§ 155. Опытные подтверждения принципа постоянства скорости света

На первый взгляд принцип постоянства скорости света противоречит «здравому смыслу». Поэтому желательно, прежде чем мы начнем выводить следствия из теории относительности, указать непосредственные опытные доказательства его справедливости. Они известны из астрономических наблюдений.

Астрономами доказано существование так называемых двойных звезд, в которых два небесных тела близкой массы вращаются около их общего центра тяжести. У нас имеются средства измерять расстояния между звездами, их массы и скорости, следить за их относительным движением. Если бы скорость света зависела от скорости самой звезды, то при движении в сторону земного наблюдателя скорость света складывалась бы со скоростью небесного тела, при обратном движении скорости вычитались В этом случае земному наблюдателю представлялось бы, что движение по одной половине орбиты происходит быстрее, чем по другой. Этот эффект наблюдался бы даже в том случае, если бы скорость небесного тела была в сотни тысяч раз меньше скорости света с.

Действительно, на огромном расстоянии различие во временах и может быть и при самых малых настолько значительным, что не только нарушится периодичность, но даже световой

луч, посланный при движении «туда», мог бы обогнать луч, посланный при движении «обратно». Тогда вращение звезд не было бы видно или приобрело бы причудливый характер. Периодическое вращение двойных звезд может быть понято только на основе принципа постоянства скорости света.

Правда, здесь речь шла о движении источника света, и поэтому могли остаться сомнения в справедливости принципа постоянства скорости для движения наблюдателя. Эти сомнения рассеиваются другим астрономическим наблюдением — над периодичностью движения спутников Юпитера. Измерения движения спутников Юпитера можно произвести в двух случаях, когда свет, идущий от Юпитера к Земле, совпадает с направлением движения солнечной системы и противоположен ему. Тождественность наблюдений и четкая картина периодичности, связанная с годовым движением Юпитера, показывают справедливость принципа постоянства скорости света и в этом случае.

Наиболее существенную роль в развитии теории относительности сыграл опыт, произведенный Майкельсоном впервые в 1881 г. при помощи описанного на стр. 325 интерферометра. Опыт заключался в следующем. Положение двух зеркал, т. е. длины плеч подбиралось так, чтобы когерентные лучи, на которые расщепляется световой сигнал, затрачивали бы одинаковое время на прохождение путей вдоль двух плеч интерферометра. Этот подбор производится при такой установке интерферометра, при которой одно из его плеч установлено вдоль движения земного шара по орбите. Далее прибор поворачивается на 90° и наблюдается смещение интерференционных полос.

Рис. 183.

Результат опыта Майкельсона, многократно повторявшегося им самим и другими исследователями, таков: смещения полос нет и времена прохождения светом плеч, равные при одной установке, остаются равными и при повороте прибора. Это обстоятельство установлено с очень большой точностью.

Что же следует из этого опыта?

Так как Земля движется со скоростью по отношению к неподвижным звездам, то с точки зрения звездного инерциального наблюдателя пути, пройденные двумя лучами, не могут быть одинаковыми.

Рассмотрим прохождение обоих лучей (рис. 183). Разумеется, нам надо обратить внимание лишь на участки пути, где лучи идут раздельно. Продольный луч на пути «туда» должен пройти длину

плеча и догнать зеркало, уходящее со скоростью вперед. Следовательно, путь пройденный лучом, должен равняться Затраченное фронтом волны время будет:

На пути «обратно» луч пройдет длину плеча за вычетом пути, пройденного прибором ему навстречу. Путь луча и

Измеряемое на опыте время равно

Обратимся теперь к поперечному лучу (рис. 184). За полное время прошедшее от момента выхода до момента возвращения луча в центр прибора зеркало сместится так, как показано на рисунке. Следовательно, путь волны будет

откуда время равно

Рис. 184.

При первом измерении плечи и подбираются так, что лучи затрачивают одинаковое время на раздельные пути. Значит,

Но при втором опыте, т. е. при повороте интерферометра на 90°, сдвига интерференционной полосы нет и времена прохождения остаются по-прежнему равными, хотя плечи и поменялись местами! В этом и заключался неожиданный результат опыта. Итак, если первое плечо установлено продольно, то

если второе плечо установлено продольно, то

При но при мы приходим к замечательному результату: длина одного и того же отрезка меняется в зависимости от того, установлен этот отрезок вдоль движения или поперек движения. Полученный результат справедлив для любого тела, для

любого расстояния между двумя точками. Итак, первое следствие теории относительности: движущееся по отношению к инерциальному наблюдателю тело сокращает свой размер в направлении движения. Поперечные размеры остаются неизменными. Если неподвижный по отношению к предмету наблюдатель установит, что длина интересующего его предмета то наблюдатель, по отношению к которому этот предмет движется со скоростью найдет для него длину

Пример. Если предмет движется со скоростью относительно некоторого «неподвижного» наблюдателя, то последний обнаружит уменьшение длины предмета в направлении движения в 1,000005 раза. Если же скорость предмета будет то

В разных системах отсчета длина одного и того же отрезка, каким-то определенным образом движущегося, будет разной. Надо отчетливо представить себе относительный характер этого сокращения. Возьмем два стержня одинаковой длины Приведем их в движение с относительной скоростью Пусть имеются два наблюдателя: один — движущийся с первым, а другой — со вторым стержнем. Тогда первый наблюдатель найдет для своего стержня длину а для чужого Для этого наблюдателя второй стержень короче первого.. Напротив, второй наблюдатель найдег для второго стержня длину а для первого для него первый стержень короче второго.

Длина стержня и вообще расстояние между двумя точками — относительное понятие. Из всех длин стержня, измеренных в разных инерциальных системах, выделяется длина покоя Эта максимальная длина стержня имеет абсолютный смысл.