Лев Ландау - Что такое теория относительности. 3-е, дополненное издание

• Название: Что такое теория относительности. 3-е, дополненное издание
• Автор: Лев Ландау
• Издательство: Советская Россия
• Жанр: Физика
• Год: 1975

Современная физика без теории относительности почти так же невозможна, как без представления об атомах и молекулах. Эта теория принадлежит к числу «трудных» для понимания достаточно широкого круга читателей. Вот почему особенно ценно, что основные положения и идеи теории относительности читатель получает «из первых рук» — авторы этой книги академик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий, ныне покойный Л. Д. Ландау и профессор Ю. Б. Румер.

Три материала, включенные в послесловие, воссоздают образ Ландау — замечательного ученого и человека.

---

Переходя от звука к свету, можно было бы для объяснения результата опыта Майкельсона сделать следующее предположение. При своем движении в пространстве Земля не оставляет эфир неподвижным, проходя через него подобно клетке из тонких прутьев. Наоборот, допустим, что она увлекает эфир, составляя с ним в своем движении одно целое. Тогда результат опыта Майкельсона стал бы совершенно понятен.

Но это предположение находится в резком противоречии с большим количеством других опытов, например с распространением света в трубе, по которой движется вода. Если бы предположение об увлечении эфира было верным, то, измеряя скорость света в направлении движения воды, мы получили бы скорость, равную скорости света в неподвижной воде плюс скорость движения воды. Между тем непосредственное измерение дает скорость меньшую, чем следует из этого рассуждения.

Мы уже говорили о крайне странном положении, когда тела, проходя через эфир, не испытывают заметного трения. Но если они не только проходят через эфир, но и увлекают его за собой, то трение во всяком случае должно бы стать значительным!

Таким образом, все попытки обойти противоречие, создавшееся после неожиданного результата опыта Майкельсона, оказались безуспешными.

Подведем итоги.

Опыт Майкельсона подтверждает принципы относительности движения не только для движения обычных тел, но и для явления распространения света, то есть для всех явлений природы.

Как мы видели раньше, из принципа относительности движения непосредственно вытекает относительность скоростей: значения скорости должны быть различными для различных движущихся друг относительно друга лабораторий. Но, с другой стороны, скорость света — 300 000 километров в секунду — оказывается в различных лабораториях одинаковой. Следовательно, она не относительна, а абсолютна!

Глава четвертая ВРЕМЯ ОКАЗЫВАЕТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫМ

А есть ли на самом деле противоречие?

На первый взгляд может показаться, что мы имеем дело с чисто логическим противоречием. Постоянство скорости света в разных направлениях подтверждает принцип относительности, в то же время сама скорость света — абсолютна.

Вспомним, однако, отношение средневекового человека к факту шарообразности Земли: для него шарообразная форма Земли стояла в резком противоречии с наличием силы тяжести, поскольку все тела должны были бы скатиться с Земли «вниз». Между тем мы достоверно знаем, что никакого логического противоречия здесь нет. Просто-напросто понятия верха и низа являются не абсолютными, а относительными.

То же положение имеет место и в вопросе о распространении света.

Было бы напрасным искать логическое противоречие между принципом относительности движения и абсолютностью скорости света. Противоречие появляется здесь лишь потому, что мы при этом незаметно для самих себя ввели еще и другие предположения, подобно тому как, опровергая шарообразность Земли, средневековые люди считали абсолютными понятия верха и низа. Эта смешная для нас вера в абсолютность верха и низа создавалась вследствие ограниченности их опыта: в то время люди мало путешествовали и были знакомы лишь с небольшими участками земной поверхности. Очевидно, нечто подобное произошло и с нами — по-видимому, из-за ограниченности нашего опыта мы что-то относительное приняли за абсолютное. Что же именно?

Чтобы обнаружить нашу ошибку, впредь будем основываться только на положениях, установленных опытом.

Садимся в поезд

Представьте поезд длиной в 5 400 000 километров, который движется прямолинейно и равномерно со скоростью в 240 000 километров в секунду.

Пусть в некоторый момент времени в середине поезда зажглась лампочка. В переднем и заднем вагонах устроены автоматические двери, которые открываются в тот момент, когда на них падает свет. Что увидят люди в поезде и что увидят люди на платформе?

Отвечая на этот вопрос, будем, как условлено, придерживаться только опытных фактов.

Люди, сидящие в середине поезда, увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью — 300 000 километров в секунду, то через 9 секунд (2 700 000: 300 000) он дойдет одновременно до заднего и по переднего вагонов и обе двери откроются одновременно.

Что же увидят люди на платформе? Относительно станции свет также распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Но задний вагон идет навстречу лучу света. Поэтому свет встретится с задним вагоном через 2 700 000 / (300 000 + 240 000) = 5 секунд. Передний же вагон луч света должен догонять, и поэтому достигнет его лишь спустя 2 700 000 / (300 000–240 000) = 45 секунд.

Итак, людям на платформе покажется, что двери в поезде откроются не одновременно. Сначала откроются задние двери и лишь спустя 45 — 5 = 40 секунд откроются передние[1].

Таким образом, два совершенно сходных события — открытие передних и задних дверей поезда — окажутся для людей в поезде одновременными, а для людей на платформе — разделенными промежутком времени в 40 секунд.

«Здравый смысл» посрамлен

Есть ли в этом противоречие? Не является ли обнаруженный факт полнейшим абсурдом, вроде такого: «Длина крокодила от хвоста до головы два метра, а от головы до хвоста один метр»?

Попытаемся вдуматься, почему полученный результат кажется нам столь нелепым, несмотря на то, что он находится в полном согласии с опытными фактами.

Но сколько бы мы ни думали, нам не удастся найти логическое противоречие в том, что два явления, происшедшие для людей в поезде одновременно, для людей на платформе оказались разделенными промежутком времени в 40 секунд.

Единственное, что мы сможем сказать себе в утешение, — это то, что наши выводы противоречат «здравому смыслу».

Но вспомним, как «здравый смысл» человека средних веков сопротивлялся факту вращения Земли вокруг Солнца! Ведь в самом деле, весь повседневный опыт говорил средневековому человеку с непреложной достоверностью, что Земля покоится, а Солнце движется вокруг нее. И разве не «здравому смыслу» обязаны люди упоминавшемуся смехотворному доказательству невозможности шарообразной формы Земли?!

Столкновение «здравого смысла» с реальным фактом высмеяно в известном анекдоте о фермере, который, увидя в зоологическом саду жирафа, воскликнул: «Этого не может быть!»

Так называемый здравый смысл являет собой не что иное, как простое обобщение наших представлений и привычек, сложившихся в повседневной жизни.

Это определенный уровень понимания, отражающий уровень опыта.

Вся трудность понять и осмыслить то, что нам на платформе будут представляться неодновременными два события, происходящие в поезде одновременно, подобна затруднению фермера, которого озадачил вид жирафа. Подобно фермеру, никогда не видевшему этого животного, мы никогда не двигались со скоростью, даже отдаленно приближающейся к баснословной скорости 240 000 километров в секунду. Нет ничего удивительного в том, что, когда физики сталкиваются со столь баснословными скоростями, они наблюдают факты, весьма отличные от тех, к которым мы привыкли в повседневной жизни.

Неожиданный результат опыта Майкельсона, поставивший физиков перед этими новыми фактами, заставил их пересмотреть, даже вопреки «здравому смыслу», такие, казалось бы, очевидные и привычные представления, как одновременность двух событий.

Конечно, можно было бы, оставаясь на почве «здравого смысла», отрицать наличие новых явлений, но, поступая так, уподобляешься фермеру из анекдота.

Время постигает судьба пространства

Наука не боится столкновений с так называемым здравым смыслом. Ее страшит лишь несогласие существующих представлений с новыми данными опыта, и, если это имеет место, наука безжалостно ломает сложившиеся представления, поднимая наши знания на более высокую ступень.

Мы считали, что два одновременных события являются одновременными в любой лаборатории. Опыт привел нас к иному выводу. Выяснилось, что это верно лишь в том случае, когда лаборатории покоятся друг относительно друга. Если же две лаборатории движутся друг относительно друга, то события, одновременные в одной из них, должны быть признаны разновременными в другой. Понятие одновременности становится относительным, оно имеет смысл лишь при указании, как движется лаборатория, где эти события наблюдаются.

Вспомним пример с относительностью угловых величин, о котором мы говорили на стр. 9. Как обстоит дело там? Пусть угловое расстояние между двумя звездами при наблюдении с Земли оказалось равным нулю, так как обе звезды попали на общую прямую. В повседневной жизни мы никогда не придем к противоречию, считая это утверждение абсолютным. Иное дело, если покинуть пределы Солнечной системы и наблюдать те же звезды с какой-либо другой точки пространства. Угловое расстояние в этом случае окажется уже отличным от нуля.