Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Однако никакого запаздывания в приходе света обнаружено не было, и Г. Галилей заключил, что если свет «распространяется и не мгновенно, то необыкновенно быстро». Конечно, тех приспособлений, которые использовал исследователь, было явно недостаточно для измерения столь быстрого движения.

Датский астроном О. Ремер (1644–1710) оказался первым, кто действительно измерил скорость света. Дело обстояло следующим образом. В середине XVII века итальянский астроном Дж. Кассини, прославившийся точными наблюдениями планет с помощью больших телескопов, составил таблицы движения спутников Юпитера, открытых Г. Галилеем. Дальнейшие исследования показали, что предвычисленные моменты попадания ближайшего к Юпитеру спутника Ио в тень, отбрасываемую планетой, не всегда совпадают с данными наблюдений. В те периоды, когда Земля, двигаясь вокруг Солнца, находится дальше всего от Юпитера, моменты затмений запаздывают по сравнению с вычисленными почти на 22 минуты. Когда же наблюдения проводятся при минимальном удалении Земли от Юпитера, запаздывания нет.

Узнав об этом, О. Ремер в 1676 году объяснил задержку тем, что свету надо 22 минуты, чтобы пересечь орбиту Земли. Размер орбиты Земли к тому времени был определен достаточно точно. Поделив поперечник земной орбиты на 22 минуты, О. Ремер получил первую численную оценку скорости света — около 214 000 км/с. Как выяснилось позже, значение скорости, полученное астрономом, примерно на треть меньше истинного ответа.

Так впервые было показано, что свет распространяется в пространстве отнюдь не мгновенно, а с конечной, хотя и очень большой, скоростью. Только в середине XIX века скорость света была измерена не с помощью астрономических наблюдений, а непосредственно в земных экспериментах. Эти опыты, явившиеся, по существу, сильно усовершенствованными опытами Г. Галилея, были выполнены французскими учеными И. Физо, Л. Фуко и М. Корню. Их эксперименты, проводившиеся в разное время и постепенно совершенствовавшиеся, давали величину скорости света, близкую к 300 000 км/с. В конце 70-х годов прошлого века проблемой измерения скорости света занялся замечательный американский физик-экспериментатор А. Майкельсон (1852–1931). Выполненные им тогда опыты дали для измеряемой скорости 299 910 км/с.

А. Майкельсон продолжал интересоваться этой проблемой всю жизнь. С течением времени становилось все более очевидно, насколько фундаментальную роль играет скорость света в структуре законов, управляющих нашим миром. Заключительная серия опытов по определению скорости света под его руководством была начата в 1929 году. По свидетельству его дочери, в последние дни жизни в мае 1931 года он, всемирно известный физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии, с нетерпением ждал известий об окончательных результатах экспериментов: «Седьмого мая Пис (сотрудник А. Майкельсона. — И. Н.) пришел к Майкельсону с последними цифрами о новом определении скорости света: 299 774 километра в секунду, — писала дочь. — Лицо Майкельсона осветилось совершенно детской радостью. Зная, что ему недолго осталось жить, он попросил Писа подвинуть к нему кресло и открыть блокнот, чтобы он сразу мог начать диктовать. «Измерение скорости света…». Усилие утомило его и, продиктовав первый параграф, он мирно уснул… Утром 9 мая 1931 года Майкельсон умер».

Эти строчки свидетельствуют, каким был один из многих людей, смыслом существования для которых было познание Вселенной и благодаря которым мы так глубоко проникли в ее тайны.

Приведем современное значение скорости света, определенное с помощью атомных часов, — 299 792, 4562 км/с. Возможная ошибка этого значения не превышает 0,2 м/с.

С именем А. Майкельсона связаны эксперименты со светом, приведшие к возникновению специальной теории относительности. Эта теория, созданная А. Эйнштейном уже в начале нашего века, позволила взглянуть на свойства пространства и времени с совершенно новой точки зрения.

Но прежде чем рассказать об экспериментах А. Майкельсона, давайте вернемся на столетие назад, когда физики пытались разобраться в природе света.

Впервые идею о том, что свет имеет волновую природу, высказал чешский ученый Ян Марци в 1648 году. Однако последовательная волновая теория света была создана только тридцать лет спустя голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Эта теория непринужденно объясняла многочисленные явления отражения света тонкими пластинками, образование радужных пленок и других явлений интерференции, дифракции и поляризации света, которые теория световых частичек — корпускул объясняла лишь при очень искусственных предположениях или же не объясняла вовсе.

Но, рассуждали физики, если свет — это волны, то они должны распространяться в какой-то среде. Такой средой для световых волн считался эфир — тончайшее, всепроникающее, разлитое во всей Вселенной вещество. Подобно тому, как звук является продольно колеблющимися волнами, распространяющимися в воздухе, так и свет, считал X. Гюйгенс, является продольно колеблющимися волнами, распространяющимися в эфире, заполняющем пространство.

В начале XIX столетия теория световых волн, распространяющихся в мировом эфире, приобретала все большее и большее признание.

Правда, эфир пришлось наделять поразительными свойствами. Эта среда должна была обладать необыкновенно большой упругостью по сравнению с обычной материей, ибо только в этом случае световые колебания в ней могли распространяться с громадной скоростью, которая наблюдалась. С другой стороны она должна была обладать совершенной текучестью, чтобы небесные тела двигались в ней без малейшего сопротивления, как это также наблюдается в действительности.

Но от подобных трудностей легко отмахивались: ведь эфир, в конце концов, не является «обыкновенной материей». Так, в начале XIX века известный английский ученый Т. Юнг писал: «Кроме форм материи, известных под именем твердых, жидких и газообразных тел, есть еще полуматериальные формы, производящие явление электричества и магнетизма, а также эфир».

Современному читателю будет небезынтересно узнать, что Т. Юнг, один из создателей волновой теории света, обладал уникальными способностями. Он в два года научился бегло читать, еще через два года читал наизусть многочисленные стихи, в восьмилетием возрасте уже мастерил физические приборы, затем быстро овладел дифференциальным исчислением, многими языками, среди которых — греческий, арабский, латынь и т, д. Он работал и как врач, и как физик, и как астроном, в конце жизни составлял египетский словарь.

Т. Юнг проделал многочисленные опыты, доказывающие волновую природу света, и дал им исчерпывающее объяснение. Он показал, что световые волны совершают не продольные колебания, как звуковые волны, а поперечные, как колеблются частички жидкости в волнах на поверхности воды.

После трудов Т. Юнга и других ученых волновая природа света считалась доказанной. Теория мирового эфира рассматривалась как одно из самых больших достижений науки XIX века, а существование самого эфира считалось твердо установленным.

В знаменитой энциклопедии Ф. Брокгауза и Е. Ефрона в статье, посвященной эфиру и написанной в самом начале нашего века, с полной убежденностью говорилось, что после того, как опыты доказали справедливость волновой теории света, «…существование эфира, как некоторого носителя энергии там, где мы не имеем материи в обычных нам видах, стало доказанным и эфир перестал быть гипотезой». И далее автор с сожалением замечает: «Тем не менее и до нашего времени (то есть до начала XX века) встречаются возражения против существования эфира».

Итак, у подавляющего большинства физиков была убежденность в том, что есть среда, заполняющая все пространство. Но тогда «абсолютное пространство» И. Ньютона оказывалось не пустым, а заполненным эфиром, И естественно, возникло желание попытаться измерить скорость движения Земли относительно эфира, а значит, и относительно абсолютного пространства. Если бы это удалось, то абсолютное пространство И. Ньютона перестало бы быть чистой абстракцией, никак себя не проявляющей, а стало бы конкретным предметом изучения.