Альберт Абрахам Майкельсон (18521931)
Американский физик и изобретатель Альберт Абрахам Майкельсон посвятил измерениям скорости света более полувека своей жизни. Главным его достижением было изобретение интерферометра, позволявшего производить измерения с невероятной для того времени точностью. За это изобретение и проведение метрологических измерений он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1907 году. Первые измерения он произвел в 1877 году. Сложность возникла не в самих измерениях, а в их интерпретации. Первый вопрос заключался в том, относительно чего измеряется скорость света. Предполагалось, что истинно неподвижной субстанцией Вселенной является эфир среда со столь мелкими частицами, что все остальные частицы материи проходят через неё свободно, практически не возмущая частицы эфира. Учёные того времени не слишком серьёзно относились к парадоксу: со времён Галилео Галилея физика считается наукой экспериментальной, но частицы эфира не обнаружены, и потому об их свойствах нельзя утверждать ничего определённого. Возвращаясь к описанной выше ситуации с поездом на котором установлена пушка, Майкельсону следовало учесть, что источник, для которого производятся измерения скорости света, участвует во многих движениях сразу, поэтому следует векторно складывать скорость движения света относительно эфира, скорость вращения источника относительно центра Земли, скорость его вращения относительно Солнца, скорость вращения Солнца относительно центра нашей галактики и скорость движения галактики относительно центра Вселенной. Майкельсон поступил очень просто. Предположим, сумма всех скоростей относительного движения источника света равна величине V. Тогда можно сделать ряд измерений, перемещая положение источника относительно измерительного прибора по кругу в плоскости горизонта с некоторым угловым интервалом. Тогда точки измерений на графике лягут на кривую, максимум которой соответствует совпадению направления распространения света с направлением суммарного вектора V, а минимум направлению, противоположному направлению этого вектора. Проделанные Майкельсоном расчёты показывали, что погрешность измерения его прибором примерно на два порядка меньше величины относительной скорости V/c, где с скорость света относительно эфира. Однако, точки измерений легли на прямую линию с точностью до погрешности измерений. В 1987 году Майкельсон совместно с Э. У. Морли значительно усовершенствовал свой прибор, однако на этот раз измеренные точки с ещё большей точностью легли на прямую линию. Получалось, как будто измеряемая скорость света не зависит от скорости движения источника, что противоречит логике рассмотренного примера с поездом и пушкой.
Практически до конца XIX века человечество не сталкивалось с изучением движения объектов со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Лищь к концу этого века такими объектами стали катодные лучи, которые представляли собой потоки электронов, ускоряемые электрическим полем. Тогда же было экспериментально установлено, что связь между ускоряющим напряжением и скоростью электронов не является линейной. В 1892 году Хендрик Лоренц установил такую связь, которая получила название преобразования Лоренца. В его формулах ускорение, приобретаемое электроном зависит от квадрата отношения скорости электрона к скорости света. Этот эффект можно было трактовать двояким образом. С одной с тороны, можно считать, что по мере ускорения растёт масса ускоряемой частицы. С другой стороны, аналогичный эффект достигается тем, что пространство как бы сокращается в направлении движения частицы. Оба варианта представлялись логически абсурдными. Масса является фундаментальной характеристикой частицы, поэтому изменение массы как бы превращает данную частицу в другую. Однако, второй вариант ещё страннее первого, поскольку в физике твёрдо укоренились представления об абсолютных пространстве и времени. Свойства эти фундаментальных категорий заключались в неизменности характеристик пространства и времени, независимо от того, присутствуют ли в данном месте и в данное время какие-либо материальные объекты или нет.
Провозвестник новой физики Альберт Эйнштейн (1879 1956)
Парадокс разрешил сотрудник патентного бюро Альберт Эйнштейн, опубликовав в 1905 году в Анналах физики статью «Об электродинамике движущихся тел». Статьи более революционного содержания и представить трудно. В основу новой теории движения были положены два постулата:
Провозвестник новой физики Альберт Эйнштейн (1879 1956)
Парадокс разрешил сотрудник патентного бюро Альберт Эйнштейн, опубликовав в 1905 году в Анналах физики статью «Об электродинамике движущихся тел». Статьи более революционного содержания и представить трудно. В основу новой теории движения были положены два постулата:
Все инерциальные системы полностью эквивалентны с точки зрения характеристик физических явлений, протекающих в них;
Скорость света одинакова в любых инерциальных системах и является мировой константой.
Из этих постулатов немедлено следуют преобразования Лоренца, связывающие переменные пространства и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой. Однако, Эйнштейн придаёт этим преобразованиям иной, отличный от Лоренца смысл. Никакой двойственности относительно трактовки изменения массы или сокращения расстояния у него нет. Преобразования означают, что свойства пространства и времени не являются независимыми, ибо переменные пространства и времени образуют принципиально новый, единый объект, который называется четырёхмерным вектором пространства-времени. Для этого объекта переход от одной инерциальной системы движения к другой означает поворот в четырёхмерном пространстве с сохранением длины четырёхвектора.
Справедливости ради, надо упомянуть, что представление о четырёхмерном пространстве-времени гораздо раньше было опубликовано в работе французского математика и физика-теоретика Анри Пуанкаре. Ещё в 1898 году, задолго до Эйнштейна, Пуанкаре в своей работе «Измерение времени» сформулировал общий (не только для механики) принцип относительности, а затем даже ввёл четырёхмерное пространство-время, теорию которого позднее разработал Герман Минковский. В 1905 году Пуанкаре далеко развил эти идеи в статье «О динамике электрона». Предварительный вариант статьи появился 5 июня 1905 года в Comptes Rendus, развёрнутый был закончен в июле 1905 года, опубликован в январе 1906 года, почему-то в малоизвестном итальянском математическом журнале. В этой итоговой статье снова и чётко формулируется всеобщий принцип относительности для всех физических явлений (в частности, электромагнитных, механических и также гравитационных), с преобразованиями Лоренца, как единственно возможными преобразованиями координат, сохраняющими одинаковую для всех систем отсчёта запись физических уравнений. Пуанкаре нашёл выражение для четырёхмерного интервала как инварианта преобразований Лоренца: четырёхмерную формулировку принципа наименьшего действия. Однако, в отличие от Пуанкаре, Эйнштейн сделал решительный вывод: нелепо привлекать понятие эфира только для того, чтобы доказать невозможность его наблюдения. Он полностью упразднил как понятие эфира, которое продолжал использовать Пуанкаре, так и опирающиеся на гипотезу эфира понятия абсолютного движения и абсолютного времени. Именно эта теория, по предложению Макса Планка, получила название теории относительности. Однако это было только начало, поскольку данная теория, как и кинематика Галилея, рассматривала лишь частный вид движения, а именно инерциальное движение, поэтому теория Эйнштейна получила название специальной теории относительности (СТО).
Следующим шагом стало создание Альбертом Эйнштейном общей теории относительности (ОТО) которая включила в рассмотрение действие гравитационных полей. Недостаток ньютоновской модели тяготения к тому времени проявился в том, что эта модель не была релятивистски инвариантной, то есть не удовлетворяла преобразованиям Лоренца. Новизна идей Эйнштейна заключалась в том, что материальным носителем тяготения является само четырёхмерное неевклидово пространство-время (псевдориманово многообразие), которое характеризуется метрикой и кривизной. Распространение возмущений гравитации, то есть изменений метрики при движении тяготеющих масс, происходит с конечной скоростью, в отличие от мнения Ньютона, полагавшего, что силы гравитации распространяются мгновенно. Дальнодействие с этого момента исчезает из физики. Ньютоновская теория тяготения по отношению к СТО остаётся справедливой лишь для относительно малых по космическим масштабам масс, когда нелинейные эффекты исчезают и вклады отдельных тяготеющих тел определяются простым суммированием.
Математическое оформление этих идей было достаточно трудоёмким и заняло несколько лет (1907 1915). Эйнштейну пришлось овладеть тензорным анализом и создать его четырёхмерное псевдориманово обобщение; в этом ему помогли консультации и совместная работа сначала с Марселем Гроссманом, ставшим соавтором первых статей Эйнштейна по тензорной теории гравитации, а затем и с «королём математиков» тех лет, Давидом Гильбертом. В 1915 году уравнения поля общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), обобщающие ньютоновские, были опубликованы почти одновременно в статьях Эйнштейна и Гильберта.