Как физики относительность измеряли

Или как история науки может быть интересной.

На сегодняшний день теория относительности не вызывает сомнений ни у кого, кроме отдельных фриков, которые, впрочем, никаких внятных аргументов привести всё равно не могут. Однако по-прежнему остаётся нерешённой проблема стыковки ТО и квантмеха, а тогда, сто лет назад, она вызывала чудовищные срачи в научном сообществе, и участвовали в нём не какие-то там Пупкины, а сверхновые звёзды науки. 

Чтобы понять, почему так, следует вернуться аж во времена Ньютона, а лучше - Галилея.

С чего вообще началась научная революция? Считается, что начало ей положили публикации трудов Коперника и Везалия, но это скорее предпосылки. Причина же лежала в том, что учёные того времени отошли от прежних методов познания и вооружились новыми. Например, экспериментом. Если прежде считалось, что изучать мир желательно чистой логикой, а опыт обманчив, то теперь пришли Бэкон с Галилеем и принялись размазывать античных логиков по стенке. У мудрецов старой закалки началась бомбёжка по всем фронтам, но противопоставить эксперименту они ничего не могли.

И тут-то оно и попёрло. Внезапно оказалось, что можно элементарно проверить теорию практикой и идти дальше, наращивая мясо на этот скелет. Пришёл Кеплер и открыл законы небесной механики. Пришёл Ньютон и уделал всех своим монументальным трудом "Математические начала натуральной философии". Секрет крылся в том, что Ньютон совместил физику и математику, сделав возможным рассчитывать реальность и предсказывать её. Новые фундаментальные открытия сыпались как из рога изобилия.

Почему так вышло? Потому что на тот момент в области неизведанного многое легко поддавалось человеческому разуму. Оно было понятно на интуитивном уровне. Ну, в самом деле, не нужно быть великим мыслителем, чтобы осознать сущность второго закона Ньютона - проблема заключалась только в том, чтобы отвергнуть прежние представления и принять новые. Консерватизм-с. Однако по мере того, как физики распахивали это поле, начали появляться первые звоночки, и в первую очередь это касалось света. Ряд опытов, в том числе поставленные самим Ньютоном, открыли множество свойств электромагнитного излучения, и вот тут консенсуса у физиков не возникло.

С одной стороны, свет вёл себя как волна. Так как волны должны распространяться в какой-то среде, придумали светоносный эфир и вроде бы заткнули эту дыру. Однако стоило взглянуть с другой стороны, и оказывалось, что свет проявлял свойства и частиц, и эксперименты тоже прекрасно это подтверждали.

Да что ж это за хрень? - возопили физики и стали думать.

Гук считал свет волной. Ньютон склонялся к корпускулярной теории, хотя в целом следовал своему правилу "Гипотез не измышляю", а эксперименты, как уже было сказано, говорили в пользу обоих предположений. Мнения остальных тоже разделились, и никому и в голову прийти не могла идея корпускулярно-волнового дуализма - это банально выходило из ряда вон по сравнению со всем тем, что они уже придумали. Ну, вы, наверное, поняли - это не было понятно интуитивно, как раньше. Требовалось что-то новое.

Ковыряли эту тему долго - аж до XIX века, пока не пришёл Максвелл и не сформулировал основные уравнения электродинамики. Физики почесали в затылках, перепроверили их тысячу и один раз - всё сходится. Круто, с волновой частью разобрались. Но у нас ведь есть и три закона механики, определяющие поведение частиц. Как их сопоставить?

Тут-то и возникла гораздо более серьёзная проблема. Если свет - это таки поток частиц, то он должен подчиняться законам Ньютона. Иными словами, если рассмотреть движущуюся машину со включенными фарами, то скорость света от фар и скорость машины нужно складывать. Однако если принять во внимание волновую природу света, то возникали парадоксы: например, если двигаться за волной с её скоростью, то никакой волны вы не увидите. Любой сёрфингист подтвердит. Механика же Ньютона такого не допускала... и так по кругу. 

Тогда принялись разрабатывать теорию эфира, который на тот момент был чем-то вроде тёмной материи наоборот. Тёмная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением, а эфир, наоборот, взаимодействует только с ним. На вещество он не влияет никак. Правда, возникали другие проблемы, как это всё увязать, но тут возник свет в конце тоннеля - Альберт Майкельсон изобрёл интерферометр, с помощью которого можно было измерить длину волны света, а через смещение фаз волны установить изменения скорости света, если таковые возникнут. Рёмеру такое и не снилось. "Так используй же его!" - сказало научное сообщество. "Есть!" - ответил Майкельсон, скорешился с физиком-экспериментатором Эдвардом Морли и пошёл работать.

Суть интерферометра заключается в том, что луч света в нём попадал на специальное зеркало, которое делило его на два луча. Эти два луча, в свою очередь, отражались, возвращались обратно, попадали снова на это самое зеркало и затем на детектор, но уже образуя интерференционную картину. Примерно так:

Beam Splitter - это тот самый разделитель луча, М1 и М2 - два обычных зеркала, отражающих свет обратно. Для разных конфигураций прибора (считай, разного наклона зеркал) получаются разные картинки, но все они позволяют вычислить длину волны, зная расстояния между зеркалами и количество полос, попавших в поле зрения наблюдателя.

Целью Майкельсона было обнаружить эфирный ветер. Если эфир существует, и если именно в нём распространяется свет, то движение сквозь этот эфир вызовет изменение скорости света в ту или иную сторону. Представьте себе, что вы идёте против ветра и по ветру - при однаковом усилии в первом случае ваша скорость будет меньше, а во втором - больше. Идеальным полигоном была сама Земля, так как она движется по орбите с довольно приличной скоростью. Требовалось всего-то измерить скорость света, скажем, осенью, а потом ещё раз, но уже весной - и тогда разность указывала бы на величину эфирного ветра.

Физики уже потирали ладошки, предвкушая создание Теории Всего. Были, правда, ещё всякие необъяснимые мелочи, например, прецессия орбиты Меркурия, но о них никто не думал. Объяснили же возмущения в движении Урана, нашли Нептун, ну, значит, и тут как-нибудь выкрутимся. Давайте сначала эфир найдём, а там посмотрим.

И тут Майкельсон возвращается и говорит: "Ребята, знаете, мы тут целый год измеряли этот сраный свет, так что я видеть его уже не могу. И вот хрен вам, смещение намного меньше теоретического и вообще на грани погрешности. Нету вашего эфирного ветра, вообще".