Я полагаю, что чуть ли не единственная гипотеза, которая может примирить это противоречие, состоит в том, что длина материальных тел изменяется по мере их перемещения через окружающий их эфир на значение, зависящее от квадрата отношения их скорости к скорости света.
Конечно же, я попытался оставить последнее слово за «истинной наукой», и следующее письмо больше напоминало научно-популярную статью.
После шокирующих отрицательных результатов эксперимента Майкельсона – Морли в 1892 г. ирландский физик Джордж Френсис Фицджеральд предложил довольно необычное объяснение полученных результатов, считая, что под воздействием встречного давления эфира все размеры окружающих предметов и, конечно же, измерительных приборов сокращаются в направлении движения нашей планеты по орбите.
Так, в заметке «Эфир и атмосфера Земли», направленной в журнал Science в мае 1889 г., он писал:
Мы знаем, что электрические силы зависят от движения заряженных тел относительно эфира, и выглядит вполне вероятным предположение о том, что молекулярные силы зависят от движения, и о том, что размер тела изменяется соответственно.
Было бы очень важно, если бы научные эксперименты по электрическому притяжению между постоянно наэлектризованными телами, например в очень чувствительном квадрантном электрометре, были произведены в некоторых экваториальных частях земного шара, чтобы пронаблюдать, есть ли какой-либо суточный и годовой ход притяжения – суточный за счет вращения Земли, которое складывается с ее орбитальной скоростью, а также годовой – для орбитальной скорости Земли и движения Солнечной системы.
Рис. 1.7. Альберт Эйнштейн и Хендрик Антон Лоренц (1853–1928)
Отрицать эфир, по словам Эйнштейна, значило бы допускать, что пустое пространство не имеет никаких физических свойств. В действительности оно обладает большим количеством свойств (если судить по тому, что для их описания единая теория поля употребляет 16 функций); но не следует только представлять его себе состоящим из частей, по отношению к которым имеет смысл понятие движения. Эйнштейн по этому поводу говорит следующее: «Называемое “пустым” пространство в физическом отношении ни однородно, ни изотропно: мы вынуждены описывать его состояние с помощью десяти функций – гравитационных потенциалов. Но, таким образом, и понятие эфира снова приобретает определенное содержание, которое совершенно отлично от содержания понятия эфира механической колебательной теории. Эфир всеобщей теории относительности есть среда, сама по себе лишенная всех механических и кинематических свойств, но в то же время определяющая механические и электромагнитные события».
Через три года к аналогичным выводам пришел выдающийся голландский физик Хендрик Лоренц, математически развивший и дополнивший данную идею. Эта теоретическая разработка, получившая название «сокращение Лоренца – Фицджеральда», сыграла важную роль в становлении специальной теории относительности, в которой Эйнштейн ввел аналогичные формулы, но при этом отказался от концепции эфира.
В 1892 г. Лоренц дал объяснение отрицательным результатам опыта Майкельсона – Морли по определению скорости движения Земли относительно неподвижного эфира, выдвинув независимо от Фицджеральда гипотезу о сокращении размеров тел в направлении их движения (сокращение Лоренца – Фицджеральда). В 1895 г. он также ввел понятие релятивистского времени, которое для движущихся тел протекает иначе, чем для покоящихся. В 1904 г. ученый вывел формулы, связывающие между собой координаты и время для одного и того же события в двух разных инерциальных системах отсчета (преобразование Лоренца). Из этих формул следовали все кинематические эффекты специальной теории относительности. В том же году Лоренц получил формулу, связывающую массу электрона со скоростью его движения.
Если рассчитать сокращение Лоренца – Фицджеральда для 12 000-километрового диаметра Земли, летящей по орбите со скоростью около 30 км/ч, то мы получим всего какие-то 5–6 см! Конечно, зафиксировать такое сокращение размеров нашей планеты очень трудно, но в принципе возможно… скажем, с помощью системы спутников. Но… вспомним Алису из Страны чудес: «Нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на месте, а чтобы куда-нибудь попасть, надо бежать как минимум вдвое быстрее!» Для этого нам потребуется разогнать спутники ровно до такой же скорости в направлении, противоположном движению Земли. А подобный эксперимент пока еще современной науке недоступен. Можно, конечно, увеличивать скорость движения спутников, и при ее значениях в 260 000 км/с сокращение уже достигнет половины первоначальной длины движущегося объекта.
Эксперименты со светоносным эфиром, проведенные Майкельсоном и Морли, казалось бы, навсегда вывели из научного обращения этот надуманный образ, однако некоторые ученые еще долго продолжали сомневаться в достоверности отсутствия какого-либо «эфирного ветра», обдувающего нашу планету в ее пути вокруг Солнца. Многие просто не могли примириться с тем, что таким образом окончательно поставлена точка в великом научном споре, ведь незначительные расхождения в скорости света, время от времени наблюдавшиеся Майкельсоном и Морли, указывали на принципиальную возможность наличия и более существенных отклонений, которые просто вошли в экспериментальные погрешности.
Одним из наиболее упорных приверженцев идеи существования мирового светоносного эфира на Североамериканском континенте был видный физик, президент Американского физического общества, академик Дейтон Миллер. В середине 1890-х гг. он уговорил Морли повторить на новом уровне его знаменитый эксперимент, выполненный вместе с Майкельсоном. Почти десять лет новая творческая команда занималась разработкой и реализацией новой экспериментальной программы, в которой были приняты все необходимые меры предосторожности против возможных погрешностей и внесены кое-какие изменения в конструкцию измерительного прибора. К обсуждению плана экспериментов присоединились другие видные сторонники «партии эфира», высказывавшие самые разные идеи относительно материала и конструкции аппарата. В связи с этим окончательный вариант интерферометра представлял собой громадный стальной пятиметровый крест, плавающий в ртутной ванне. Для чистоты эксперимента исследователи установили свой прибор в той же подвальной лаборатории Кливлендской обсерватории. После многочисленных опытов Миллеру и Морли все же удалось получить значение, намного превосходящее те небольшие отклонения, которые наблюдал Майкельсон и которые он приписывал различным погрешностям.
Воодушевленные успехом, исследователи решили перенести опыты на высоту в несколько сотен метров от уровня моря, чтобы узнать, окажет ли какое-нибудь влияние на результаты опыта изменение внешней среды. На этот раз сдвиг интерференционных полос был не таким однозначным, и творческий коллектив Морли и Миллера распался из-за разной интерпретации полученных результатов. Морли решительно считал результат отрицательным, а Миллер так же решительно собирался продолжать поиски более убедительных доказательств существования эфира и упорно проводил опыты в полном одиночестве.
Убедительных для научного сообщества доказательств Миллер так и не получил, хотя привлек всеобщее внимание своим оригинальным экспериментом в 1925 г., когда смонтировал свое оборудование в обсерватории Маунт-Вильсон, расположенной вблизи города Пасадены на вершине одноименной горы в Калифорнии, на высоте 1800 м над уровнем моря. Стальную, несущую приборы, крестовину Миллер заменил бетонным основанием, считая, что это полностью исключит влияние магнитного поля Земли. Проведя тысячи наблюдений, он сделал сенсационное заявление о возрождении светоносного мирового эфира, ведь полученная им разница в скоростях распространения света в прямом и поперечном направлении движения Земли вокруг Солнца достигала 10 км в секунду! Однако более тщательный анализ опубликованных ученым результатов измерений выявил существенные систематические погрешности, которые вряд ли позволяли делать такие смелые и однозначные выводы. Миллер не принял подобную аргументацию и до самой своей кончины в 1941 г. продолжал утверждать, что на горе Маунт-Вильсон им было зафиксировано «дуновение эфирного ветра».
Для «чистоты эксперимента» опыты решено было проводить в том же самом подвальном помещении пасаденской обсерватории Маунт-Вильсон. В ходе предварительной подготовки старое оборудование, в 90-х гг. XIX в. использовавшееся в экспериментах с эфирным ветром, было существенно модифицировано. Например, уже не нужно было ходить вслед за вращающейся каменной плитой – экспериментатор помещался на сиденье, приделанном к аппарату, и, таким образом, мог проводить наблюдения с бóльшими удобствами. По-иному были расположены и оптические приборы, а световое плечо (путь монохроматического луча) было увеличено с 16 до 26 м. Тем не менее в ходе многочисленных серий экспериментов, хотя наблюдения проводились через окуляр с микрометром, никакого сдвига интерференционных полос замечено не было.
В конце 1920-х гг. все попытки решить этот спорный вопрос ученые детально обсудили на специальной конференции, организованной знаменитым Калтехом (Калифорнийским технологическим институтом). Было представлено множество докладов, порой содержащих довольно хитроумные способы получения высокоточных результатов измерений. Послушать о том, как пытались реанимировать одну из самых значительных физических моделей прошлого, съехались многие выдающиеся ученые, в том числе нобелевские лауреаты Майкельсон и Лоренц. Общий же итог сообщений был весьма неутешителен для сторонников теории эфира, поскольку наглядно продемонстрировал его полное отсутствие в физической картине мира.
В 1948 г. Льюис Эссен, сотрудник английской Национальной физической лаборатории, поставил опыт с использованием изобретенного им прибора, основной частью которого был так называемый полый резонатор. По точности этот прибор был в десять раз эффективнее интерферометра Майкельсона, однако Эссен все равно получил отрицательный результат. И, наконец, еще через десять лет, в конце 1958 г., была сделана попытка «изловить» эфир при помощи