Продолжаю рассказывать про то, что я вычитал в «Краткой истории времени» Стивена Хокинга. Это третья часть рассказа.

Скорость света

В 1676 году Оле Христенсен Рёмер наблюдал за Юпитером и его спутниками. Оказалось, что спутники Юпитера проходят за его диском один за другим не через равные интервалы времени, как должно быть, если спутники вращаются вокруг Юпитера с постоянной скоростью. При вращении Земли и Юпитера вокруг Солнца расстояние между Землёй и Юпитером может сильно отличаться. Рёмер заметил, что затмения лун Юпитера тем больше запаздывают, чем дальше мы от него находимся. Он объяснил это тем, что свет от спутников идёт до нас дольше, когда мы находимся дальше. Так стало известно, что скорость света конечна. Рёмер даже вычислил эту скорость и ошибся всего на 25% от истинной скорости, которая составляет 299 792 458 м/с.

Природа света

В 1865 году Максвелл объединил теории, с помощью которых описывали электрические и магнитные силы и обнаружил, что в электромагнитном поле могут возникать волноподобные возмущения, которые распространяются с постоянной скоростью, как волны на поверхности пруда. Если длина волны (т. е. расстояние между гребнями двух соседних волн) составляет метр или больше, то мы имеем дело с радиоволнами. Более короткие волны с длинами порядка сантиметра называются волнами сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ-диапазон). Ещё короче — волны инфракрасного диапазона (до десяти тысячных сантиметра). Волны с длиной 40-80 миллионных долей сантиметра мы воспринимаем как видимый свет. Ещё короче волны ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений.

Скорость света относительно чего?

Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью. Но поскольку теория Ньютона покончила с представлением об абсолютном пространстве, надо было понять, относительно чего измерять скорость волн. Решили измерять относительно некоего «эфира», которым наполнено даже пустое пространство. Типа, световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые в воздухе. Тогда получалось, что наблюдатели с разными скоростями относительно эфира должны видеть, что свет идёт к ним с разной скоростью, но скорость волн света относительно эфира чтобы при этом оставалась неизменной.

В 1887 году Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили очень точный эксперимент. Они измерили скорость света по направлению движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярно её движению. Так как Земля движется относительно Солнца со скоростью порядка 30 км/с, то и скорость света должна была отличаться на 30 км/с. Но она не отличалась. Вообще. Чёрт.

Если скорость света для всех одинакова, то что отличается?

С 1887 по 1905 году результат эксперимента пробовали объяснить тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а все часы замедляют свой ход, но получалось не очень. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой показал, что никакого эфира не нужно, если отказаться от абсолютного времени. Пример:

Посылаем световой импульс из точки А в точку Б, измеряем расстрояние, время и скорость света.

По теории Ньютона (и «здравому смыслу») разные движущиеся друг относительно друга наблюдатели должны согласиться, что время прохождения световым испульсом пути из А в Б в их измерениях одинаково (поскольку время «абсолютно»), а вот путь и скорость могут отличаться (поскольку пространство не является абсолютным, а скорость = путь / время).

Но по теории относительности скорость света абсолютна и одинакова в измерениях всех наблюдателей (это установлено в эксперименте), а путь и время в пути могут различаться.

Получается, что у каждого наблюдателя свой масштаб времени. Мы даже можем рассчитать, сколько времени пройдёт для другого наблюдателя, если знаем его положение в пространстве и скорость относительно нас.

Парадокс близнецов

Если взять пару близнецов, одного из них оставить на Земле, а второго отправить в космическое путешествие со скоростью, близкой к скорости света, то по возвращении он оказался бы значительно моложе своего брата. Это «парадокс близнецов», но он парадокс лишь для того, кто в глубине души верит в абсолютное время. А эксперименты показывают, что единого абсолютного времени нет. Каждый человек имеет свой собственный масштаб времени, зависящий от того, где этот человек находится и как он движется.

Пока мы торчим на Земле, заметить разницу почти невозможно. Но всё равно удивительно!

Фотка с телефона по запросу «близнецы»

Все части серии

1. Эволюция представлений об устройстве Вселенной
2. Неабсолютное пространство
3. Неабсолютное время
4. Взаимодействие света и гравитации
5. Предельная скорость перемещения в пространстве
6. Большой взрыв, большое схлопывание и тепловая смерть
7. Жизненный цикл звёзд и чёрные дыры
8. Квантовая физика и вероятностный мир

Где купить книгу

— Бумажную — на Озоне, я читал её,
— электронную — на Литресе,
— аудиоверсии пока нет.

Как получать свежие посты

— Электронная почта и РСС — туда попадают только посты в блог,
— телеграм-канал, фейсбук и твиттер — туда попадают заинтересовавшие меня ссылки с короткими комментариями,
— инстаграм — туда иногда выкладываю фотки.