Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Но очень быстро движущиеся субатомные частицы, развивающие скорости вплоть до 0,99 скорости света, должны значительно увеличивать свою массу; и если длина субатомных частиц не может быть измерена по мере их пролетания мимо, их массу легко можно измерить.

Масса таких частиц может быть получена путем измерения их инерции, то есть силы, необходимой для придания им ускорения. На самом деле именно количество инерции Ньютон использовал для определения массы в своем втором законе (см. ч. I).

Полет заряженных частиц можно искривить в магнитном поле. Таким образом, магнитное поле придает частицам ускорение, и радиус искривления их полета и есть показатель величины инерции частицы, следовательно, и ее массы.

Из искривления пути частицы, движущейся на малой скорости, можно высчитать массу частицы и затем предсказать, как ее путь должен искривиться, проходя через то же самое магнитное поле на более высоких скоростях при условии, что его масса окажется прежней. Действительные же измерения искривления пути частиц, движущихся на высоких скоростях, показали, что эти искривления были менее значительными, чем ожидалось. Это можно объяснить увеличением массы при увеличении скорости, и, когда это было сделано, получившиеся данные четко укладывались в уравнение Лоренца.

Веер выпал, и зеленые усы оказались у всех на виду. Уравнение Лоренца совпало с наблюдаемыми фактами. Поскольку оно было основано на уравнении Фитцджеральда, то явление сокращения тоже оказалось совпадающим с фактами, и это объяснило негативные результаты эксперимента Михельсона — Морли.

Если приращение массы движущейся с большой скоростью заряженной частицы является результатом ее движения относительно эфира, то напрашивается новый способ измерения такого движения. Предположим, что одни заряженные частицы взвешивают по мере того, как они пролетают в одном направлении, другие — пока они пролетают в другом направлении, и т. д. Если охватить все направления, то получится, что одни частицы должны будут двигаться по эфирному ветру, в то время как другие, движущиеся в противоположном направлении, будут перемещаться против него.

Те частицы, что предположительно движутся против эфирного ветра, будут двигаться быстрее по отношению к эфиру и прибавят больше массы, чем те, которые будут двигаться с той же скоростью (относительно нас) по эфирному ветру. По изменению прибавления массы в зависимости от перемены направления можно установить скорость эфирного ветра, а стало быть, и абсолютное движение Земли.

Однако и этот способ оказался неудачным, так же как и эксперимент Михельсона — Морли. Прибавление массы по мере движения оказалось одним и тем же независимо от направления движения. Более того, все эксперименты, целью которых было установить абсолютное движение, провалились.

В общем-то еще в 1905 году молодой швейцарский физик — немец по месту рождения — Альберт Эйнштейн (1879–1955) уже понял, что поиск способов измерения абсолютного движения ни к чему не приведет. Допустим, что мы возьмем быка за рога и примем за данное, что невозможно измерить абсолютное движение каким бы то ни было допустимым методом[94], и рассчитаем следствия из такого решения. Итак, первое допущение Эйнштейна было таково: любое движение должно быть признанным по отношению к некоему объекту или некоей системе объектов, произвольно принятых за находящиеся в покое; любой объект или система объектов (любая система отсчета) могут быть приняты с равной верностью за находящиеся в покое. Другими словами, нет ни одного объекта, который находится в «более реальном» состоянии покоя, чем другие.

Поскольку с этой точки зрения любое движение может быть только относительным, Эйнштейн выдвинул теорию, которая позже получит название теория относительности. В своей первой работе на эту тему в 1905 году Эйнштейн рассматривал только специальный случай движения с постоянной скоростью; следовательно, данная часть его концепции — это специальная теория относительности.

Затем Эйнштейн произвел второе допущение: скорость света в вакууме, по данным измерений, всегда будет одной и той же независимо от движения источника света по отношению к наблюдателю. (Обратите внимание, что я говорю о скорости «по данным измерений».)

Это постоянство данных измерений скорости света, казалось бы, должно противоречить «фактам», касающимся движения, которые были признаны со времен Галилея и Ньютона.

Предположим, некто бросает мяч мимо нас, мы измеряем горизонтальную скорость мяча относительно нас и находим ее равной x футов в минуту. Если человек находится на платформе, движущейся в противоположном направлении со скоростью y футов в минуту, и бросает мяч с той же силой, его горизонтальная скорость относительно нас должна быть x – y футов в минуту. Если бы платформа двигалась в том же направлении, в котором он бросал мяч, горизонтальная скорость мяча относительно нас должна быть x + y футов в минуту.

И казалось бы, в жизни мы наблюдаем именно такую картину, и измерения подтверждают это. Разве не так должно быть, если человек «бросает» не мяч рукой, а свет фонариком?

Для того чтобы второе допущение Эйнштейна оставалось верным, следует предположить, что эта ситуация не распространяется на свет, да и для мяча-то она на самом деле не такова.

Допустим, что воздействие движения платформы на скорость мяча не так велико, как нам кажется, и что, когда движение платформы добавляется к движению мяча, общая скорость мяча немного меньше, чем x + y. А если движение платформы противоположно движению мяча, то общая скорость мяча немного больше, чем xy. Предположим также, что эта разница возрастает по мере возрастания x и y, но что для скоростей всех материальных тел, которые было возможно наблюдать до 1900 года, эта разница оставалась слишком малой, чтобы ее можно было измерить. Следовательно, мы могли сделать вполне естественный вывод, что общая скорость равна строго x + y или строго x – y и что это верно для всех скоростей.

Но если иметь возможность наблюдать за очень большими скоростями, порядка тысяч километров в секунду, эта разница станет достаточно большой, чтобы ее можно было заметить. Если добавить скорость y к скорости x, общая скорость будет заметно меньше, чем x + y, н будет лишь немногим больше одной скорости x.

Таким же образом, если y вычитается из x, общая скорость будет значительно больше, чем x – y и лишь немного меньше одной скорости x. В конце концов на скорости света воздействие движения источника движущегося тела становится равным нулю, так что x + y = x, и x – y = x независимо от величины y. И это — еще один способ выражения второго допущения Эйнштейна.