В частотном диапазоне, используемом мобильными телефонами, волны колеблются миллиард раз в секунду, а их длина составляет больше 20 сантиметров. Волны видимого света колеблются секстиллионы раз в секунду, и их длина в сто раз меньше диаметра волоса. Поскольку световые волны определенного цвета и частоты всегда колеблются с одинаковой скоростью, свет является идеальным метрономом для часов и эталоном времени. Самые точные оптические часы на сегодня откалиброваны так, что их точность составляет более 10–19 секунд [8]. За все время существования Вселенной (на сегодня это примерно 14 миллиардов лет) такие часы отстанут всего примерно на полсекунды! Это такая степень точности, о которой предыдущие поколения даже не мечтали.
Но что именно вызывает эти колебания? Долго считалось, что все космическое пространство заполнено так называемым эфиром. Имелся в виду не тот эфир, который растворитель, а эфир – гипотетическая среда, в которой электромагнитные волны (или световые, или радиоволны) распространяются во все стороны, как звуковые волны в воздухе.
Одним из свойств уравнений Максвелла – самым обескураживающим и неожиданным для физиков, причем остающимся таковым и по сей день, – является представление о том, что свет с любой длиной волны, распространяющийся в пустом пространстве, должен всегда двигаться с одной и той же постоянной скоростью, не зависящей от того, как быстро двигается наблюдатель. Рентгеновский луч столь же быстр, как радиоволна или лазерный луч, и в уравнениях Максвелла скорость света не зависит от скорости приемника или излучателя. То, что свет распространяется с конечной скоростью, мы знали самое позднее с конца XVII века, когда Оле Рёмер измерил движение спутников Юпитера и использовал их в качестве часов [9]. Но разве не должна скорость света меняться в зависимости от того, летишь ли ты с большой скоростью сквозь таинственный эфир или стоишь на месте?
Допустим, я плыву на серфборде в океане. Сильный ветер дует в сторону берега, а я гребу от него перпендикулярно линии прибоя. Волны приближаются ко мне с большой скоростью – на самом деле почти так же быстро, как они набегают на берег. Но если я меняю направление и быстро гребу в ту же сторону, куда устремлены ветер и волны, моя скорость почти равняется скорости волн под моим серфбордом. По сравнению с ним скорость волн мала, однако скорость волн относительно берега очень высока.
То же самое относится и к звуковым волнам. Если я еду на велосипеде при попутном ветре, звук клаксона едущего за мной автомобиля достигает моих ушей несколько быстрее, чем когда ветра нет, – и я слышу предупреждение немного раньше. Если же я поеду навстречу ветру, то услышу гудок сзади несколько позже: звук тоже распространяется против ветра. Если бы я мог крутить педали со сверхзвуковой скоростью, я никогда не услышал бы гудка. Если бы я крутил педали еще быстрее и опередил собственные звуковые волны, то преодолел бы звуковой барьер и создал ужасный шум, поскольку многие из производимых мною звуков достигли бы человека, слышащего их, одновременно. Но, в отличие от пилотов реактивных самолетов, ни одному велосипедисту еще не удалось преодолеть звуковой барьер.
Радиоволны должны вести себя подобным же образом – по крайней мере так думали люди более ста лет назад. По их представлениям эфир, в точности как воздух в нашей атмосфере, заполняет пустоту космического пространства, а Земля, бороздящая эфир со скоростью 100 000 километров в час по орбите вокруг Солнца, схожа с моим велосипедом или серфбордом. Если вы измерите скорость света в направлении движения Земли вокруг Солнца, то эта “скорость света” должна быть на самом деле совершенно другой, чем скорость, измеренная под прямым углом или в точно противоположном направлении. Иными словами, она должна зависеть от того, при “попутном” или “встречном” ветре движется свет в эфире.
8
S. M. Brewer, J.‐S. Chen, A. M. Hankin, E. R. Clements, C. W. Chou, D. J. Wineland, D. B. Hume, and D. R. Leibrandt.