Главная >> В мире больших скоростей >> Специальная теория относительности

11. Свет проверяет теорию относительности

Предпочтение теории относительности Эйнштейна гипотезе Лоренца о сокращении размеров движущихся тел основывается не только на общих доводах, изложенных в предыдущем параграфе. В пользу теории относительности говорит и целый ряд как прямых, так и косвенных экспериментов.  Ознакомившись с основными свойствами света, рассмотрим опыт, который в 1938 г. поставил американский физик Айвс.

Рис. 36. Схема спектрографа

Свет — волновое явление. На рис. 36 схематически изображен спектрограф, при помощи которого свет разлагается на различные составные части, имеющие разные частоты. Световой луч определенной частоты идет на предназначенное ему место, на фотопластинку, где он оставляет свой след. Проявив пластинку и измерив положение следов от световых лучей, можем установить частоты исследуемого света. Изменению частоты света соответствует перемещение его следа на фотопластинке спектрографа.
 
Чтобы лучше выяснить одно из основных свойств света (и вообще всех периодических процессов), приведем простой пример.
 
Пусть в автопробег из Таллина в Тарту каждый 10 мин отправляется автомашина. Если предположить, что скорость машин все время одинакова, то контрольный пункт на границе Тарту отметит в течение часа прибытие шести машин. А сколько автомашин зарегистрирует за час тот, кто едет навстречу этим автомашинам, т. е. в направлении от Тарту в Таллин? Очевидно, больше шести: он встретит те шесть автомашин, которые в течение часа прибывают в неподвижный контрольный пункт, и дополнительно еще автомашины, которые прибудут в Тарту уже в последующие часы. Двигаясь навстречу потоку машин, наблюдатель зарегистрирует в течение часа больше автомашин, чем наблюдатель, находящийся в покое. Рассуждая аналогично, придем к выводу, что, двигаясь медленно в направлении движения потока автомашин, наблюдатель в течение часа зарегистрирует меньше автомашин, чем неподвижный наблюдатель.
 
Луч света является периодическим процессом и имеет свойства, аналогичные свойствам непрерывного потока автомашин: наблюдатель, движущийся навстречу световому лучу, зарегистрирует в течение секунды больше световых колебаний, чем покоящийся наблюдатель, т. е. частота света повышается. Это явление называется эффектом Допплера. Собственно говоря, здесь не существенно, кто движется — наблюдатель или источник света, существенно только их относительное движение.
 
Пусть вначале источник света и наблюдатель неподвижны друг относительно друга и наблюдатель определяет частоту света. Допустим, что он нашел, что частота света равна v. Пусть теперь наблюдатель начнет двигаться к источнику света (или источник света — к наблюдателю). В этом случае наблюдатель обнаружит, что частота света больше v. В случае, когда наблюдатель и источник света удаляются друг от друга, наблюдатель обнаружит, что частота света меньше v. Увеличение (или уменьшение) частоты света при этом будет зависеть от скорости относительного движения источника света и наблюдателя. В этом смысл эффекта Допплера. Эффект Допплера используется для определения скорости движения удаленных источников света: чем больше изменение частоты света, тем больше скорость движения источника света относительно наблюдателя. Этим методом, например, определяется скорость, с которой приближаются или удаляются от нашей солнечной системы звезды и звездные системы. Об  эффекте   Допплера   известен   любопытный   анекдот.
 
Однажды знаменитый физик Роберт Вуд, управляя автомашиной, по рассеянности не заметил красного сигнала светофора. Пытаясь оправдаться перед регулировщиком движения, он объяснил, что при движении к светофору, благодаря эффекту Допплера, красный свет показался ему зеленым. Но и регулировщик проявил смекалку. Он быстро подсчитал, что для того, чтобы красный свет показался зеленым, машина должна приближаться к светофору со скоростью около 60 000 км/сек, и оштрафовал физика за превышение дозволенной скорости.

Рассмотрим следующий вопрос: мог ли бы водитель автомашины заметить изменение цвета светофора в том случае, если бы он ехал в поперечном направлении? На этот вопрос классическая физика дает совершенно определенный отрицательный ответ, так как частота света, излученного перпендикулярно направлению движения, не должна изменяться. Как же обстоит дело в действительности? Именно для решения этого вопроса Айвс поставил свой знаменитый опыт.
 
Айвс наблюдал излучаемый атомами водорода сине-зеленый свет, частота которого равна 6*10¹⁴ гц (600 млн. Мгц). В ходе опыта он измерял частоту света, излучаемого атомами, которые пролетали со скоростью 1800 км/сек мимо спектрографа. Оказалось, что частота света, излучаемого движущимися атомами, была приблизительно на 0,0018% меньше частоты света от покоящихся атомов. Образно говоря, это означает, что если автомашина пройдет мимо светофора в поперечном направлении, двигаясь с очень большой скоростью, то для пассажира автомашины сигнал света должен становиться «краснее». Однако необходимая для значительного изменения цвета сигнала скорость автомашины должна быть фантастической. Так, например, чтобы зеленый цвет светофора казался красным, автомашина должна пройти мимо светофора в поперечном направлении со скоростью около 200 000 км/сек. Сам Айвс был противником теории относительности. В статье, где он теоретически обосновал результаты своего опыта, он ни разу не делает ссылку на теорию относительности. В статье Айве говорит, однако, о мировом эфире как о среде, в которой распространяется свет. Нужно сказать, что с помощью сложных рассуждений Айвсу действительно удалось объяснить результат своего опыта в рамках классической физики. Правда, ему пришлось использовать некоторые искусственные гипотезы, такие, как, например, гипотеза Лоренца о сокращении продольных размеров движущихся тел.
 
Однако сразу же после опубликования результатов опыта Айвса, физики заметили, что этот опыт является прекрасным    подтверждением    теории   относительности.
 
Опыт Айвса непосредственно показывает замедление хода времени в системе отсчета, движущейся относительности наблюдателя.
 
Проследим мысленно за атомами, движущимися со скоростью 1800 км/сек мимо спектрографа. Из теории относительности следует, что для находящегося у спектрографа наблюдателя время на движущихся атомах будет протекать медленнее, чем на покоящихся. Все процессы, в том числе и излучение световых колебаний, на движущихся атомах должны происходить медленнее. За то время, когда у спектрографа пройдет одна секунда, движущиеся атомы еще не успеют совершить 6*10 ¹⁴ колебаний. Проходящие мимо спектрографа атомы будут излучать свет меньшей частоты, чем другие точно такие же атомы, но неподвижные относительно спектрографа. Вычисления показывают, что атомы, движущиеся со скоростью 1800 км/сек, действительно должны излучать в направлении, перпендикулярном движению, свет, частота которого должна быть на 0,0018% меньше частоты света, излучаемого покоящимся атомом. Результаты опыта Айвса оказались в полном согласии с теорией относительности и получили в этой теории естественное объяснение.

Примечание:
Звук, как и свет, является колебательным процессом, поэтому эффект Допплера имеет место и для звука. Если стоять около железной дороги и слушать гудок проходящего паровоза, то можно заметить, что в тот момент, когда паровоз минует нас, тон гудка становится ниже. Частота гудка приближающегося паровоза, согласно эффекту Допплера, должна быть больше, а частота гудка удаляющегося паровоза меньше, чем частота гудка неподвижного паровоза. Когда паровоз проносится мимо пас, мы отмечаем резкое понижение тона гудка.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: