§5. ПРИНЦИП ПОСТОЯНСТВА СКОРОСТИ СВЕТА

Одной из основных физических констант является скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в просторечии - скорость света). Эта величина равна 299792458 метров

в секунду. Это значение считается абсолютно точным, поскольку оно лежит в основе эталона метра. Спрашивается: относительно чего измерена эта скорость? Тем более, что скорость не может быть абсолютной: объект, неподвижный относительно одного тела, движется с некоей скоростью относительно другого тела и сдругой скоростью относительно третьего.

В конце XIX века для объяснения явлений электродинамики была высказана версия, что скорость света относительно эфира вседа постоянна и является физической константой. Однако, после того, как из науки исчезло понятие эфира, Эйнштейн сохранил этот принцип в следующей формулировке: скорость света (электромагнитных волн) является всегда постоянной величиной, независимо от скорости движения источника или приемника излучения. Это правило называют принципом постоянства скорости света, или вторым постулатом Эйнштейна.

Из принципа постоянства скорости света выведены многие соотношения теории относительности, в частности, релятивистский закон сложения скоростей. Что интересно, Эйнштейну приписывают утверждение, что скорость света является максимально возможной, хотя из теории относительности вытекает только невозможность достижения скорости света, но нигде не говорится о невозможности преодоления светового барьера. В ряде изданий, основанных на непререкаемом авторитете теории относительности, говорится, что «из постоянства скорости света следует невозможность сверхсветовых скоростей». Каким образом из постоянства скорости света выводится невозможность сверхсветовых скоростей – не уточняется.

Поскольку теория относительности в ХХ веке завоевала признание, то всерьез принцип постоянства скорости света не подвергался сомнению. В действительности же основания для сомнений есть. Никто не подвергает сомнению, что скорость света относительно его источника - это действительно константа, отражающая свойства электромагнитного взаимодействия (именно из представлений о постоянстве скорости света относительно источника и была выведена знаменитая формула E=mc² о взаимосвязи массы и энергии. Однако ряд известных фактов позволяют подвергнуть сомнению утверждение о постоянстве скорости света относительно приемника.

Один таких фактов - это классический опыт датского астронома XVII века Олафа Ремера по измерению скорости света. Проанализировав результаты многолетних затмений спутника Юпитера Ио, Ремер заметил, что когда Земля находится в отдаленной от Юпитера части своей орбиты, Ио появляется из тени Юпитера на 22 минуты позже. Ремер объяснил это тем, что эти минуты свет затрачивает на прохождение дополнительного расстояния, равного диаметру земной орбиты. Поскольку во времена Ремера точное значение диаметра земной орбиты не было известно, то Ремер не дал точного значения скорости света. Последующие оценки, проведенные по его методу, дали значение 215000 км/с, что очень значительно - на 28% - отличается от реальной величины. Как можно показать, скорость света, полученная по методу Ремера, будет соответствовать реальной, если считать, что скорость света относительно приемника геометрически складывается со скоростями приемника и источника.

Другой факт - это опыт Майкельсона. Лоренц, выводя свои преобразования с попыткой объяснить результат этого опыта, использовал предположение, что скорость света не остается постоянной, а также складывается.

Откуда же в науке появилось представление о постоянстве скорости света? Давайте сравним две теории: одну - о том, что свет является потоком фотонов в вакууме и другую - о том, что свет является волной в эфире. Если исходить из теории фотонов, то представление о постоянстве скорости света будет неправильным. Представим себе две частицы, движущиеся относительно друг друга по одной прямой (или по параллельным прямым), и движущийся параллельно им фотон. Если исходить из принципа постоянства скорости света, то, получится, что, хотя частицы движется относительно друг друга, с точки зрения фотона они неподвижны относительно друг друга. И если, например, частицы движутся по одной прямой и в конечном итоге столкнутся, то в системе отсчета фотона они столкнуться не могут. Явное противоречие.

Другой пример. Допустим, есть источник света, испускающий фотоны. Допустим, один квант летит вслед за другим. В системе отсчета источника (и любого другого тела) поскольку кванты летят с одинаковой скоростью друг за другом, то расстояние между ними всегда одинаково (если понятие "расстояние между квантами" кажется кому-то некорректным, поскольку фотон - это одновременно и волна, то вместо фотонов можно представить нейтрино). А вот в системе отсчета одного из фотонов второй фотон удаляется от него со скоростью света. А в системе отсчета второго фотона, первый фотон приближается к нему со скоростью света. То есть имеем очевидное противоречие.

А если представить себе свет как волну в эфире? Эфир - это некая среда. Свет - это волна в ней, определяемая свойствами этой среды. Поскольку свойства эфира как "абсолютной системы отсчета" признаются за константу, то, получается, что и скорость волны в этой среде - константа.

Итак, получаем, что представление о постоянстве скорости света пришло в науку из эфирной теории. И хотя Эйнштейн отказался от эфира, а при объяснении фотоэффекта оперировал понятием квантов (фотонов), тем не менее унаследовал многие представления о мире из теории эфира. Интересно, что, создав впоследствии общую теорию относительности (являвшуюся логическим продолжением теории специальной), Эйнштейн начал говорить про существование эфира:

«...общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами; таким образом, в этом смысле эфир существует. Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы, и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле этого слова. Однако этот эфир нельзя представить себе состоящим из прослеживаемых во времени частей; таким свойством обладает только весомая материя; точно так же к нему нельзя применить понятие движения». (А.Эйнштейн. Собр. Научн. Трудов. М., «Наука», 1965. Эфир и теория относительности. с. 689).

В 1924 г. А.Эйнштейн в статье «Об эфире» сообщает, что

«...мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, т.е. без континуума, наделенного физическими свойствами, ибо общая теория относительности, основных идей которой физики, вероятно, будут придерживаться всегда, исключает непосредственное дальнодействие; каждая же теория близкодействия предполагает наличие непрерывных полей, а, следовательно, существование «эфира». (А.Эйнштейн. «Об эфире». Там же, т. 2, 1966, с. 160).

«Единственный выход - это допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны, и не слишком много заботиться о смысле  этого утверждения. Можно еще употреблять слово «эфир», но только для того, чтобы выразить упомянутое физическое свойство пространства. Слово «эфир» изменяло свой смысл много раз в процессе развития науки. В данный момент оно уже не употребляется для обозначения среды, построенной из частиц. Его история, никоим образом не законченная, продолжается теорией относительности». (Альберт Эйнштейн. Эволюция физики. - М.: Устойчивый мир, 2001. - С.146-147.)

Если же поставить целью создать непротиворечивую картину мира, то тогда надо выбрать одно из двух: либо признать принцип постоянства скорости света во всех системах отсчета, но при этом сохранить представления об эфире; либо отказаться от эфира, но при этом подвергнуть сомнению представление о постоянстве скорости света во всех системах отсчета.

 

P.S. в 2007 году немецкие физики поставили эксперимент, из результатов которого следует, что скорость света не только не является постоянной, но и может превышать ту константу, которая известна под названием «скорость света в вакууме». Подробнее об этом опыте можно прочитать по адресу в Интернете http://element114.narod.ru/edu8phys5-24-08-07.html