Перевага, віддана теорії відносності Ейнштейна перед гіпотезою Лоренца про скорочення розмірів рухомих тіл, ґрунтується не лише на загальних доводах, викладених у попередньому параграфі. На користь теорії відносності свідчить і ціла низка як прямих, так і непрямих експериментів. Ознайомившись з основними властивостями світла, розглянемо дослід, який 1938 р. поставив американський фізик Айвс.
Рис. 36. Схема спектрографа
Світло — хвильове явище. На рис. 36 схематично зображено спектрограф, за допомогою якого світло розкладається на різні складові частини, що мають різні частоти. Світловий промінь певної частоти йде на призначене йому місце, на фотопластинку, де він залишає свій слід. Проявивши пластинку й виміряв положення слідів від світлових променів, можемо встановити частоти досліджуваного світла. Зміні частоти світла відповідає переміщення його сліду на фотопластинці спектрографа.
Щоб краще з'ясувати одну з основних властивостей світла (і взагалі всіх періодичних процесів), наведемо простий приклад.
Нехай в автопробіг із Таллінна до Тарту кожні 10 хв вирушає автомашина. Якщо припустити, що швидкість машин весь час однакова, то контрольний пункт на межі Тарту відзначить протягом години прибуття шести машин. А скільки автомашин зареєструє за годину той, хто їде назустріч цим автомашинам, тобто в напрямку від Тарту до Таллінна? Очевидно, більше шести: він зустріне ті шість автомашин, які впродовж години прибувають до нерухомого контрольного пункту, і додатково ще автомашини, які прибудуть до Тарту вже в наступні години. Рухаючись назустріч потоку машин, спостерігач зареєструє протягом години більше автомашин, ніж спостерігач, що перебуває в спокої. Міркуючи аналогічно, дійдемо висновку, що, рухаючись повільно в напрямку руху потоку автомашин, спостерігач протягом години зареєструє менше автомашин, ніж нерухомий спостерігач.
Світловий промінь є періодичним процесом і має властивості, аналогічні властивостям неперервного потоку автомашин: спостерігач, що рухається назустріч світловому променю, зареєструє протягом секунди більше світлових коливань, ніж спостерігач у спокої, тобто частота світла підвищується. Це явище називається ефектом Доплера. Власне кажучи, тут не істотно, хто рухається — спостерігач чи джерело світла, істотний лише їхній відносний рух.
Нехай спочатку джерело світла і спостерігач нерухомі один відносно одного й спостерігач визначає частоту світла. Припустімо, що він виявив, що частота світла дорівнює v. Нехай тепер спостерігач почне рухатися до джерела світла (або джерело світла — до спостерігача). У цьому разі спостерігач виявить, що частота світла більша за v. У випадку, коли спостерігач і джерело світла віддаляються один від одного, спостерігач виявить, що частота світла менша за v. Збільшення (або зменшення) частоти світла при цьому залежатиме від швидкості відносного руху джерела світла й спостерігача. У цьому сенс ефекту Доплера. Ефект Доплера використовується для визначення швидкості руху віддалених джерел світла: чим більша зміна частоти світла, тим більша швидкість руху джерела світла відносно спостерігача. Цим методом, наприклад, визначається швидкість, з якою наближаються до нашої Сонячної системи чи віддаляються від неї зорі та зоряні системи. Про ефект Доплера відомий цікавий анекдот.
Якось знаменитий фізик Роберт Вуд, керуючи автомашиною, по неуважності не помітив червоного сигналу світлофора. Намагаючись виправдатися перед регулювальником руху, він пояснив, що під час руху до світлофора, завдяки ефекту Доплера, червоне світло здалося йому зеленим. Але й регулювальник виявив кмітливість. Він швидко підрахував, що для того, щоб червоне світло здалося зеленим, машина повинна наближатися до світлофора зі швидкістю близько 60 000 км/с, і оштрафував фізика за перевищення дозволеної швидкості.
Розглянемо таке запитання: чи міг би водій автомашини помітити зміну кольору світлофора в тому разі, якби він їхав у поперечному напрямку? На це запитання класична фізика дає цілком певну заперечну відповідь, оскільки частота світла, випроміненого перпендикулярно до напрямку руху, не повинна змінюватися. Як же в дійсності стоїть справа? Саме для розв'язання цього питання Айвс поставив свій знаменитий дослід.
Айвс спостерігав синьо-зелене світло, яке випромінюють атоми водню, частота якого дорівнює 6*1014 Гц (600 млн МГц). У ході досліду він вимірював частоту світла, яке випромінювали атоми, що пролітали зі швидкістю 1800 км/с повз спектрограф. Виявилося, що частота світла, яке випромінюють атоми, що рухаються, була приблизно на 0,0018% менша за частоту світла від атомів, що перебувають у спокої. Образно кажучи, це означає, що якщо автомашина пройде повз світлофор у поперечному напрямку, рухаючись з дуже великою швидкістю, то для пасажира автомашини сигнал світла має ставати «червонішим». Проте необхідна для значної зміни кольору сигналу швидкість автомашини повинна бути фантастичною. Так, наприклад, щоб зелений колір світлофора здавався червоним, автомашина повинна пройти повз світлофор у поперечному напрямку зі швидкістю близько 200 000 км/с. Сам Айвс був противником теорії відносності. У статті, де він теоретично обґрунтував результати свого досліду, він жодного разу не посилається на теорію відносності. У статті Айве каже, однак, про світовий ефір як про середовище, в якому поширюється світло. Треба сказати, що за допомогою складних міркувань Айвсові справді вдалося пояснити результат свого досліду в рамках класичної фізики. Щоправда, йому довелося використати деякі штучні гіпотези, такі, як, наприклад, гіпотеза Лоренца про скорочення поздовжніх розмірів тіл, що рухаються.
Проте відразу після опублікування результатів досліду Айвса, фізики помітили, що цей дослід є чудовим підтвердженням теорії відносності.
Дослід Айвса безпосередньо показує сповільнення ходу часу в системі відліку, що рухається відносності спостерігача.
Простежимо подумки за атомами, що рухаються зі швидкістю 1800 км/с повз спектрограф. З теорії відносності випливає, що для спостерігача, який перебуває біля спектрографа, час на рухомих атомах плинутиме повільніше, ніж на нерухомих. Усі процеси, в тому числі й випромінювання світлових коливань, на рухомих атомах повинні відбуватися повільніше. За той час, коли біля спектрографа мине одна секунда, рухомі атоми ще не встигнуть здійснити 6*10 14 коливань. Атоми, що проходять повз спектрограф, випромінюватимуть світло меншої частоти, ніж інші точно такі самі атоми, але нерухомі відносно спектрографа. Обчислення показують, що атоми, які рухаються зі швидкістю 1800 км/с, справді повинні випромінювати в напрямку, перпендикулярному до руху, світло, частота якого має бути на 0,0018% меншою за частоту світла, яке випромінює атом у спокої. Результати досліду Айвса виявилися в повній згоді з теорією відносності й дістали в цій теорії природне пояснення.
Примітка:
Звук, як і світло, є коливальним процесом, тому ефект Доплера має місце і для звуку. Якщо стояти біля залізниці й слухати гудок паровоза, що проходить повз нас, то можна помітити, що в той момент, коли паровоз минає нас, тон гудка стає нижчим. Частота гудка паровоза, що наближається, згідно з ефектом Доплера, має бути більшою, а частота гудка паровоза, що віддаляється, меншою, ніж частота гудка нерухомого паровоза. Коли паровоз проноситься повз нас, ми відзначаємо різке зниження тону гудка.
Рис. 36. Схема спектрографаСвітло — хвильове явище. На рис. 36 схематично зображено спектрограф, за допомогою якого світло розкладається на різні складові частини, що мають різні частоти. Світловий промінь певної частоти йде на призначене йому місце, на фотопластинку, де він залишає свій слід. Проявивши пластинку й виміряв положення слідів від світлових променів, можемо встановити частоти досліджуваного світла. Зміні частоти світла відповідає переміщення його сліду на фотопластинці спектрографа.
Щоб краще з'ясувати одну з основних властивостей світла (і взагалі всіх періодичних процесів), наведемо простий приклад.
Нехай в автопробіг із Таллінна до Тарту кожні 10 хв вирушає автомашина. Якщо припустити, що швидкість машин весь час однакова, то контрольний пункт на межі Тарту відзначить протягом години прибуття шести машин. А скільки автомашин зареєструє за годину той, хто їде назустріч цим автомашинам, тобто в напрямку від Тарту до Таллінна? Очевидно, більше шести: він зустріне ті шість автомашин, які впродовж години прибувають до нерухомого контрольного пункту, і додатково ще автомашини, які прибудуть до Тарту вже в наступні години. Рухаючись назустріч потоку машин, спостерігач зареєструє протягом години більше автомашин, ніж спостерігач, що перебуває в спокої. Міркуючи аналогічно, дійдемо висновку, що, рухаючись повільно в напрямку руху потоку автомашин, спостерігач протягом години зареєструє менше автомашин, ніж нерухомий спостерігач.
Світловий промінь є періодичним процесом і має властивості, аналогічні властивостям неперервного потоку автомашин: спостерігач, що рухається назустріч світловому променю, зареєструє протягом секунди більше світлових коливань, ніж спостерігач у спокої, тобто частота світла підвищується. Це явище називається ефектом Доплера. Власне кажучи, тут не істотно, хто рухається — спостерігач чи джерело світла, істотний лише їхній відносний рух.
Нехай спочатку джерело світла і спостерігач нерухомі один відносно одного й спостерігач визначає частоту світла. Припустімо, що він виявив, що частота світла дорівнює v. Нехай тепер спостерігач почне рухатися до джерела світла (або джерело світла — до спостерігача). У цьому разі спостерігач виявить, що частота світла більша за v. У випадку, коли спостерігач і джерело світла віддаляються один від одного, спостерігач виявить, що частота світла менша за v. Збільшення (або зменшення) частоти світла при цьому залежатиме від швидкості відносного руху джерела світла й спостерігача. У цьому сенс ефекту Доплера. Ефект Доплера використовується для визначення швидкості руху віддалених джерел світла: чим більша зміна частоти світла, тим більша швидкість руху джерела світла відносно спостерігача. Цим методом, наприклад, визначається швидкість, з якою наближаються до нашої Сонячної системи чи віддаляються від неї зорі та зоряні системи. Про ефект Доплера відомий цікавий анекдот.
Якось знаменитий фізик Роберт Вуд, керуючи автомашиною, по неуважності не помітив червоного сигналу світлофора. Намагаючись виправдатися перед регулювальником руху, він пояснив, що під час руху до світлофора, завдяки ефекту Доплера, червоне світло здалося йому зеленим. Але й регулювальник виявив кмітливість. Він швидко підрахував, що для того, щоб червоне світло здалося зеленим, машина повинна наближатися до світлофора зі швидкістю близько 60 000 км/с, і оштрафував фізика за перевищення дозволеної швидкості.
Розглянемо таке запитання: чи міг би водій автомашини помітити зміну кольору світлофора в тому разі, якби він їхав у поперечному напрямку? На це запитання класична фізика дає цілком певну заперечну відповідь, оскільки частота світла, випроміненого перпендикулярно до напрямку руху, не повинна змінюватися. Як же в дійсності стоїть справа? Саме для розв'язання цього питання Айвс поставив свій знаменитий дослід.
Айвс спостерігав синьо-зелене світло, яке випромінюють атоми водню, частота якого дорівнює 6*1014 Гц (600 млн МГц). У ході досліду він вимірював частоту світла, яке випромінювали атоми, що пролітали зі швидкістю 1800 км/с повз спектрограф. Виявилося, що частота світла, яке випромінюють атоми, що рухаються, була приблизно на 0,0018% менша за частоту світла від атомів, що перебувають у спокої. Образно кажучи, це означає, що якщо автомашина пройде повз світлофор у поперечному напрямку, рухаючись з дуже великою швидкістю, то для пасажира автомашини сигнал світла має ставати «червонішим». Проте необхідна для значної зміни кольору сигналу швидкість автомашини повинна бути фантастичною. Так, наприклад, щоб зелений колір світлофора здавався червоним, автомашина повинна пройти повз світлофор у поперечному напрямку зі швидкістю близько 200 000 км/с. Сам Айвс був противником теорії відносності. У статті, де він теоретично обґрунтував результати свого досліду, він жодного разу не посилається на теорію відносності. У статті Айве каже, однак, про світовий ефір як про середовище, в якому поширюється світло. Треба сказати, що за допомогою складних міркувань Айвсові справді вдалося пояснити результат свого досліду в рамках класичної фізики. Щоправда, йому довелося використати деякі штучні гіпотези, такі, як, наприклад, гіпотеза Лоренца про скорочення поздовжніх розмірів тіл, що рухаються.
Проте відразу після опублікування результатів досліду Айвса, фізики помітили, що цей дослід є чудовим підтвердженням теорії відносності.
Дослід Айвса безпосередньо показує сповільнення ходу часу в системі відліку, що рухається відносності спостерігача.
Простежимо подумки за атомами, що рухаються зі швидкістю 1800 км/с повз спектрограф. З теорії відносності випливає, що для спостерігача, який перебуває біля спектрографа, час на рухомих атомах плинутиме повільніше, ніж на нерухомих. Усі процеси, в тому числі й випромінювання світлових коливань, на рухомих атомах повинні відбуватися повільніше. За той час, коли біля спектрографа мине одна секунда, рухомі атоми ще не встигнуть здійснити 6*10 14 коливань. Атоми, що проходять повз спектрограф, випромінюватимуть світло меншої частоти, ніж інші точно такі самі атоми, але нерухомі відносно спектрографа. Обчислення показують, що атоми, які рухаються зі швидкістю 1800 км/с, справді повинні випромінювати в напрямку, перпендикулярному до руху, світло, частота якого має бути на 0,0018% меншою за частоту світла, яке випромінює атом у спокої. Результати досліду Айвса виявилися в повній згоді з теорією відносності й дістали в цій теорії природне пояснення.
Примітка:
Звук, як і світло, є коливальним процесом, тому ефект Доплера має місце і для звуку. Якщо стояти біля залізниці й слухати гудок паровоза, що проходить повз нас, то можна помітити, що в той момент, коли паровоз минає нас, тон гудка стає нижчим. Частота гудка паровоза, що наближається, згідно з ефектом Доплера, має бути більшою, а частота гудка паровоза, що віддаляється, меншою, ніж частота гудка нерухомого паровоза. Коли паровоз проноситься повз нас, ми відзначаємо різке зниження тону гудка.