Как Айнщайн опроверга етера: Странната физика зад специалната теория на относителността

Специалната теория на относителността е наистина нещо странно. За да разберем физиката на относителността, си струва да погледнем към историята.

През 1865 година Джеймс Клерк Максуел открива, че светлината е вълна от електричество и магнетизъм. Както всички вълни, те трябва да се разпространяват през нещо. Звуковите вълни се разпространяват във въздуха, а океанските вълни – във водата. Максуел изказва хипотезата, че светлинните вълни се разпространяват чрез вещество, което сега се нарича „светоносен етер“.

Предполага се, че етерът има странни свойства. Той не може да бъде усетен, докоснат или видян.

Предполагаше се, че е почти невидим, но позволява на светлината да преминава през него. В края на 19-и век се разгорял разгорещен дебат за естеството на етера и се оказало, че всички грешат.

Това става ясно, когато през 1887 година двама учени решават да измерят движението ни през етера. Алберт Майкелсън от Училището за приложни науки „Кейс“ и Едуард Морли от Университета „Уестърн Ресърв“ разработват експеримент, който днес е известен като експеримент на Майкелсън-Морли. Основната му идея е, че ако етерът съществува, то ние би трябвало да „плуваме“ в него и това движение да се проявява като промяна в скоростта на светлината.

Експериментът на Майкелсън-Морли се опитва да измери това, но не успява. Имало е проблем: светлината е вълна и трябва да се движи през нещо, т.е. през етера, но защо не можем да измерим движението си през етера? Какво се случва?

Малко след този експеримент физикът Оливър Хевисайд забелязал интересно явление: когато електрическите заряди се движат, електрическите им полета се свиват по посока на движението. Тогава Хендрик Лоренц изказва хипотезата, че ако всичко е съставено от електрически заряди и полетата се свиват при движение, то може би и самите обекти се свиват при движение. Следователно е невъзможно да се измерят промени в скоростта на светлината, дължащи се на свиване на дължината – щом измервателните уреди започнат да се движат, те самите се компресират, което компенсира промяната в скоростта на светлината.

Тази теория се смяташе за успешна, защото обясняваше всички данни. Материята се компресира в движение поради физични взаимодействия, а етерът присъства, но не може да бъде открит.

Тогава се появил Айнщайн и задал важен въпрос: ако етерът е винаги и завинаги неуловим, защо изобщо ни е нужен?

Защо да не приемем, че обектите се свиват от само себе си, не за да обясним експерименталните резултати, а като даденост на Вселената?

Това е основното постижение на Айнщайн. Други учени също са работили върху теорията на относителността, но никой не е направил пробив като него. Айнщайн обявява, че свиването на дължината е свойство на Вселената, а не недостатък. Вече нямало нужда да се опитва да вмести електромагнитните явления в рамките на етера. Дължината се скъсява при движение. Точка.

За Лоренц това било физическо явление, но за Айнщайн то било свойство на самото пространство, независимо от обектите. Това осъзнаване позволява на Айнщайн да направи още една важна стъпка.

Раждането на теорията на относителността

За да функционират нещата, Айнщайн осъзнава, че трябва да има някаква връзка. Не може просто да има свиване на дължината. Трябва да има и забавяне на времето – движещите се часовници вървят по-бавно. Тези явления винаги работят заедно, за да имат смисъл всички наблюдения и перспективи.

Например, нека вземем мюона – по-тежка версия на електрона. Той живее само 2,2 микросекунди. Когато енергийни частици се удрят във въздушните молекули в горните слоеве на атмосферата, те генерират мюони, които летят към Земята.

Тези мюони се движат почти със скоростта на светлината, но това все още не е достатъчно, за да достигнат Земята за краткия си живот. Теорията на относителността обаче гласи, че движещите се часовници вървят по-бавно – от наша гледна точка мюоните живеят много по-дълго и имат време да достигнат Земята, но от гледна точка на мюона няма забавяне на времето и той съществува само 2,2 микросекунди.

И така, как един мюон успява да достигне Земята? Отговорът е свиване на дължината: от гледна точка на мюона разстоянието до Земята е много по-късо, така че той има време да я достигне.

Специалната теория на относителността предоставя математическите инструменти за смяна на гледните точки и за организиране на всичко. Вселената може да е луда, но се подчинява на разбираеми правила.