущиеся линейки уменьшаются — отдельно. Также необходимо замедление времени — движущиеся часы идут медленнее. Эти явления всегда работают вместе, чтобы все наблюдения и перспективы имели смысл.

Например, возьмём мюон, более тяжёлую версию электрона. Мюон живёт всего 2,2 микросекунды. Когда энергичные частицы ударяются о молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, они генерируют мюоны, которые летят к земле.

Эти мюоны движутся почти со скоростью света, но этого всё равно недостаточно, чтобы они достигли земли за свою короткую жизнь. Однако теория относительности говорит, что движущиеся часы идут медленнее — с нашей точки зрения, мюоны живут гораздо дольше и успевают достичь земли. Но с точки зрения мюона нет замедления времени, и он существует всего 2,2 микросекунды. Как же мюон успевает достичь земли? Ответ — сокращение длины: с точки зрения мюона расстояние до земли гораздо короче, поэтому он успевает достичь её.

Специальная теория относительности предоставляет математический инструментарий, позволяющий переключать перспективы и организовывать всё. Вселенная может быть сумасшедшей, но она подчиняется понятным правилам.