Абсолютное и относительное: спор об универсальной точке отсчета

Абсолютно неподвижная система отсчета: это понятие ввел Исаак Ньютон, но впоследствии физики от него отказались. Спустя столько лет все еще нет однозначного ответа, существует ли универсальная точка отсчета. Китайский физик Дональд Чанг предложил новый эксперимент, который сможет разрешить эту проблему.

Все относительно

Любое движение в физике является относительным – мы замечаем, что машина движется, только измеряя ее положение относительно неподвижного фонаря. Самолеты перемещаются относительно Земли, а сама Земля – относительно Солнца. Сказать, что тело движется, можно только если сравнивать его положение с другими – неподвижными (или условно неподвижными) телами.

Чтобы количественно измерять движение, необходимо ввести систему отсчета. Для этого нужно задать точку отсчета, систему координат, которая позволит однозначно определять положение объекта, и обзавестись часами для измерения промежутков времени.

Кто движется – машина или столб?

В каждой конкретной ситуации необходимо найти неподвижный предмет, который станет точкой отсчета – и не всегда этот объект действительно покоится. Представим себе такую ситуацию: два человека, один из которых находится в движущемся автомобиле, другой – стоит у обочины, и оба хотят измерить скорость транспортного средства. Это сделать несложно, поскольку вдоль автомагистралей обычно установлены километровые столбы: достаточно засечь время прохождения машины между двумя ближайшими «метками».

Однако, для первого экспериментатора, сидящего в автомобиле, находиться в движении будут столбы, плавно проезжающие мимо окон. В то время как для второго, несомненно, перемещаться будет транспортное средство. Нельзя однозначно ответить, какое тело движется, а какое – покоится, это один из фундаментальных принципов современной физики. Тела, которое было бы действительно покоящимся, не существует. Но физики думали так не всегда.

Абсолютное пространство Ньютона

Сэр Исаак Ньютон, родоначальник современной динамики, в своей знаменитой работе «Математические начала натуральной философии» писал:

«Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное».

Фактически введенное им понятие абсолютного пространства означало наличие некой универсальной, «прибитой гвоздями», системы отсчета, которая покоится при любых обстоятельствах. Правда, человек по его мнению не в состоянии каким-то образом ощущать абсолютное пространство, и все, что ему доступно – наблюдать изменение положения тел относительно друг друга.

Всепроникающий эфир

Абсолютное пространство в физике Ньютона было необходимо, чтобы ввести ключевое понятие – понятие силы. Но это понятие в его работах так и оставалось абстрактным и не конкретизированным.

В то же время, как Ньютон разрабатывал основные законы динамики, развивалась теория света, получившая начало в работах Рене Декарта и Христиана Гюйгенса. Они предполагали, что все пространство заполнено некой гипотетической всепроникающей средой, эфиром. Свет рассматривался как волны в эфире, и такая концепция действительно помогла объяснить многие наблюдаемые явления.

«Второе рождение» концепция эфира получила с развитием Джеймсом Клерком Максвеллом теории электромагнетизма. В своих работах Максвелл проводил множество аналогий с уравнениями движения сплошных сред, в которых эфир, как раз таки сплошная среда, был хорошим подспорьем. Фактически он и являлся той самой абсолютной системой отсчета Ньютона, неподвижной и неосязаемой.

Схема опыта Майкельсона и Морли

Опыт Майкельсона-Морли

Но сам Максвелл в дальнейшем отказался от понятия эфира, и физики вели споры, существует все же загадочное вещество или нет. В 1868 году он предложил эксперимент, который бы смог окончательно ответить на этот вопрос.

Описанный Максвеллом опыт удалось провести в 1887 году физикам Альберту Майкельсону и Эдварду Морли. В нем измерялась скорость света в двух перпендикулярных друг другу направлениях. Если бы эфир существовал, то две скорости бы отличались друг от друга – таково было требование к эфиру, как среде, которая может распространять волны. Опыт, однако, этого не показал – существование эфира не было подтверждено.

Новый эфир

Результаты этого опыта, в том числе, были использованы Альбертом Эйнштейном для постулирования основных принципов специальной теории относительности: в мире не существует абсолютной, неподвижной системы отсчета. Любое движение относительно, и нельзя однозначно сказать, какой предмет движется, а какой – покоится, как и было показано в начале статьи в примере с автомобилем. Все зависит от выбора системы отсчета.

Место эфира в физике занял вакуум. В рамках теории относительности он является истинно пустым пространством и из-за этого не может использоваться в качестве точки отсчета. Нам просто не за что будет «зацепить» свою линейку.

Бесконечный потенциал вакуума

Но такое определение вакуума находится в конфликте с понятием пустого пространства во многих других областях физики. В физике элементарных частиц в вакууме постоянно происходит рождение пар частица-античастица. Многие космологические модели предполагают, что энергия во Вселенной происходит именно из квантовых флуктуаций. В квантовой электродинамике вакуум даже обладает собственной энергией. Совершенно не похоже на поведение «абсолютно пустого пространства».

Кроме того, физикам доподлинно известно, что Вселенную заполняет обыкновенное, «видимое» вещество и невидимое – темная материя и темная энергия. Почему бы им не сыграть роль покоящейся системы отсчета?

Схема эксперимента Д. Чанга

Новый эксперимент

Китайский физик Дональд Чанг предложил эксперимент, который сможет однозначно ответить на вопрос, существует ли покоящаяся система отсчета во Вселенной. В его основе лежит один из эффектов специальной теории относительности: масса движущегося объекта увеличивается. Чем больше скорость – тем больше будет и его масса.

В эксперименте предполагается измерять массы двух одинаковых частиц (например, электронов), движущихся в разных направлениях. Если наша система отсчета, связанная с Землей, движется относительно некоей абсолютной системы отсчета, согласно законам специальной теории относительности, массы двух электронов окажутся разными – и этот эффект можно будет зарегистрировать.

Более того, поскольку Земля вращается вокруг Солнца, и, следовательно, относительно гипотетической покоящейся системы отсчета, разница масс двух частиц будет меняться в зависимости от времени суток и года.

Эффект зависимости разницы масс электронов от времени суток и года.

Как взвесить электрон?

Казалось бы, вот оно решение вопроса о существовании абсолютной системы отсчета – столь простой и элегантный эксперимент. Но пока что радоваться рано: эффект будет не очень велик – максимальное отношение разницы масс к массе электрона составит 2 x 10^-4. И пока что не существует прибора, который мог бы измерять массу частиц со столько большой точностью.

Чанг предполагает, что можно создать сверхточный измеритель масс, который бы основывался на отклонении электронов магнитным полем – относительная ошибка измерения такого прибора по предварительным оценкам должна составить 10^-6.

Ждем энтузиастов, готовых потрудиться над созданием невероятно точных «весов» для электронов. И будем надеяться, что тогда ученые смогут ответить хотя бы на один из фундаментальных вопросов современной физики.