Значительная часть следствий теорий относительности носит характер научного предвидения и оказалась доступной для подтверждения в наблюдениях или экспериментах.
Так, блестяще подтвердилось (по мнению сторонников релятивистской физики), что луч света в сильном гравитационном поле должен изменить траекторию — искривиться. И действительно, 19 мая 1919 г. во время солнечного затмения знаменитый английский астрофизик Артур Эддингтон зафиксировал отклонение луча света от далекой звезды в поле тяготения Солнца.[6]
Начиная с 60-х годов, теория относительности получает все новые и новые экспериментальные и наблюдательные подтверждения. Вот несколько примеров в популярном изложении известного астрофизика проф. И. Новикова. «В 1968 г. американский физик И. Шапиро измерил замедление времени у поверхности Солнца… Он проводил радиолокацию Меркурия, когда тот, двигаясь вокруг Солнца, находился от него с противоположной стороны по отношению к Земле. Радиолокационный луч проходил вблизи поверхности Солнца, и из-за замедления времени ему требовалось чуть больше (времени) на прохождение туда и обратно, чем на покрытие такого же расстояния, когда Меркурий находился вдали от Солнца. Эта задержка (около одной десятитысячной доли секунды) действительно была зафиксирована и измерена» {14}.
Особенно интересно, что замедление течения времени в поле тяготения было измерено непосредственно в лабораторных условиях на Земле. Это сделали в 1960 г. американские физики Р. Паунди Г. Ребка (Гарвардский университет). Они сравнивали ход времени у основания башни и на ее вершине — на высоте 22,6 метра, где ход времени должен быть чуть быстрее. Роль часов играли при этом очень точные приборы, использующие явление излучения в некоторых условиях гамма-лучей строго определенной частоты. Разность хода часов по предсказаниям теории составляла фантастически малую величину — три десятитысячных от миллиардной доли процента. И эта разница была зафиксирована[7] {14}.
В 1977 г. интереснейший эксперимент провели физики из Мэрилендского университета (США). Чрезвычайно точные атомные часы были установлены на самолете, который дважды летал по четырнадцать часов на высоте примерно десять километров. При этом другие атомные часы оставались на Земле. Лазерные сигналы посылались с Земли к отражателям на самолете и возвращались на Землю. Путь летевшего самолета строго контролировался. Установлено, что после каждого из полетов часы, находившиеся в самолете, уходили вперед на 47 миллиардных долей секунды[8] {14}.
Замечательно, что современная техника позволяет заметить такое расхождение в темпах времени двоих часов, синхронизированных в начале эксперимента. Но ученые установили, что если исходить только из эффекта ускорения времени за счет разницы в расстоянии между центром Земли и центрами тяжести часов на Земле и в самолете, то часы в самолете должны были бы уходить вперед на 52 наносекунды. Куда же исчезли 5 миллиардных долей секунды? Оказывается, часы, установленные в самолете, «заметили» — учли замедление времени за счет скорости самолета относительно Земли.
В экспериментах (неоднократно) было доказано, что Эйнштейн был прав, предполагая, что элементарные частицы, будучи разогнанными в ускорителе до околосветовой скорости, должны замедлить темп своего времени.
В эксперименте, проведенном в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), на мощном ускорителе разгонялись частицы, называемые «мюонами». Частицы эти крайне нестабильны. В состоянии «покоя», т. е. при малых скоростях, продолжительность их жизни — почти мгновение. Всего через две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В эксперименте, разумеется, определялось не время жизни отдельных частиц, а период полураспада определенного количества частиц (потом рассчитывалось среднее время жизни условной частицы). Так вот, оказалось, что при околосветовых скоростях движения частиц время их полураспада, а значит, и продолжительность их жизни резко возрастает. Темп времени для них оказывается замедленным. В ЦЕРН мюоны «удалось разогнать до скорости, столь близкой к скорости света, что их масштаб времени растянулся в 24 раза» {15}.
Конечно, приведенными примерами не ограничиваются свидетельства, подтверждающие справедливость теории относительности.
И все-таки, все-таки… Почему растет число научных работ, в которых предпринимаются попытки ее ниспровержения? Неужели все дело только в непонимании эйнштейновских глубин? Почему все чаще звучат голоса тех, кто ощущает ситуацию в теоретической физике как кризисную?
Современная физика, следуя учению Эйнштейна, утверждает, что скорость света в вакууме является предельной, что в мире вообще не может быть никаких сигналов, никаких взаимодействий, которые бы осуществлялись со скоростью, превышающей скорость света. Этот постулат вызывает наибольшее сомнение у критиков теории относительности.
Все началось этак лет 150 тому назад. В XIX веке все физики знали, что Вселенная заполнена эфиром. Что такое эфир? Одно из представлений: это среда (тончайшее вещество) с определенными свойствами, в которой существуют все тела Вселенной.
Ученых давно занимал вопрос, подчиняется ли распространение света в эфире правилу сложения скоростей. Чтобы пояс — нить это правило, часто приводят пример с поездом, движущимся мимо станции, на платформе которой стоит наблюдатель. Предположим, что наблюдатель стоит на месте в точке А, а поезд, продолжая путь, приходит в пункт Б. Скорость, с которой он двигался относительно неподвижного наблюдателя, равна частному отделения расстояния от наблюдателя до пункта Б на время, которое понадобилось поезду, чтобы пройти этот путь. Если же наблюдатель, как только его минует поезд, побежит за ним вслед, то теперь скорость поезда относительно наблюдателя будет меньше, так как уменьшилось расстояние межу точками А и Б (наблюдатель ведь бежал вслед за поездом). И наоборот, если стоящий в точке А наблюдатель в момент, когда мимо него пройдет последний вагон, побежит не за поездом, а в противоположную сторону, то скорость поезда относительно наблюдателя будет увеличена. Закон сложения скоростей распространяется и на все другие явления природы, например на звуковые волны.
В 1851 г. уникальный опыт осуществил известный французский физик Физо. Принципиально идея опыта заключалась в следующем. Свет выходил из одного источника (одной точки), разделялся на два луча и каждый луч направлялся в трубы, по которым под давлением двигалась вода. При этом один луч распространялся по ходу течения воды; второй — против. Пройдя трубы, оба луча сходились в одну точку и вместе приходили к наблюдателю. Расстояния, проходимые лучами, были совершенно одинаковыми. Предполагалось, что луч света, который распространялся по ходу течения воды, будет иметь несколько увеличенную скорость, а луч, распространяющийся против течения воды, наоборот — скорость уменьшенную. А так как световой луч — это волна, то ожидалось, что, придя к наблюдателю, эти лучи будут смещены по фазе, т. е. впадины и гребни одной волны сместятся относительно гребней и впадин другой и, таким образом, будет наблюдаться чередование светлых и темных полос (интерференция).
Физо полагал, что по смещению фаз лучей света удастся подтвердить общее правило сложения скоростей… Увы, результаты опыта оказались ошеломляюще отрицательными. Вывод противоречил законам классической механики. Свет не подчиняется правилу сложения скоростей. Впоследствии и сам Физо, и другие многократно повторяли опыт (в том числе и при движении света в газовой среде), но результат оставался неизменным. Сомнения в его достоверности отпали. Был сделан вывод о том, что при скоростях, сопоставимых со скоростью света, законы ньютоновской физики не срабатывают. Такой вывод не мог оставить физиков равнодушными — рушились представления о применимости законов физики ко всем явлениям, ставилась под сомнение их универсальность.
Стали искать причины, которые бы объяснили результаты опытов, но так, чтобы при этом не разрушались основы физики. И, конечно, объяснение нашлось. «Была принята гипотеза существования неподвижного мирового эфира, согласно которой все тела Вселенной движутся в неподвижном эфире». Физики рассуждали так: «…расстояние между молекулами воды примерно в десять тысяч раз (а между молекулами газа — в сто тысяч раз) больше, чем размеры самих молекул». Атак как все во Вселенной заполнено эфиром, то эфир заполнял и расстояния между молекулами воды в опытах Физо. Получалось, таким образом, что лучи света распространялись в неподвижном эфире, а, следовательно, и не с чем было складывать скорость света. Объяснение было найдено, и, казалось, физики могут спать спокойно. Однако в науке покоя не может быть в принципе. Возник вопрос: если мировой эфир неподвижен и это как бы неподвижная система отсчета, то нельзя ли определить скорость движения Земли относительно неподвижного эфира?
