Евгений Борисович Александров, академик РАН
Немного истории
Нет более прославленной физической теории, чем СТО — специальная теория относительности. Годом ее рождения считается 1905 год — момент публикации статьи молодого амбициозного теоретика Альберта Эйнштейна под скучным академическим названием «К электродинамике движущихся тел». Началась эпоха рождения новой физики — вслед за СТО появилась квантовая механика, в создании которой Эйнштейн также принял активное участие. В отличие от квантовой механики, знакомство с которой требует специальной математической подготовки, СТО представлялась понятной теорией, хотя и с сенсационными выводами.
Помню свое восхищение от первого знакомства со СТО. На упражнениях по курсу общей физики записал в 1957 году условие задачи, продиктованной преподавателем В. В. Батыгиным: «Летим на альфу Центавра. Расстояние — 4 световых года. Требуется узнать, какую скорость нужно набрать для того, чтобы полет для экипажа ракеты занял один месяц. Каковы затраты энергии при массе покоя ракеты 1 тонна?» Действительно, вчера запущен первый спутник, межзвездные перелеты не за горами! Фантастическая возможность сжатия многих лет земного времени в один месяц заточения в ракете окрыляла. Вопрос об энерготратах (чудовищных) и ускорениях (не совместимых с жизнью) не ставился...
СТО принесла небывалую славу Эйнштейну. Гений теоретической физики Лев Ландау предложил список рангов ученых по образцу звездных величин, в которой отсчет шел вниз от Эйнштейна. Но эта слава провоцировала и публичное раздражение. Элемент ревности присутствовал в реакции его коллег-физиков, которые осуждали Эйнштейна за то, что он не сослался на работы своих предшественников, в значительной мере подготовивших рождение СТО, — среди них наиболее известны имена Анри Пуанкаре, Хендрика Лоренца и Альберта Майкельсона. Можно сказать, что теория относительности носилась в воздухе, а Эйнштейн ее из этого воздуха сконденсировал.
Академик В. И. Арнольд рассказывал, что учитель Эйнштейна Герман Минковский рекомендовал своему ученику прочитать статью Пуанкаре «Об измерении времени». В статье, опубликованной в 1898 году в философском журнале «Revue de métaphysique et de morale», была качественно сформулирована идея теории относительности, и чтение ученику пошло впрок. Однако сообщество физиков никогда не сомневалось в ценности вклада Эйнштейна, в том числе и сам Пуанкаре, который оказался рецензентом последовавшей статьи Эйнштейна и дал на нее восторженный отзыв. Физики в целом довольно быстро приняли СТО в качестве фундаментального развития механики Галилея—Ньютона. Быстрому признанию СТО способствовало стремительное развитие ядерной физики с ее арсеналом ускорителей заряженных частиц: их работа невозможна без учета СТО, которая лежит в основе расчетов этих машин так же буднично, как теория сопротивления материалов в инженерном деле. Иначе обстояло дело с мнением широкой публики, знакомой со СТО по газетным сообщениям или в лучшем случае по популярным изложениям.
Объективное и субъективное
Сейчас среди профессионалов нет и тени сомнения в справедливости СТО — она является базой ядерной физики, квантовой электродинамики, космологии и других областей. Предсказания СТО выполняются с точностью лучше миллионной доли. Тем не менее и сегодня редакции журналов осаждают любители, опровергающие Эйнштейна. Их построения отвергаются рецензентами-профессионалами и не проникают в научную печать, однако переполняют Интернет и СМИ. Процесс обострился в 100-летний юбилей выхода знаменитой статьи Эйнштейна. Особый размах кампания ниспровержения Эйнштейна приобрела в России, поскольку она наложилась на системный кризис, когда резко упал престиж рациональной науки в пользу паранауки, оккультизма и эзотерики. Нападки на СТО агрессивны и направлены в адрес «официальной» (академической) науки, которая-де являет собой «заговор монополистов СТО» ради финансовой выгоды «академиков-релятивистов».
Среди причин неприятия СТО помимо невежественности, ревности к мировой славе и антисемитизма есть и объективная составляющая — недостаточная убедительность прямого экспериментального подтверждения базовых положений теории. Отклонения от классической механики в пользу СТО возникают в меру отношения v/c, где v — скорость объекта, а c — скорость света в вакууме. Это отношение даже для столь высоких скоростей макроскопических объектов, как скорость звука, имеет порядок 10–6, поэтому релятивистские эффекты трудно обнаружить.
Исторически первым экспериментом, на который ссылаются все руководства по СТО как на обоснование теории, выступает эксперимент Майкельсона 1881 года, когда была сделана попытка обнаружения эффекта увлечения света «светоносным эфиром». В этом эксперименте интерферометрически сравнивалось изменение фазы, которое приобретает свет, проходящий вдоль мерного участка по линии движения Земли в ее орбитальном полете вокруг Солнца, с набегом фаз при противоположном направлении движения света. Точнее можно сказать, что сравнивалась фаза колебаний света, распространявшегося поперек движения Земли и возвращенного зеркалом в исходную точку, с фазой света, распространявшегося вдоль движения и тоже возвращенного зеркалом в исходную точку. Поскольку «исходная точка», в которой производится сравнение фаз, движется в пространстве, расстояния, проходимые светом в разных направлениях по пути «туда» и «обратно», оказываются различными. Это должно приводить к разности фаз, поскольку на меньшем пути укладывается меньшее число длин волн.
Ожидалось найти разность фаз, пропорциональную (v/c)2. Хотя в этом случае величина v/c не так уж мала (104), но из-за квадратичности влияния эффект оказывается на грани обнаружения и легко маскируется флуктуациями. В первом опыте Майкельсона обнаруженное систематическое отклонение фаз получилось в несколько раз меньше вычисленного на основании теории эфира и лишь немного превышало случайный разброс показаний. Майкельсон объявил результат нулевым. Это означало, что «мирового эфира», то есть некоторой неподвижной среды, в которой распространяется свет (аналогично воздуху, в котором распространяется звук), не существует.
Со временем точность росла, и к концу XIX века нулевой результат эксперимента Майкельсона стал рассматриваться в качестве одного из двух вызовов классической физике, о которых говорил лорд Кельвин как о двух облачках, затмевающих ясный горизонт науки. Вторым облаком была «ультрафиолетовая катастрофа» — несоответствие спектра теплового излучения теоретическим ожиданиям. Первое облачко породило СТО, второе — квантовую теорию.
Измерения по схеме Майкельсона продолжались до конца тридцатых годов ХХ века, когда они потеряли (в мире профессионалов) всякую актуальность ввиду большого количества подтверждений СТО, поставляемых ядерной физикой и мощной электроникой. Однако эти результаты практически не проникали в общественное сознание, питающееся популярными книжками, в которых единственным обоснованием СТО выступали опыты Майкельсона.
В то же время критики СТО не дремали. Среди множества экспериментов майкельсоновского типа, причем не всегда поставленных достаточно аккуратно, выискивались такие, в которых наблюдались сдвиги интерференционной картины. Но и отрицательный результат этих опытов не рассматривался как доказательство справедливости СТО: ставилось под сомнение толкование этих опытов. Большое внимание привлекла корпускулярно-баллистическая гипотеза Ньютона—Ритца, в которой на основе утвердившейся в начале ХХ века фотонной теории света последний рассматривался в качестве потока частиц, скорость движения которых складывается со скоростью источника, подобно тому как скорость снаряда складывается со скоростью движения пушки. Но тогда свет, приходящий на Землю от разных краев Солнца, должен иметь разную скорость. Да и свет, испущенный компонентой двойной звезды в момент, когда она летит по направлению к нам, и в момент, когда она летит от нас, тоже должен иметь разную скорость. Но согласно СТО он должен иметь одинаковую скорость, и вот что об этом свидетельствует.
Второй постулат
В СТО наиболее странным и спорным всегда представлялся второй постулат, в соответствии с которым скорость света постоянна в любой инерциальной системе координат и не зависит от скорости источника света. Этот постулат лежит в основе принципа синхронизации часов, положенного Эйнштейном в основу СТО. Постулат не имел тогда другого экспериментального подтверждения, кроме отрицательного результата опыта Майкельсона, но это доказательство ставилось под сомнение гипотезой Ритца. Существовало, однако, и другое свидетельство постоянства скорости света. На него в 1913 году указал астроном де Ситтер, обратив внимание на тот факт, что наблюдаемая кинетика относительного движения двойных звезд в точности следует ньютоновской небесной механике. Если же допустить, что скорость света складывается со скоростью источника, то на больших расстояниях будут накапливаться значительные сдвиги времен прихода света от объекта, движущегося по лучу зрения, по сравнению с попятным движением. Это должно было привести к резким отклонениям наблюдаемой кинетики движения звезд по сравнению с ожидаемой.
Однако это возражение было парировано сторонниками гипотезы Ритца. Они привлекли к рассмотрению межзвездный газ, который рассматривался как вторичный источник света. С этой точки зрения свет, испущенный движущимся источником, теряет память о скорости первичного источника по мере распространения в межзвездной среде, которая выступает вторичным источником уже со своей локальной скоростью. Поскольку данные об этой среде известны лишь приблизительно, эта идея позволяет подвергнуть сомнению большинство астрономических доказательств постоянства скорости света. Упомянутые сомнения в справедливости второго постулата потеряли значение к сороковым годам прошлого века, поскольку СТО, как уже говорилось, была полностью подтверждена своими следствиями в физике высоких энергий, где без нее нельзя сделать ни шагу.