Переходимо до розгляду найпростіших наслідків, що випливають із постулатів теорії відносності. Почнемо з розгляду такого, як кажуть, уявного експерименту.
Нехай прямою колією з постійною швидкістю v рухається довгий потяг (рис. 5). Нехай у деякий
момент часу t0 точно в середині потяга спалахує лампочка. Через деякий час її промені досягнуть кінців потяга.
Нехай прямою колією з постійною швидкістю v рухається довгий потяг (рис. 5). Нехай у деякий
момент часу t0 точно в середині потяга спалахує лампочка. Через деякий час її промені досягнуть кінців потяга.
Зображення
З погляду спостерігача, що їде в самому потязі, світло дійде до обох його кінців одночасно. Адже швидкість світла в усі боки однакова, а шляхи світла вперед і назад однакові.
Для нерухомого спостерігача світло також іде в усі боки з однаковою швидкістю. Але потяг рухається. Тому світло, що йде вперед, за ходом потяга, змушене його наздоганяти, тоді як протилежний промінь летить назустріч потягу. Очевидно, що світло дійде до заднього кінця швидше, ніж до переднього.
Таким є перший висновок із постулату сталості швидкості світла. Чи не означає він, що ми прийшли до суперечності й що, отже, вся теорія відносності збудована на піску? Анітрохи. Жодної логічної суперечності ми не отримали. Наш висновок означає лише, що поняття одночасності — поняття відносне. Одні й ті самі події можуть бути одночасними для одного спостерігача й неодночасними — для іншого.
Цей результат справляє таке дивне враження, що багато хто відмовляється його прийняти, намагаючись відшукати якийсь підступ у нехитрій механіці розібраного уявного експерименту. Але річ тут, звісно, не в конкретному способі побудови експерименту. Той самий висновок можна отримати безліччю інших способів. Він є прямим логічним наслідком прийнятих постулатів і тому має загальний характер. Конкретні уявні експерименти, до яких ми й надалі часто звертатимемося, є просто зручним і наочним способом доведення тих чи інших фізичних фактів, і не слід, звісно, думати, що відносність одночасності поширюється лише на події, які відбуваються в потязі, а не, наприклад, на Місяці.
Спробуймо тепер виразити різницю в моментах настання наших «одночасних» подій точною математичною мовою. Умовимося насамперед раз і назавжди позначати швидкість світла (у вакуумі) через с. Стаймо на «нерухому» точку зору. Нехай t1— момент часу, коли світло приходить у задній кінець потяга. Протягом проміжку часу t1—t0 кінець потяга пройде, очевидно, відстань v(t1—t0), а світло—-відстань c(t1—t0). Легко бачити, що сума цих відстаней дорівнює половині довжини потяга (рис. 6).
Позначивши довжину потяга через a, приходимо до рівняння
Аналогічно можна підрахувати проміжок часу, протягом якого світло рухається до переднього кінця
Для нерухомого спостерігача світло також іде в усі боки з однаковою швидкістю. Але потяг рухається. Тому світло, що йде вперед, за ходом потяга, змушене його наздоганяти, тоді як протилежний промінь летить назустріч потягу. Очевидно, що світло дійде до заднього кінця швидше, ніж до переднього.
Таким є перший висновок із постулату сталості швидкості світла. Чи не означає він, що ми прийшли до суперечності й що, отже, вся теорія відносності збудована на піску? Анітрохи. Жодної логічної суперечності ми не отримали. Наш висновок означає лише, що поняття одночасності — поняття відносне. Одні й ті самі події можуть бути одночасними для одного спостерігача й неодночасними — для іншого.
Цей результат справляє таке дивне враження, що багато хто відмовляється його прийняти, намагаючись відшукати якийсь підступ у нехитрій механіці розібраного уявного експерименту. Але річ тут, звісно, не в конкретному способі побудови експерименту. Той самий висновок можна отримати безліччю інших способів. Він є прямим логічним наслідком прийнятих постулатів і тому має загальний характер. Конкретні уявні експерименти, до яких ми й надалі часто звертатимемося, є просто зручним і наочним способом доведення тих чи інших фізичних фактів, і не слід, звісно, думати, що відносність одночасності поширюється лише на події, які відбуваються в потязі, а не, наприклад, на Місяці.
Спробуймо тепер виразити різницю в моментах настання наших «одночасних» подій точною математичною мовою. Умовимося насамперед раз і назавжди позначати швидкість світла (у вакуумі) через с. Стаймо на «нерухому» точку зору. Нехай t1— момент часу, коли світло приходить у задній кінець потяга. Протягом проміжку часу t1—t0 кінець потяга пройде, очевидно, відстань v(t1—t0), а світло—-відстань c(t1—t0). Легко бачити, що сума цих відстаней дорівнює половині довжини потяга (рис. 6).
Позначивши довжину потяга через a, приходимо до рівняння
Аналогічно можна підрахувати проміжок часу, протягом якого світло рухається до переднього кінця
Зображення
Зображення
(рис. 7). Позначивши відповідний момент часу через t2 , отримаємо
c(t2 - t0) - v(t2 - t0) = a/2,
c(t2 - t0) - v(t2 - t0) = a/2,
Зображення
Розглядаючи цю формулу, помічаємо насамперед, що різниця моментів t2 і t1 відмінна від нуля лише тоді, коли відмінна від нуля величина a, тобто коли події відбуваються в різних місцях. Іншими словами, якщо дві події відбуваються одночасно в одному й тому самому місці, то вони залишаються одночасними для будь-якого спостерігача, як би він не рухався. Далі, якщо відстань a між подіями не дуже велика, а швидкість v порівняно зі швидкістю світла мала, то й проміжок часу t2—t1 буде вкрай малий, бо в чисельнику стоятиме мала величина v/c, а знаменник дуже близький до одиниці. Щоб скласти собі уявлення про цю малість, розглянемо такий, нині не такий уже й фантастичний приклад.
Уявімо собі, що над нашими головами проноситься ракета завдовжки 300 м зі швидкістю 10 000 км/год. Нехай на обох кінцях ракети одночасно (для пілота) спалахують лампочки. Для нас, нерухомих спостерігачів, задня лампочка спалахне раніше за передню. Обчислімо цей проміжок часу. Маємо
Уявімо собі, що над нашими головами проноситься ракета завдовжки 300 м зі швидкістю 10 000 км/год. Нехай на обох кінцях ракети одночасно (для пілота) спалахують лампочки. Для нас, нерухомих спостерігачів, задня лампочка спалахне раніше за передню. Обчислімо цей проміжок часу. Маємо
Зображення
Одразу видно, що величина v2/c2 настільки мала порівняно з одиницею, що в знаменнику нашої формули нею спокійно можна знехтувати. Далі обчислюємо
Зображення
Не дивно, що ми ніколи не помічаємо такої різниці — навіть найточніші з приладів, якими володіє сучасна наука, не здатні реєструвати такі малі проміжки часу. Читач легко підрахує, що світло пройде за цей час приблизно 3 мм. Якби ми навіть і спробували здійснити такий експеримент і виявили якусь різницю в моментах настання подій, то цей факт не мав би жодного стосунку до теорії відносності, а свідчив би лише про якусь неузгодженість у роботі приладів і недостатню точність вимірювань. В усіх «звичайних» випадках ми спокійно можемо вважати цю різницю рівною нулю.
Спробуймо тепер дещо видозмінити наш дослід. Посунемо лампочку трохи вперед, але так, щоб з погляду нерухомого спостерігача світло, як і раніше, доходило спочатку до заднього кінця потяга. Якщо довжина й швидкість потяга відповідають довжині та швидкості ракети, яку ми щойно розглянули як приклад, то лампочку досить посунути всього на 1 мм. Але тепер, очевидно, для спостерігача, що їде в потязі, світло від лампочки, яка спалахнула, приходить спочатку в передній кінець потяга, а потім — у задній.
Існують, отже, події, що допускають обернення в часі — якщо для одного спостерігача подія A відбувається раніше за подію B, то для іншого спостерігача, навпаки, подія B настає раніше за подію A. Ось тут, справді, лише один крок до справжньої, та ще й непереборної суперечності.
Ми дійдемо до неї, якщо припустимо, що одна з цих подій є причиною іншої.
Припустимо, що в нашому потязі влаштовано сигналізацію, за допомогою якої людина, яка сидить у голові потяга, натисканням кнопки може запалити лампочку, встановлену в хвості потяга. Нехай ця сигналізація відрегульована таким чином, що якщо кнопку натиснуто точно в той момент, коли світло від нашої першої лампочки приходить у передній кінець потяга, то задня лампочка спалахує саме тоді, коли світло дійде до цього кінця. Це, очевидно, можливо, бо з погляду пасажира потяга спочатку буде натиснуто кнопку, а потім спалахне лампочка.
Але для нерухомого спостерігача справа ж навпаки! Спочатку спалахне лампочка, а потім буде натиснуто кнопку. Що ж буде, якщо за цей проміжок часу наша сигналізація з якоїсь причини буде зіпсована?
Жодне явище не може відбутися раніше за свою причину. Цей закон не допускає жодних винятків; якщо якась теорія вступає з ним у суперечність, то для неї це є смертним вироком.
Але як же бути тоді з теорією відносності? Адже вона нібито приводить саме до такого результату!
Річ у тім, що обернення в часі допускає далеко не кожна пара подій. Можна, виявляється, цілком строго довести, що для цього необхідно, щоб було виконано таку умову: відношення відстані між точками, де відбуваються ці події, до проміжку часу між моментами їх настання має бути обов'язково більшим за c, тобто за швидкість світла. У нашому прикладі з ракетою ця умова виконана — читач легко підрахує, що це відношення перевищує швидкість світла приблизно в 100 000 разів. Отже, якщо ми захочемо спрямувати якийсь сигнал із точки першої події в точку другої, то він має поширюватися обов'язково швидше за світло. Таких сигналів фізика не знає; теорія відносності на підставі щойно наведених міркувань робить висновок, що вони взагалі неможливі). Таким чином, із того, що швидкість світла абсолютна, випливає, що вона є максимальною швидкістю для будь-яких сигналів. Зокрема, жодне матеріальне тіло не може рухатися швидше за світло; ми незабаром переконаємося, що воно не може навіть досягти швидкості світла.
Цей принцип максимальності швидкості світла, тісно пов'язаний, як бачимо, з відносним характером одночасності подій, має для всієї фізики глибоке принципове значення. У класичній ньютонівській механіці було поширене уявлення про миттєві дії одних тіл на інші. Типовим прикладом є закон всесвітнього тяжіння: сила, з якою одне тіло притягується до іншого, залежить лише від мас обох тіл і відстані між ними. При цьому беруться маси й положення тіл в один і той самий момент часу, так що будь-яка зміна, яка відбулася з одним тілом, позначається на іншому тілі миттєво. Таким чином, одне тіло діє на інше безпосередньо, оминаючи будь-яке проміжне середовище, діє крізь порожнечу. Такий вплив дістав назву далекодії.
Принцип далекодії мав як прихильників, так і противників; однак суперечки тут мали суто умоглядний характер, оскільки бракувало досить переконливих дослідних фактів.
Перший серйозний удар по принципу далекодії було завдано електродинамікою Максвелла. Виявилося, що всі взаємодії електромагнітного характеру передаються не миттєво, а з певною швидкістю, що дорівнює швидкості світла. Закон Кулона, такий схожий зовні на закон тяжіння Ньютона, виявився справедливим лише для нерухомих зарядів; для зарядів, що рухаються, у нього виявилося необхідним внести поправку на скінченну швидкість поширення «електричної сили». Уявімо собі два електричні заряди. Поки вони нерухомі, вони взаємодіють, тобто притягуються або відштовхуються, з певною силою, що залежить від величини обох зарядів і відстані між ними; ця сила напрямлена вздовж прямої, яка сполучає ці заряди між собою. Нехай тепер один із зарядів раптом почав рухатися. Згідно з класичними поглядами, сила, що діє на інший заряд, мала б у той самий момент почати змінюватися (за величиною або напрямком). Насправді ж ця зміна настане не миттєво, а через деякий час, коли до іншого заряду дійде відповідний сигнал, з якого цей заряд «довідається» про зміни, що відбулися з першим зарядом.
Але якщо так, то ні про яку далекодію не може бути й мови. Тіла діють одне на одне не безпосередньо, а через якесь проміжне середовище, що заповнює простір між ними. Заряд, що рухається, викликає зміни в безпосередньо прилеглих до нього частинах цього середовища; ці зміни поширюються на всі боки, «докочуються» до іншого тіла й діють на нього. Справа обстоїть точно так само, як і з поширенням звуку: розмовляючи, ми приводимо в рух найближчі до нас частинки повітря, цей рух передається далі, доходить до нашого співрозмовника і лише тоді діє на його барабанні перетинки. Спочатку цю аналогію розуміли буквально; її продуктом і був ефір. Проте теорія ефіру виявилася нездатною дати задовільне пояснення всім електромагнітним явищам. Причиною цього було те, що ефір наділяли суто механічними властивостями, подібними до властивостей рідин або пружних твердих тіл, електромагнітні ж явища намагалися пояснити якимись стисненнями й натягами в ефірі. Таким чином, електромагнітні явища намагалися звести до механічних. Поступово з'ясувалося, що такі спроби марні — жодна мислима «рідина» не здатна поводитися так, як мав поводитися ефір. Однак і відмовитися від ефіру було не можна — не було до чого віднести швидкість світла.
Теорія відносності, проголосивши абсолютний характер швидкості світла, не потребувала жодного ефіру. Дуже швидко ефір було вилучено з науки: він поступився місцем електромагнітному полю.
Слід зауважити, що уявлення про електричне й магнітне поля склалося у фізиці задовго до появи теорії відносності; картини «силових ліній» знайомі, звісно, всім читачам. Однак у той час поле розглядали лише як зручний допоміжний засіб для опису електричних і магнітних явищ; воно було суто формальним, математичним поняттям. Після ж відмови від теорії ефіру поле набуло самостійного значення; дуже скоро стало ясно, що поле є не що інше, як особлива форма матерії, яка існує поряд із речовиною.
Ще Максвелл указав, що світло має чинити деякий тиск на тіла. Видатний російський фізик Лебедєв блискучими, воістину віртуозними експериментами підтвердив цей висновок. Незабаром з'ясувалося, що світло, тобто електромагнітне поле, має не лише енергію, а й масу. Мало того, світло має й вагу, воно підлягає закону всесвітнього тяжіння. Нарешті, фізика найбезсумнівнішим чином установила, що за певних умов речовина й поле можуть перетворюватися одне на одне.
Безумовно, за своїми фізичними властивостями поле відрізняється від речовини, і його не слід уявляти собі у вигляді якоїсь розлитої в просторі рідини. Помилково було б думати також, що справа зводиться до зміни назв — раніше казали «ефір», а тепер кажуть «поле». Можна вказати, наприклад, на те, що поле не має швидкості. Можна говорити про швидкість поширення коливань, збурень поля, але не можна, не має сенсу говорити про швидкість самого поля). Поле не має частинок, за рухом яких можна було б простежити так, як ми можемо стежити за рухом окремих частинок поверхні води, що хвилюється.
Аналогічно обстоїть справа й із законом всесвітнього тяжіння. Колишні уявлення про миттєві взаємодії тіл поступилися місцем уявленню про поле тяжіння як фізичну реальність, що передає від одного тіла до іншого сили притягання. Виявилося, між іншим, що тяжіння поширюється зі швидкістю світла.
Таким чином, ідею далекодії було полишено. Замість неї утвердилася ідея близькодії, що допускає лише взаємодію частинок речовини з безпосередньо прилеглими до них ділянками поля або взаємодію частинок при їх зіткненні. Але разом із тим втратило колишній абсолютний зміст і поняття одночасності віддалених подій. Справді, припустімо, на небі спалахнули дві нові зорі. Припустімо, що астрономи зафіксували моменти цих спалахів, а потім, тим чи іншим способом виміривши відстані до нових зір і врахувавши швидкість світла, виявили, що ці спалахи відбулися одночасно. Сам по собі цей факт об'єктивний, від нього нікуди не дінешся. Але, питається, яке діло самим зорям до цього? Адже минуть сотні й тисячі років, перш ніж факт спалаху однієї зорі якоюсь мірою зможе вплинути на іншу. Та обставина, що земні астрономи опинилися змушеними віднести обидва спалахи до одного й того самого моменту часу, не має жодного стосунку до характеру взаємодії самих зір. Марсіяни могли б дійти висновку, що ці дві події відбулися неодночасно; це — друга «точка зору», рівноправна з першою. Оскільки немає далекодії, не може бути й абсолютної одночасності, так само як немає, наприклад, абсолютного спокою.
Зазначимо ще, що з принципу максимальності швидкості світла негайно випливає, що в природі не існує абсолютно твердих тіл. Справді, якби в нашому розпорядженні опинився, наприклад, абсолютно твердий стрижень, то ми могли б за його допомогою здійснити миттєву передачу сигналу, вдаривши по одному з його кінців (рис. 8), тоді інший кінець мав би зсунутися в той самий момент, бо в противному разі стрижень на якийсь момент вкоротиться. Насправді, як добре знає читач, такого роду удари передаються вздовж стрижня пружними хвилями зі швидкістю звуку (у даній речовині). А швидкість звуку в будь-якому тілі завжди менша за швидкість світла.
Спробуймо тепер дещо видозмінити наш дослід. Посунемо лампочку трохи вперед, але так, щоб з погляду нерухомого спостерігача світло, як і раніше, доходило спочатку до заднього кінця потяга. Якщо довжина й швидкість потяга відповідають довжині та швидкості ракети, яку ми щойно розглянули як приклад, то лампочку досить посунути всього на 1 мм. Але тепер, очевидно, для спостерігача, що їде в потязі, світло від лампочки, яка спалахнула, приходить спочатку в передній кінець потяга, а потім — у задній.
Існують, отже, події, що допускають обернення в часі — якщо для одного спостерігача подія A відбувається раніше за подію B, то для іншого спостерігача, навпаки, подія B настає раніше за подію A. Ось тут, справді, лише один крок до справжньої, та ще й непереборної суперечності.
Ми дійдемо до неї, якщо припустимо, що одна з цих подій є причиною іншої.
Припустимо, що в нашому потязі влаштовано сигналізацію, за допомогою якої людина, яка сидить у голові потяга, натисканням кнопки може запалити лампочку, встановлену в хвості потяга. Нехай ця сигналізація відрегульована таким чином, що якщо кнопку натиснуто точно в той момент, коли світло від нашої першої лампочки приходить у передній кінець потяга, то задня лампочка спалахує саме тоді, коли світло дійде до цього кінця. Це, очевидно, можливо, бо з погляду пасажира потяга спочатку буде натиснуто кнопку, а потім спалахне лампочка.
Але для нерухомого спостерігача справа ж навпаки! Спочатку спалахне лампочка, а потім буде натиснуто кнопку. Що ж буде, якщо за цей проміжок часу наша сигналізація з якоїсь причини буде зіпсована?
Жодне явище не може відбутися раніше за свою причину. Цей закон не допускає жодних винятків; якщо якась теорія вступає з ним у суперечність, то для неї це є смертним вироком.
Але як же бути тоді з теорією відносності? Адже вона нібито приводить саме до такого результату!
Річ у тім, що обернення в часі допускає далеко не кожна пара подій. Можна, виявляється, цілком строго довести, що для цього необхідно, щоб було виконано таку умову: відношення відстані між точками, де відбуваються ці події, до проміжку часу між моментами їх настання має бути обов'язково більшим за c, тобто за швидкість світла. У нашому прикладі з ракетою ця умова виконана — читач легко підрахує, що це відношення перевищує швидкість світла приблизно в 100 000 разів. Отже, якщо ми захочемо спрямувати якийсь сигнал із точки першої події в точку другої, то він має поширюватися обов'язково швидше за світло. Таких сигналів фізика не знає; теорія відносності на підставі щойно наведених міркувань робить висновок, що вони взагалі неможливі). Таким чином, із того, що швидкість світла абсолютна, випливає, що вона є максимальною швидкістю для будь-яких сигналів. Зокрема, жодне матеріальне тіло не може рухатися швидше за світло; ми незабаром переконаємося, що воно не може навіть досягти швидкості світла.
Цей принцип максимальності швидкості світла, тісно пов'язаний, як бачимо, з відносним характером одночасності подій, має для всієї фізики глибоке принципове значення. У класичній ньютонівській механіці було поширене уявлення про миттєві дії одних тіл на інші. Типовим прикладом є закон всесвітнього тяжіння: сила, з якою одне тіло притягується до іншого, залежить лише від мас обох тіл і відстані між ними. При цьому беруться маси й положення тіл в один і той самий момент часу, так що будь-яка зміна, яка відбулася з одним тілом, позначається на іншому тілі миттєво. Таким чином, одне тіло діє на інше безпосередньо, оминаючи будь-яке проміжне середовище, діє крізь порожнечу. Такий вплив дістав назву далекодії.
Принцип далекодії мав як прихильників, так і противників; однак суперечки тут мали суто умоглядний характер, оскільки бракувало досить переконливих дослідних фактів.
Перший серйозний удар по принципу далекодії було завдано електродинамікою Максвелла. Виявилося, що всі взаємодії електромагнітного характеру передаються не миттєво, а з певною швидкістю, що дорівнює швидкості світла. Закон Кулона, такий схожий зовні на закон тяжіння Ньютона, виявився справедливим лише для нерухомих зарядів; для зарядів, що рухаються, у нього виявилося необхідним внести поправку на скінченну швидкість поширення «електричної сили». Уявімо собі два електричні заряди. Поки вони нерухомі, вони взаємодіють, тобто притягуються або відштовхуються, з певною силою, що залежить від величини обох зарядів і відстані між ними; ця сила напрямлена вздовж прямої, яка сполучає ці заряди між собою. Нехай тепер один із зарядів раптом почав рухатися. Згідно з класичними поглядами, сила, що діє на інший заряд, мала б у той самий момент почати змінюватися (за величиною або напрямком). Насправді ж ця зміна настане не миттєво, а через деякий час, коли до іншого заряду дійде відповідний сигнал, з якого цей заряд «довідається» про зміни, що відбулися з першим зарядом.
Але якщо так, то ні про яку далекодію не може бути й мови. Тіла діють одне на одне не безпосередньо, а через якесь проміжне середовище, що заповнює простір між ними. Заряд, що рухається, викликає зміни в безпосередньо прилеглих до нього частинах цього середовища; ці зміни поширюються на всі боки, «докочуються» до іншого тіла й діють на нього. Справа обстоїть точно так само, як і з поширенням звуку: розмовляючи, ми приводимо в рух найближчі до нас частинки повітря, цей рух передається далі, доходить до нашого співрозмовника і лише тоді діє на його барабанні перетинки. Спочатку цю аналогію розуміли буквально; її продуктом і був ефір. Проте теорія ефіру виявилася нездатною дати задовільне пояснення всім електромагнітним явищам. Причиною цього було те, що ефір наділяли суто механічними властивостями, подібними до властивостей рідин або пружних твердих тіл, електромагнітні ж явища намагалися пояснити якимись стисненнями й натягами в ефірі. Таким чином, електромагнітні явища намагалися звести до механічних. Поступово з'ясувалося, що такі спроби марні — жодна мислима «рідина» не здатна поводитися так, як мав поводитися ефір. Однак і відмовитися від ефіру було не можна — не було до чого віднести швидкість світла.
Теорія відносності, проголосивши абсолютний характер швидкості світла, не потребувала жодного ефіру. Дуже швидко ефір було вилучено з науки: він поступився місцем електромагнітному полю.
Слід зауважити, що уявлення про електричне й магнітне поля склалося у фізиці задовго до появи теорії відносності; картини «силових ліній» знайомі, звісно, всім читачам. Однак у той час поле розглядали лише як зручний допоміжний засіб для опису електричних і магнітних явищ; воно було суто формальним, математичним поняттям. Після ж відмови від теорії ефіру поле набуло самостійного значення; дуже скоро стало ясно, що поле є не що інше, як особлива форма матерії, яка існує поряд із речовиною.
Ще Максвелл указав, що світло має чинити деякий тиск на тіла. Видатний російський фізик Лебедєв блискучими, воістину віртуозними експериментами підтвердив цей висновок. Незабаром з'ясувалося, що світло, тобто електромагнітне поле, має не лише енергію, а й масу. Мало того, світло має й вагу, воно підлягає закону всесвітнього тяжіння. Нарешті, фізика найбезсумнівнішим чином установила, що за певних умов речовина й поле можуть перетворюватися одне на одне.
Безумовно, за своїми фізичними властивостями поле відрізняється від речовини, і його не слід уявляти собі у вигляді якоїсь розлитої в просторі рідини. Помилково було б думати також, що справа зводиться до зміни назв — раніше казали «ефір», а тепер кажуть «поле». Можна вказати, наприклад, на те, що поле не має швидкості. Можна говорити про швидкість поширення коливань, збурень поля, але не можна, не має сенсу говорити про швидкість самого поля). Поле не має частинок, за рухом яких можна було б простежити так, як ми можемо стежити за рухом окремих частинок поверхні води, що хвилюється.
Аналогічно обстоїть справа й із законом всесвітнього тяжіння. Колишні уявлення про миттєві взаємодії тіл поступилися місцем уявленню про поле тяжіння як фізичну реальність, що передає від одного тіла до іншого сили притягання. Виявилося, між іншим, що тяжіння поширюється зі швидкістю світла.
Таким чином, ідею далекодії було полишено. Замість неї утвердилася ідея близькодії, що допускає лише взаємодію частинок речовини з безпосередньо прилеглими до них ділянками поля або взаємодію частинок при їх зіткненні. Але разом із тим втратило колишній абсолютний зміст і поняття одночасності віддалених подій. Справді, припустімо, на небі спалахнули дві нові зорі. Припустімо, що астрономи зафіксували моменти цих спалахів, а потім, тим чи іншим способом виміривши відстані до нових зір і врахувавши швидкість світла, виявили, що ці спалахи відбулися одночасно. Сам по собі цей факт об'єктивний, від нього нікуди не дінешся. Але, питається, яке діло самим зорям до цього? Адже минуть сотні й тисячі років, перш ніж факт спалаху однієї зорі якоюсь мірою зможе вплинути на іншу. Та обставина, що земні астрономи опинилися змушеними віднести обидва спалахи до одного й того самого моменту часу, не має жодного стосунку до характеру взаємодії самих зір. Марсіяни могли б дійти висновку, що ці дві події відбулися неодночасно; це — друга «точка зору», рівноправна з першою. Оскільки немає далекодії, не може бути й абсолютної одночасності, так само як немає, наприклад, абсолютного спокою.
Зазначимо ще, що з принципу максимальності швидкості світла негайно випливає, що в природі не існує абсолютно твердих тіл. Справді, якби в нашому розпорядженні опинився, наприклад, абсолютно твердий стрижень, то ми могли б за його допомогою здійснити миттєву передачу сигналу, вдаривши по одному з його кінців (рис. 8), тоді інший кінець мав би зсунутися в той самий момент, бо в противному разі стрижень на якийсь момент вкоротиться. Насправді, як добре знає читач, такого роду удари передаються вздовж стрижня пружними хвилями зі швидкістю звуку (у даній речовині). А швидкість звуку в будь-якому тілі завжди менша за швидкість світла.
Зображення
Слід застерегти, що принцип максимальності швидкості світла поширюється лише на такі сигнали, які можуть бути засобом причинного зв'язку явищ. Уявімо собі, наприклад, прожектор, що обертається навколо вертикальної осі й випускає в горизонтальному напрямку вузький, різкий пучок світла. Якщо на достатньому віддаленні від цього пристрою поставити нерухомий екран, то по ньому ковзатиме світловий «зайчик», і то тим швидше, чим швидше обертається прожектор і чим далі поставлено екран. Таким чином можна, взагалі кажучи, домогтися будь-якої, як завгодно великої швидкості. Читач легко підрахує, наприклад, що якщо прожектор обертатиметься зі швидкістю 100 обертів за секунду, а екран перебуватиме на відстані 500 км, то «зайчик» ковзатиме вже з надсвітловою швидкістю.
Чи суперечить такий експеримент принципу максимальності швидкості світла? Анітрохи. «Зайчик» може рухатися з будь-якою швидкістю, але ж ясно, він не може бути використаний як засіб причинного зв'язку явищ, бо не може передавати інформацію від однієї точки екрана до іншої. Отже, надсвітлова швидкість «зайчика» не має відношення до закону причинності, і принцип максимальності швидкості світла на подібний рух не поширюється.
Цікаво, що в історії фізики траплялися випадки, коли застосування принципу максимальності швидкості світла за покладеними межами утруднювало пояснення деяких явищ. Цікавим прикладом є так зване «свічення Черенкова», суть якого полягає в тому, що при проникненні дуже жорстких гамма-променів усередину прозорих речовин (наприклад, води) у цій речовині виникає якесь свічення. Пояснити його відомими ефектами не вдавалося. Було відомо лише, що гамма-промені можуть вибивати з атомів речовини електрони, надаючи їм надзвичайно великих швидкостей, часто дуже близьких до швидкості світла (так званий ефект Комптона). Зрештою виявилося, що загадкове свічення спричиняють саме ці електрони; пролітаючи з колосальною швидкістю всередині речовини, вони породжують електромагнітні хвилі, подібно до того, як реактивний літак спричиняє повітряну хвилю, що розходиться від нього у вигляді конуса. Але літак може породити таку хвилю лише якщо він летить із надзвуковою швидкістю. Так само й електрон може спричинити електромагнітну хвилю, тобто світло, лише рухаючись швидше за це світло! Фізики, загіпнотизовані неможливістю надсвітлової швидкості, деякий час не могли розплутати цей клубок. Розв'язок виявився надзвичайно простим. Річ у тім, що світло поширюється всередині речовини зі швидкістю, меншою за c — швидкість світла у вакуумі. А всякому тілу заборонено рухатися лише швидше за c. Так і поводяться в розглядуваному випадку комптонівські електрони, рухаючись зі швидкістю, меншою за швидкість світла у вакуумі, вони, тим не менше, обганяють світло всередині речовини, створюючи описане свічення.
Чи суперечить такий експеримент принципу максимальності швидкості світла? Анітрохи. «Зайчик» може рухатися з будь-якою швидкістю, але ж ясно, він не може бути використаний як засіб причинного зв'язку явищ, бо не може передавати інформацію від однієї точки екрана до іншої. Отже, надсвітлова швидкість «зайчика» не має відношення до закону причинності, і принцип максимальності швидкості світла на подібний рух не поширюється.
Цікаво, що в історії фізики траплялися випадки, коли застосування принципу максимальності швидкості світла за покладеними межами утруднювало пояснення деяких явищ. Цікавим прикладом є так зване «свічення Черенкова», суть якого полягає в тому, що при проникненні дуже жорстких гамма-променів усередину прозорих речовин (наприклад, води) у цій речовині виникає якесь свічення. Пояснити його відомими ефектами не вдавалося. Було відомо лише, що гамма-промені можуть вибивати з атомів речовини електрони, надаючи їм надзвичайно великих швидкостей, часто дуже близьких до швидкості світла (так званий ефект Комптона). Зрештою виявилося, що загадкове свічення спричиняють саме ці електрони; пролітаючи з колосальною швидкістю всередині речовини, вони породжують електромагнітні хвилі, подібно до того, як реактивний літак спричиняє повітряну хвилю, що розходиться від нього у вигляді конуса. Але літак може породити таку хвилю лише якщо він летить із надзвуковою швидкістю. Так само й електрон може спричинити електромагнітну хвилю, тобто світло, лише рухаючись швидше за це світло! Фізики, загіпнотизовані неможливістю надсвітлової швидкості, деякий час не могли розплутати цей клубок. Розв'язок виявився надзвичайно простим. Річ у тім, що світло поширюється всередині речовини зі швидкістю, меншою за c — швидкість світла у вакуумі. А всякому тілу заборонено рухатися лише швидше за c. Так і поводяться в розглядуваному випадку комптонівські електрони, рухаючись зі швидкістю, меншою за швидкість світла у вакуумі, вони, тим не менше, обганяють світло всередині речовини, створюючи описане свічення.