В поисках абсолютного движения

Согласно действующему в механике принципу относительности Галилея равномерное и прямолинейное движение материальной системы^* относительно какого-либо другого тела совершенно не сказывается на ходе механических процессов, происходящих внутри этой материальной системы. В трюме корабля, плывущего равномерно и прямолинейно, никакими экспериментами невозможно обнаружить его движение относительно водной среды и суши. Чтобы измерить скорость движения судна, необходимо выйти за пределы перемещающейся системы, вступить во взаимодействие с внешней средой, включить ее в свой "опыт". В давние времена для этой цели моряки бросали за корму предмет, к которому была привязана веревка - линь, и измеряли скорость, отсчитывая узлы на разматывающемся лине.

^* (Такие механические системы называются инерциальными.)

В теории этот принцип относительности означает неизменность, одинаковость математической записи законов механики в системах, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Уравнения механических законов включают в себя координаты рассматриваемых тел и время. Если две системы движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, то при переходе из одной системы в другую пересчету подлежит лишь координата вдоль направления движения. Причем пересчет совершается по формулам преобразований Галилея: к координате добавляется расстояние, на которое сместились по отношению друг к другу обе системы. Производя в законах механики, записанных для одной системы, замену координат согласно преобразованиям Галилея, получим законы механики уже для другой системы. Если обе системы инерциальны, форма закона при такой замене координат останется прежней. Эта неизменность именуется инвариантностью законов механики относительно преобразований Галилея. Так выражается принцип относительности Галилея на математическом языке.

При любой сколь угодно высокой скорости невозможно обнаружить движение инерциальной системы, наблюдая за протекающими в ней механическими явлениями. Иное дело, если включить в рассмотрение электромагнитные явления. Мировой эфир играет роль абсолютно неподвижной среды для бесчисленного множества всех остальных систем. В такой привилегированной, выделенной системе электромагнитные процессы могут протекать иначе, чем в других движущихся инерциальных системах. Как арена действия электромагнитных явлений, эфир проникает во все тела, во все системы. От этой вездесущей внешней среды не изолируешься, как это мог сделать наблюдатель в трюме корабля, полностью отгородившись от воздушной и водной сред. Это значит, что любое электромагнитное явление поневоле уподобляется своеобразному "линю", бросаемому в неподвижное эфирное море, которое бороздят во всех направлениях самые различные системы. С помощью "электромагнитного линя" можно было бы отсчитывать скорость движения системы относительно самой неподвижной среды - абсолютную скорость - и тем самым подтвердить на опыте наличие этой среды. Но прежде чем ловить электромагнитными или оптическими экспериментами встречный (или боковой) "эфирный ветер", требовалось сначала обобщить уравнения Максвелла на случай движущихся тел, то есть нужно было мысленно перенестись на палубу движущегося корабля.

Из прежних неудачных попыток обнаружить абсолютное движение Земли с помощью оптических явлений было ясно, что следует либо предположить полное увлечение эфира вместе с Землей, либо рассчитывать на совсем иной порядок малости ожидаемого эффекта и готовить "линь" не столь грубый. По первому пути пошел Г. Герц. Предложенная им в 1890 году электродинамика движущихся тел, как и классическая механика, удовлетворяла принципу относительности Галилея. Уравнения электродинамики не менялись, когда к координатам применяли преобразования Галилея, и обнаружить "эфирный ветер" в принципе не представлялось возможным. Но тут же выяснилась неприемлемость такого прямого распространения принципа относительности механики на электродинамику. Принятая Герцем гипотеза полного увлечения эфира движущимися телами противоречила открытому Дж. Брадлеем в 1728 году явлению аберрации света звезд и результатам опыта Физо, измерявшего скорость света в движущейся воде^*.

^* (При полном увлечении эфира движущимся телом не должно происходить смещения звезд в астрономических наблюдениях, а при измерении скорости света в движущейся воде должна была бы получаться величина, равная сумме скоростей движения воды и распространения света в неподвижной воде.)

Другой путь обобщения теории Максвелла был представлен в работах голландского физика-теоретика Гендрика Антона Лоренца, сыгравшего исключительно важную роль в становлении современных физических представлений. Начиная с 1886 года Лоренц в целом ряде работ обращается к проблеме эфира и электродинамики движущихся тел. Он останавливается на гипотезе неподвижного эфира, не увлекаемого движением весомой материи, что освобождало его теорию от основного затруднения теории Герца в объяснении аберрации света звезд. Кроме того, эта гипотеза приводила к утверждению о том, что скорость распространения света не зависит от движения источника. Но в то время это важнейшее свойство света не было еще подтверждено прямыми наблюдениями. Лоренц пытался согласовать гипотезу о неподвижном эфире с многочисленными неудавшимися попытками обнаружить абсолютное движение Земли в оптических и электромагнитных опытах, и ему это удалось без каких-либо специальных предположений.

Уравнения электродинамики, полученные Лоренцем, оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Принцип относительности Галилея нарушался в предложенной голландским ученым электродинамике, что свидетельствовало о возможности обнаружить "эфирный ветер". Но ожидаемый эффект возникал лишь во втором порядке малости^*, что объясняло отрицательный результат всех опытов, проведенных с точностью до первого порядка. Чтобы измерить абсолютную скорость Земли, нужно было существенно повысить точность экспериментального оборудования. Дело теперь было за экспериментаторами.

^* (Имеются в виду эффекты, пропорциональные квадрату отношения скорости Земли к скорости света.)