Звідки виникла теорія відносності? Наприкінці XIX століття фізика здавалася майже завершеною наукою. Закони Ньютона успішно описували рух планет, падіння тіл і роботу машин. Інженери будували залізниці, пароплави та заводи, спираючись на ці закони, і все працювало саме так, як передбачала теорія.
Багато вчених навіть вважали, що основні закони природи вже відкрито, а майбутнім поколінням залишиться лише уточнювати окремі деталі. Лише кілька дивних проблем не вкладалися в наявну картину світу. Тоді вони здавалися незначними винятками, але саме вони згодом перевернули всю фізику.
Однією з таких проблем було світло.
Що таке світло?
Здавалося б, світло — це така сама хвиля, як звук чи хвилі на воді. А будь-яка хвиля повинна поширюватися в якомусь середовищі. Звук поширюється в повітрі, хвилі рухаються по воді, тому фізики припустили, що й світло повинно мати власне середовище для поширення.
Це невидиме середовище отримало назву «ефір». Вчені уявляли його як особливу речовину, що заповнює весь Всесвіт. Планети, зорі та навіть сама Земля нібито рухалися крізь цей ефір, подібно до того, як корабель рухається крізь воду.
І якщо Земля справді летить крізь ефір, то це мало б впливати на вимірювання швидкості світла.
Щоб зрозуміти цю ідею, уявімо людину, яка біжить назустріч вітру. Для неї вітер здаватиметься сильнішим. Якщо ж бігти в тому самому напрямку, що й вітер, він відчуватиметься слабшим. Фізики очікували, що світло поводитиметься приблизно так само.
Тобто швидкість світла мала б трохи відрізнятися залежно від того, в якому напрямку рухається Земля через ефір.
Дослід Майкельсона-Морлі
Саме це вирішили перевірити американські фізики Майкельсон і Морлі у 1887 році. Вони створили один із найточніших наукових приладів свого часу — інтерферометр. Його завданням було виміряти найменшу різницю в швидкості світла залежно від напрямку його поширення.
Принцип роботи був досить витонченим. Промінь світла розділяли на дві частини. Один промінь рухався вздовж передбачуваного руху Землі крізь ефір, а другий — перпендикулярно до нього. Після цього обидва промені знову об’єднувалися, і вчені порівнювали результати їхнього проходження.
Якщо ефір існує, то один із променів мав би рухатися трохи швидше, а інший трохи повільніше. Різниця була б дуже маленькою, але інтерферометр був достатньо чутливим, щоб її помітити.
Фізики були майже впевнені, що експеримент покаже саме такий результат.
Але сталося несподіване.
Прилад не виявив жодної різниці. Світло поширювалося з однаковою швидкістю в усіх напрямках. Вчені багаторазово повторювали вимірювання в різні пори року, коли Земля рухалася навколо Сонця в різних напрямках. Результат залишався тим самим.
Проблема, яку не могли вирішити науковці
Цей результат поставив фізиків у дуже складне становище. Якщо ефіру не існує, то як тоді поширюється світло? Якщо Земля рухається крізь ефір, чому це неможливо виявити? І найголовніше — чому швидкість світла завжди виходить однаковою?
Експеримент Майкельсона і Морлі був не єдиною проблемою тогочасної фізики, але став одним із найвідоміших викликів усталеним уявленням про простір, час і світло.
Протягом наступних років фізики пропонували різні пояснення. Одні намагалися вдосконалити модель ефіру, інші шукали помилки в експерименті. Але що більше проводилося перевірок, то очевидніше ставало: проблема набагато глибша, ніж здавалося спочатку.
Теорія відносності Альберта Ейнштейна
І ось у 1905 році молодий працівник патентного бюро на ім’я Альберт Ейнштейн запропонував радикально новий підхід. Можливо, слід почати не з пошуку ефіру, а з припущення, що швидкість світла справді однакова для всіх спостерігачів.
Ця думка звучала настільки дивно, що спочатку багато хто поставився до неї скептично. Але саме вона стала основою спеціальної теорії відносності — теорії, яка назавжди змінила наше розуміння Всесвіту.
Проте тут виникає нове запитання.
Якщо швидкість світла однакова для всіх без винятку, то що саме повинно змінюватися, щоб природа могла виконати таку дивну умову?
Саме з цього питання і починається справжня історія теорії відносності.