Теория относительности и психология

Уже сто лет множество людей пытается опровергнуть теорию относительности. Причем многие "опровергатели" физической теории имеют лишь косвенное отношение к физике. И если значительную часть из них трудно принимать всерьез, то этого нельзя сказать обо всех. Почему же столько людей, часть из которых имеет приличное образование и производит впечатление людей серьезных, занято таким неблагодарным делом — опровержением теории, которую уже сто лет никто не смог опровергнуть? А если кто-то из них прав, то почему им не удается доказать свою правоту "широкой научной общественности"? При этом создается впечатление, что у квантовой механики, еще более парадоксальной, чем теория относительности, опровергателей существенно меньше. Чем же в этом отношении теория относительности отличается от квантовой механики?!

Это отличие можно увидеть, сравнив соответствующие главы школьного учебника. Действительно, когда в нем речь идет о квантовой механике, скептическому уму не за что зацепиться. Он может или верить тому, что сказано в учебнике, или не верить, не имея при этом конкретных оснований для сомнений. Например, в учебнике утверждается: "Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию квантами". Поскольку наш жизненный опыт никак не связан с испусканием электромагнитной энергии атомами, то и наш здравый смысл не дает нам стимулов для поиска возражений. И наоборот, парадоксальность теории относительности очевидна всем, что и вызвало к ней широчайший интерес. По этой причине, а также потому, что основные положения СТО (специальной теории относительности) внешне довольно просты, ей посвящено много хороших научно-популярных книг. Причем значительная часть из них написана крупными физиками. И если на эту тему писали такие авторитеты, как сам А. Эйнштейн, С.И. Вавилов и другие, то авторы научно-популярных книг ориентировались на их труды как на образцы. В результате вопросы, которым эти выдающиеся ученые уделили мало внимания, остались вне поля зрения авторов многочисленных популярных и даже учебных книг.

По понятным причинам описание опытов, обосновывающих СТО, трудно поместить в школьные учебники. В результате элементарный здравый смысл может привести к сомнениям в ней. И устранить такие противоречия между СТО и здравым смыслом очень трудно. Возможно, поэтому у многих после первого знакомства с СТО возникает желание "во всем разобраться" и найти логическую ошибку в теоретических построениях А. Эйнштейна.

Значительный интерес у опровергателей вызывает опыт Майкельсона. Это тоже не случайно. Действительно, этот опыт дал результат, противоречащий физической картине мира того времени. Поэтому он произвел сильное впечатление на физиков, и они в своих книгах уделили ему много внимания. И, как следствие, и в популярных книгах о СТО, и в учебниках он занимает заметное место. В результате многие воспринимают его как, если не единственное, то основное экспериментальное обоснование СТО и, стараясь опровергнуть СТО, воспринимают его, как слабое место. При этом не учитывается, что на результате одного опыта невозможно построить теорию. Хотя бы потому, что всякий опыт допускает различные интерпретации. Как известно, Майкельсон не обнаружил того, что условно называется "эфирным ветром". Допустим, что Майкельсон допустил какую-то ошибку или в организации опыта, или в его интерпретации, и что на самом деле "эфирный ветер" есть. Но тогда надо будет создать какую-то теорию, которая допускала бы с одной стороны наличие "эфирного ветра", а с другой — объясняла бы результаты большого числа других опытов, подтверждающих СТО. Однако многочисленные критики СТО об этом как бы не задумываются.

Повышенное внимание к опыту Майкельсона приводит к тому, что в литературе мало внимания уделяется другим экспериментальным подтверждениям СТО. Например, одним из таких экспериментов считаются опыты с бета-лучами. Они подтверждают одно из следствий этой теории — увеличение массы тела с увеличением его скорости. Опыт заключался в воздействии на бета-лучи электрическим и магнитным полем. Бета-лучи — это поток электронов, то есть одинаковых частиц, чья масса и электрический заряд известны. При этом электроны, из которых состоит этот поток бета-лучей, имеют разную, причем весьма значительную скорость. И в результате величина отклонения электронов зависит от скорости в полном соответствии с СТО.

Желание опровергнуть или по-новому истолковать результаты опыта Майкельсона должно ослабнуть, если его воспринимать как один из большого числа опытов, на основании которых ученые отказались от гипотезы о существовании эфира. Еще в середине XIX века физики измеряли скорость света в прозрачной среде и убедились, что она ниже скорости света в пустоте. В 1850 году А. Физо проводил опыты со световыми лучами, проходившими через трубу, заполненную водой, и удостоверился, что скорость света меняется, если вода в трубе движется. По аналогии было естественно считать, что если скорость света постоянна относительно неподвижного эфира, то измеряемая наблюдателем на Земле скорость света должна меняться из-за движения Земли относительно эфира. Такое предполагаемое изменение и называлось "эфирным ветром", который должен был как бы "сносить" свет, как его "сносит" движущаяся вода в опыте Физо. Такое уточнение необходимо сделать потому, что этот термин часто вызывает неправильные аналогии. Вряд ли неподготовленный читатель обратит внимание на кавычки, в которые обычно берут слова "эфирный ветер"-указание на то, что этот термин не следует понимать буквально. Кстати, в известной мне англоязычной литературе используется термин "ether drift" — "эфирное смещение", не вызывающий сбивающих с толку аналогий.

С точки зрения логики научного исследования в высшей степени интересно и поучительно то, что выдающийся экспериментатор Майкельсон, проведя свои опыты и получив неожиданный результат, счел нужным повторить со значительно большей точностью опыт Физо. При этом результат Физо был подтвержден. Действительно, коль скоро в этих опытах исследуются схожие явления, то в них естественно ожидать схожих результатов. И если результаты получились принципиально разными, то следовало перепроверить оба опыта. Но ведь точно так же наш современник, сомневающийся в результате опыта Майкельсона и/или в его трактовке, должен проанализировать и другие опыты, результаты которых противоречили существовавшим в XIX веке представлениям об эфире. И опровергатели Эйнштейна должны понимать, что им необходимо "разобраться" не только с опытом Майкельсона, но и со многими другими опытами.

Действительно, если ориентироваться на опыт Майкельсона сам по себе, то можно предположить, что скорость света постоянна в системе отсчета, связанной с источником. А для стороннего наблюдателя скорость света равна некоторой постоянной величине плюс скорость источника. При таком предположении опыт Майкельсона должен дать тот результат, какой он фактически дал. Такие теории (баллистические) в своё время разрабатывались. Но, как утверждает учебник по СТО, наблюдения за движением двойных звезд опровергают баллистическую гипотезу. Тем не менее, если судить по интернету, не все считают этот вопрос закрытым.

И здесь просматривается еще один парадокс, уже не физический, а психологический. Школьный учебник утверждает, что "согласно законам электродинамики скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 300 000 км/с. Но ... в соответствии с законом сложения скоростей Ньютона скорость может равняться c только в одной избранной системе отсчета. ... Таким образом, обнаружились определенные противоречия между электродинамикой и механикой Ньютона". Согласимся с тем, что это утверждение для школьного учебника необычное, поскольку в нем нет даже намека на обоснование. Из него никак нельзя понять, как из законов электродинамики делается вывод о постоянстве скорости света. (Что, впрочем, естественно — обоснование требует знаний, далеко выходящих за рамки школьной программы.) Тем не менее, это следствие из уравнений Максвелла имеет принципиальное значение для СТО. Более того, А. Эйнштейн, создавая СТО, опирался на анализ уравнений Максвелла, а не на опыт Майкельсона. Но если постоянство скорости света является следствием уравнений Максвелла, то представляет интерес логика тех современных опровергателей, которые доказывают зависимость скорости света от скорости источника. Ведь, приняв их предположения, надо будет вносить уточнения в уравнения Максвелла. И, как следствие, необходимость "разбираться" с множеством экспериментов, которые, согласно общепринятому мнению, соответствуют уравнениям Максвелла.

Тем не менее, в наши дни заметно возрождение интереса к баллистическим теориям. Вновь вспомнили труды швейцарца В. Ритца, который в 1908 году объяснял неожиданный результат опыта Майкельсона тем, что скорость света складывается со скоростью источника. Была, в частности, сделана попытка трактовать наблюдения за двойными звездами, не противореча баллистической теории. При этом не заметно анализа информации о других экспериментальных опровержениях баллистической теории. Хотя в свое время рассматривалось несколько ее вариантов, и проводились опыты, которые их опровергали. Более того, сам В. Ритц указывал на поправки к уравнениям Максвелла, которые надо было бы сделать, чтобы его баллистическая теория не противоречила основам электродинамики. С тех пор прошло много лет. Накопился значительный экспериментальный материал, подтверждающий универсальный характер законов Максвелла. И если кто-то предлагает гипотезу, не укладывающуюся в рамки общепринятой теории Максвелла, он должен, так же как В. Ритц, на это указать и предложить способ преодоления возникающих трудностей.

Следует подчеркнуть, что опытов, подтверждающих СТО, было много. В этом должны отдавать себе отчет те, кто не принимает или результат опыта Майкельсона, или его общепринятую трактовку. Действительно, можно в качестве исходного пункта рассуждений взять не этот опыт, а какой-то другой. Например, опыт, подтверждающий зависимость массы от скорости. В таком случае можно поставить вопрос так: какие могут быть логические следствия из предположения, что масса зависит от скорости в соответствии с теорией относительности? Одно из следствий очевидно — невозможность движения со скоростью света для любого объекта, обладающего массой покоя. Однако выяснить, какие при таком предположении должны быть результаты опыта Майкельсона, было бы, наверное, непросто. Но такие рассуждения могут многое прояснить. Более того, такой анализ помог бы скептикам: если какие-то утверждения СТО нельзя вывести в качестве следствий из соответствующей этой теории зависимости массы от скорости, то опровергателям Эйнштейна следует сосредоточить свое внимание именно на них. Но в любом случае из подтвержденного опытом факта — зависимости массы от скорости — следует, что при скоростях, близких к скорости света, механика Ньютона перестает "работать" и если не СТО, то какая-то другая теория должна это учитывать.

Если будет написана книга "Теория относительности для сомневающихся", то в ней опыт Майкельсона будет трактоваться как один из многих опытов, подтверждающих СТО. Впрочем, книга с таким названием вряд ли когда-либо выйдет из-за необъятности темы. Ведь сомневаться можно в чем угодно. Поэтому уместно обратить внимание на книгу, посвященную, на первый взгляд, одному частному вопросу — экспериментальному обоснованию одного из основных положений СТО — предположения о постоянстве скорости света. Ее название говорит само за себя — "Экспериментальные корни специальной теории относительности". В отличие от большинства научно-популярных книг, в ней основное внимание уделено не парадоксальным и противоречащим здравому смыслу (и поэтому интересным) следствиям этой теории, а множеству экспериментов, подтверждающих постоянство скорости света. И она делает неубедительным один из аргументов скептиков — ссылки на мнения крупных ученых, современников создания СТО, ее не принимавших. Ведь в первой четверти XX века опытное обоснование СТО было более скромным, чем в наши дни. Скорее всего, подобные книги, посвященные как бы "частным вопросам", будут выходить и в дальнейшем, И тогда, можно надеяться, скептиков будет меньше. А их возражения, если скептицизм сохранится, будут более основательными.

В этой же книге сообщается, что в опыте Физо по измерению скорости света в движущейся воде скорости складываются в соответствии с формулами СТО. У меня лично сразу возник вопрос, почему я, несмотря на то, что научно-популярные книги о теории относительности читал еще старшеклассником, узнал о столь интересном факте только недавно, когда готовил материал для этой статьи. Впрочем, этот факт должен быть интересен только для тех, кто скептически относится к СТО. Или для тех, кто намеревается дискутировать с "СТО-скептиками". Тот же, кто в СТО не сомневается, увидит здесь лишь очевидное следствие общепринятой теории. Может быть, и для меня этот научный факт стал интересным лишь после того, как я узнал, насколько распространено неприятие СТО.

Но этот опыт интересен не только сам по себе. Действительно, Физо показал, что скорость света меняется, когда он проходит через движущееся прозрачное вещество — воду. Но в таком случае естественно поставить вопрос — а не изменится ли скорость света, когда он будет проходить через другое прозрачное вещество — оптическое стекло, которое вместе с Землей движется вокруг Солнца. И вообще, как движение Земли влияет на характеристики оптических приборов? Напомним, что коэффициент преломления — основная оптическая характеристика вещества — определяется скоростью света в этом веществе. Подобные опыты были поставлены еще в начале XX века, и, как я понял, эффект сложения скоростей не был обнаружен. Однако мне лично было бы весьма интересно ознакомиться с научно-популярной книгой про СТО, где изложение опиралось бы не на опыт Майкельсона, а на оптические парадоксы. И, как мне кажется, подобные книги уменьшили бы число СТО-скептиков. Заметим, что оптические опыты существенно затрудняют задачу, стоящую перед ними. Для построения теории, отличной от СТО, им необходимо дать объяснение множеству разнородных экспериментально подтвержденных фактов. И чем более отличаются друг от друга эти факты, тем сложнее стоит задача перед опровергателями. Одному эксперименту — тому же опыту Майкельсона — можно дать много интерпретаций. Но физическая теория принимается научным сообществом, когда конкурирующие интерпретации опровергаются другими опытами. Судя по интернету, значительная часть опровергателей этого не осознает.

Эти заметки относятся, собственно говоря, не к физике, а к психологии. В них речь идет о психологических причинах, заставляющих многих не только скептически относиться к СТО, но и не жалея времени и сил пытаться ее опровергнуть. И автор этих строк имел специфический объект наблюдения — самого себя. Действительно, я сам себе удивлялся, недоумевая, зачем мне нужно рыться в учебниках, и, тем более, читать многочисленные послания СТО-скептиков в интернете, многие из которых были для меня очевидно нелепыми, а многие — непонятными. Началось все как-то само собой — я старался помочь своей дочери-старшекласснице одолеть премудрости физики, поругивая тех, кто внес в школьную программу элементы СТО и квантовой механики. При этом я не пытался анализировать противоречащие здравому смыслу положения квантовой механики, но в теории относительности попытался разобраться. Ведь для понимания ее основных положений вроде бы предварительных знаний не требуется. И почти сразу у меня возник вопрос. Задумавшись над наблюдениями Ремера над спутниками Юпитера, я пришел к выводу, что скорость сближения света, отраженного от спутника Юпитера, и земного наблюдателя периодически меняется. Она увеличивается, когда Земля и Юпитер сближаются, и уменьшается, когда они отдаляются. Потом, с помощью интернета, я узнал, что некоторые видят здесь опровержение основного положения СТО. Я не был столь "смел" в своих умозаключениях и понял, что мне следует уточнить, что физики понимают под скоростью света. Ведь наблюдатель на Земле может рассчитать, с какой ско-ростью он сближается с квантом света, отраженным от спутника Юпитера, и получить число, превышающее c. Физики явно имеют в виду не это. Но что?! Однако, в отличие от тех опровергателей, которые видят здесь контрпример для СТО, я здесь вижу сложный для понимания вопрос теории, который мне, мягко говоря, не вполне понятен.

Тем не менее, я на своем опыте убедился, что в теории относительности есть что-то завораживающее. Когда я узнал, что в опыте Физо с движущейся водой подтверждается закон сложения скоростей СТО, я задумался, а нельзя ли модифицировать подобным образом опыт Майкельсона. Модификация вроде бы простая — пропускать лучи света, скорость которых сравнивается в этом опыте, через трубки с водой (неподвижной). Вода в трубке, направление которой совпадает с направлением движения Земли вокруг Солнца, будет двигаться вместе с ней. И вроде бы здесь должен проявиться тот же эффект, что и у Физо. Однако, оказывается, еще в 1871 году англичанин Эйри проводил астрономические наблюдения, залив водой трубу телескопа. Как я понял, его логика не вполне совпадала с моей. Но это не важно. За несколько лет до Майкельсона не могло быть и речи о поиске релятивистских эффектов. Дело не в деталях, а в постановке вопроса: если прозрачное вещество движется вместе с Землей вокруг Солнца, то как это сказывается на его оптических свойствах? Замечу, что никаких соображений по поводу модификации опытов, связанных с квантовой механикой, мне в голову не пришло и не могло прийти. Поскольку мне было непонятно, о чем идет речь.

Я пишу об этом потому, что хочу понять, почему столько людей пытаются опровергнуть СТО. При этом серьезные возражения, если такие есть, теряются среди множества заведомо несерьезных. И я попытался, стараясь разобраться в основных положениях СТО, одновременно понять логику опровергателей. Вернее, тех из них, к кому следует относиться серьезно. Тем более что я сам неожиданно для самого себя стал втягиваться в неблагодарное и сложное дело — пытаюсь разобраться, если не в самой СТО, то в вопросах, далеко не простых, которые с ней непосредственно связаны. Возможно, принимаясь за это дело, я подсознательно находился под влиянием одной научно-популярной книги, которую я прочел, будучи старшеклассником. Там утверждалось, что вывод основных формул СТО не сложен. И я помню, что был тогда очень удивлен, убедившись, как просто выводятся эти формулы. Школьнику простительно не видеть сложности там, где она не очевидна, и не знать, что для понимания физической теории мало понимания математической стороны вопроса. Но упрощенное представление о проблемах, связанных с СТО, может дать и учебная литература.

Есть надежда, что некоторые вопросы, смущающие скептиков, будут со временем разрешены как бы сами собой. Технический прогресс и развитие науки ведут к повышению точности приборов. Поэтому многие сомнения со временем будут опровергнуты с помощью опытов, которые в наше время нереализуемы. Или из сомнений превратятся в научный факт, что потребует, как минимум, перестройки научных теорий.

От редакции

Попытки разъяснить теорию относительности предпринимались практически с момента ее создания. К упомянутым автором статьи выдающимся ученым следует добавить и Льва Ландау, выступившего в 1939 году на страницах "Знание — сила" с популярным ее изложением. Как не падает интерес к теории относительности, так и фигура нашего знаменитого физика продолжает привлекать к себе внимание. В начале будущего года предстоит отметить 100-летний юбилей Ландау, и журнал также готовится к этой дате.

Источник: "Знание - Сила"