Возьмем, к примеру, протон, частицу электромагнитного излучения – видимый свет, микроволны, гамма‑лучи и так далее.
Что мы знаем о протонах? В первую очередь то, что протон всегда имеет конечную энергию, так что значение этой энергии находится где‑то между 0 и ∞. Энергия, как показал Эйнштейн, эквивалентна массе, согласно уравнению, которое он записал в следующем виде: e = mc 2. Это означает, что масса любого протона может быть вычислена при помощи этого уравнения и иметь величину от 0 и до ∞.
Мы также знаем о протонах, что они движутся (относительно любого наблюдателя) со скоростью света. В самом деле, свет имеет эту скорость потому, что он «состоит» из протонов.
Теперь, когда нам известны эти две вещи, преобразуем уравнение 2:
(уравнение 3).
Для протонов v = с, и теперь уравнение 3 приобретает вид:
m (0) = m0 (уравнение 4).
Если бы протон был обыкновенным, имеющим массу объектом и перемещался бы со скоростью света, его масса (m) была бы бесконечной. Уравнение 4 тогда бы приобрело вид ∞ × (0) = m0, а подобное уравнение в математике недопустимо.
Протон, однако, может приобрести значение для m от 0 до ∞ (хотя он и перемещается со скоростью света), но для любого значения m между 0 и ∞ значение m0 в уравнении 4 равно 0.
Это означает, что для протонов масса покоя (m0) равна нулю. Если масса покоя равна нулю, значит, объект может двигаться со скоростью света.
(Это дает ответ на вопрос, который постоянно мне задают корреспонденты, считая, что они нашли противоречие в логике Эйнштейна. Вопрос звучит так: «Если что‑либо, двигающееся со скоростью света, имеет бесконечную массу, как могут протоны не иметь бесконечную массу?» Ответ заключается в том, что следует различать частицы, чья масса покоя равна 0, и частицы, у которых масса покоя больше 0. К сожалению, корреспонденты будут задавать свой вопрос вне зависимости от того, как часто я буду им это объяснять.)
Но пойдем дальше. Предположим, что протон движется со скоростью, меньшей скорости света. В этом случае величина под квадратным корнем в уравнении 3 станет больше нуля – и к тому же будет умножена на массу m, величина которой больше нуля. Если два значения, каждое из которых больше нуля, умножить, тогда результат (в данном случае m0) должен быть больше нуля.
Это означает, что, если протон движется со скоростью, меньшей скорости света (не важно, насколько меньшей), его масса покоя не может быть равной нулю. То же самое будет справедливо по отношению к протону, двигающемуся со скоростью, большей скорости света. (В дальнейшем мы увидим, что с уравнением на скоростях, больших скорости света, происходят довольно забавные вещи – но при всем этом следует помнить, что масса покоя в этом случае уже не может быть равна нулю.)
Физики настаивают на том, что масса покоя должна быть постоянной для любого данного тела, поскольку все феномены, которые они измеряют, имеют смысл только в этом случае. Для того чтобы масса покоя протона оставалась постоянной, протон всегда должен двигаться со скоростью света, и ни на йоту больше или меньше – конечно, при условии движения сквозь вакуум.
Когда протон возникает, он немедленно, без какой‑либо задержки во времени, начинает двигаться прочь из точки происхождения со скоростью 186 281 миль/с. Это может звучать парадоксально, поскольку подразумевает бесконечное ускорение и, таким образом, бесконечную силу – но стоп…
Второй закон Ньютона, связывающий силу, массу и ускорение, применим только к телам с массой покоя больше нуля. Он действительно неприменим к телам, чья масса покоя равна нулю.
Таким образом, если энергия вливается в обыкновенное тело при обыкновенных условиях, его скорость возрастает; если энергия вычитается, его скорость уменьшается. Если энергия вливается в протон, его частота (и масса) увеличивается, но скорость остается неизменной; если энергия вычитается, его частота (и масса) уменьшается, но скорость также остается неизменной.
Но если все это так, то кажется лишенным здравого смысла говорить о «массе покоя» в связи с протонами, поскольку это подразумевает, что протон имеет в покое массу, а протон никогда не может быть в покое.
Альтернативный термин был предложен О. М. Биланюком и И. К. Г. Сударшаном. Этот термин – «собственная масса». Собственная масса объекта – это постоянное значение массы, которая неотъемлемо свойственна телу и не зависит от скорости. В случае с обыкновенными телами эта свойственная телу масса равна той, которая может быть измерена у данного тела в состоянии покоя. Но в случае с протоном таких прямых измерений сделать невозможно, и потому приходится определять его массу путем размышлений.
Протон не единственное тело, которое может и должно двигаться со скоростью света. Любое тело с собственной массой, равной нулю, может и должно так вести себя. Вдобавок к фотонам существует не менее пяти различных видов частиц, у которых, как полагают, собственная масса равна нулю.
Одна из них – гипотетический гравитон – источник силы гравитации. Существование гравитона, похоже, в 1969 году было подтверждено окончательно.
Другие четыре частицы – это различные нейтрино: 1) само нейтрино, 2) антинейтрино, 3) мюон‑нейтрино и 4) мюон‑антинейтрино.
Гравитон и все нейтрино могут и должны передвигаться со скоростью света. О. М. Биланюком и И. К. Г. Сударшаном было высказано предложение, что все частицы, двигающиеся со скоростью света, должны быть объединены вместе в группу «люксонов» (от греческого слова, обозначающего «свет»).
Все частицы с собственной массой больше нуля, которые, таким образом, не могут достичь скорости света и потому должны всегда двигаться с меньшими скоростями, собраны вместе в класс «тардионов». Позднее появилось выражение «subluminal», «досветовые», для обозначения скоростей тардионов.
Но представим себе то, что невозможно представить, и рассмотрим частицы, которые могут двигаться со сверхсветовыми скоростями. Впервые в строгом соответствии с релятивистскими принципами (не как простое рассуждение в стиле научной фантастики) это предположение было рассмотрено Биланюком, Сударшаном и Дешпанде в 1962 году – и их работы оставались в центре внимания до того, как Жирар Файнберг в 1967 году опубликовал похожие рассуждения (именно работа Файнберга вызвала дискуссию в «Тайм»).
Предположим, что частица движется со скоростью 2 с, то есть вдвое большей скорости света. В этом случае v / c станет 2 с / с, или 2, а (v / c)2будет 4. Выражение 
примет следующий вид: 
или 
или 
.
Поскольку 
принято обозначать i и поскольку 
приблизительно равняется 1,73, мы можем сказать, что для частицы, движущейся вдвое быстрее скорости света, уравнение 3 приобретает следующий вид:
1,73 mi = m0 (уравнение 5).
Выражение, которое содержит i (то есть
), считается воображаемым, это просто изображение величины, из которой нельзя извлечь корень.
Легко видеть из взятых наугад примеров, что для любого предмета, двигающегося при сверхсветовых скоростях, собственной массой является воображаемая величина.
Воображаемая масса не имеет никакого физического значения в нашей «досветовой» вселенной, и потому долгое время было принято сразу просто отмахиваться от сверхсветовых скоростей, поскольку не может быть воображаемой массы. Я сам это говорил в свое время.
Но на самом ли деле воображаемая масса не имеет никакого значения? Или, может, произведение mi – это просто математическое выражение некоторого набора правил, к которому мы еще не привыкли, – но правил, которые все же подчиняются диктату специальной теории относительности Эйнштейна?
К примеру, мы знаем, что в баскетболе, американском футболе, футболе, хоккее и так далее победителем считается тот – или та команда, – кто имеет больше очков. Но разве это значит, что нет игр, где победитель имеет меньше очков? К примеру, гольф? Главное в любой игре – мастерство; выигрывает тот, кто справляется с более трудными задачами; если о мастерстве, как правило, говорит больший счет, то в гольфе – меньший.
Для того чтобы соблюдались правила специальной теории относительности, любой объект с «воображаемой» массой покоя должен вести себя таким образом, который кажется парадоксальным тем, кто привык иметь дело с объектами с реальной массой покоя.
В этом случае если какой‑нибудь объект с воображаемой массой покоя увеличивает свою энергию, его скорость уменьшается, если уменьшает энергию, то его масса увеличивается. Другими словами, любой объект с воображаемой массой покоя замедляется, когда к нему прикладывается сила, и ускоряется, когда встречает сопротивление.
Более того, когда такие частицы получают энергию и замедляются, они никогда не могут замедлиться до скорости света. Близ скорости света их скорость становится бесконечной. Однако когда их энергия уменьшается до нуля, их скорость возрастает беспредельно. Любое тело с воображаемой массой покоя, которое имеет нулевую энергию, будет иметь неограниченную скорость. Такие частицы всегда движутся быстрее света, и Файнберг предложил называть их «тахионами» (от греческого слова, означающего «быстрый»).
Хорошо, тогда вселенная из тардионов состоит из частиц, движущихся со скоростями, меньшими скорости света. Вселенная из тахионов состоит из частиц, что движутся быстрее скорости света – от с для бесконечной энергии до ∞ для нулевой энергии. Между этими двумя вселенными находится люксонная вселенная, со скоростями с – не больше и не меньше при любой энергии.
Мы видим, что вся Вселенная как бы разделена на два отделения непроницаемой стеной. С одной стороны – тардионная вселенная, с другой – тахионная, а между ними бесконечно тонкая, но очень жесткая люксонная стена.
В тардионной вселенной большинство объектов имеют малую кинетическую энергию. Те объекты, которые имеют большие скорости (такие, как космические частицы), обладают очень малой массой. Объекты с большими массами (такие, как у звезды) имеют очень маленькую скорость.
То же самое, похоже, справедливо и по отношению к тахионной вселенной. Объекты с относительно малыми скоростями (всего немного большими скорости света) и, таким образом, обладающие большими энергиями, должны иметь малую массу и не очень отличаться от частиц космических лучей. Объекты с большими массами имеют малую кинетическую энергию и, таким образом, очень большие скорости. Звезда из тахионов, к примеру, должна передвигаться со скоростями, в триллионы раз превышающими скорость света. Но это означает, что масса звезды будет распределена по большим пространствам на протяжении очень малого времени, так что очень малая ее часть будет представлена в любом месте в данный промежуток времени.
Обе вселенные могут встретиться и стать различимыми только в одном месте – у люксонной стены (обе вселенные имеют в своем составе протоны, нейтроны и гравитоны).
Если у тахионов достаточно энергии, они двигаются медленно; может оказаться так, что энергии у них столь много, а движутся они в одном месте столь долго, что могут произвести распознаваемый выброс протонов. Ученые ищут эти выбросы, но вероятность того, что прибор окажется в нужном месте, когда этот выброс (по всей вероятности, не частый) произойдет, судя по всему, равен одной миллиардной, если не еще меньше.
Конечно, у нас может возникнуть мысль: может, нет вообще возможности пробить люксонную стену каким‑то другим путем, чем ускоряясь около нее? Но это невозможно. Могут ли тардионы как‑то превратиться в тахионы (возможно, при помощи протонов), столкнуться с протонами, так чтобы одна из частиц внезапно оказалась по другую сторону стены, не проходя сквозь нее? (Точно так, как можно объединять тардионы для получения протонов и внезапно получать объекты, которые движутся со скоростью света без чьего‑либо ускорения.)
Преобразование в тахионы было бы равнозначно переходу в «гиперпространство», концепция которого очень мила писателям научной фантастики. В тахионной вселенной космический корабль с энергией, необходимой для движения на скорости, много меньшей скорости света, внезапно обнаружит, что он, затрачивая все ту же самую энергию, летит на скорости, во много раз большей скорости света. Он сможет добраться до отдаленной галактики, скажем, в три секунды, затем перейти обратно в тардионный вид и снова появиться в нашей вселенной. Это дало бы возможность «перепрыгнуть» к звездам, о чем я всегда говорю в своих повестях.
Однако в связи с этим у меня есть идея, которая для меня является совершенно новой. Она не основывается на каком‑либо законе физики – я нашел ее чисто интуитивно. Она возникла только потому, что я убежден, что первостепенной характеристикой вселенной является ее симметрия и что первостепенным принципом является мерзкая доктрина: «Ты не можешь победить!»
Думаю, что каждая вселенная представляется себе тардионной вселенной, а на другие смотрит как на тахионную, так что наблюдателю из «ниоткуда» (к примеру, сидящему на вершине люксонной стены) покажется, что люксонная стена разделяет мир на две одинаковые части.
Если нам удастся перенести космический корабль в тахионную вселенную, мы обнаружим себя (я интуитивно это чувствую) все еще двигающимися, по нашим приборам, на досветовых скоростях, а вселенную, которую мы покинули, мы будем считать сверхсветовой.
И если это так, то, куда бы мы ни отправились, что бы мы ни использовали, тахионы или что‑то еще, достижение скорости света и переход через нее останется невозможным – вот и все.
Глава 9
Играя в игры
Мое занятие как литератора, описывающего далеко отстоящие объекты, привело к тому, что уважаемые читатели стали присылать мне письма из весьма отдаленных мест, а также брошюры и книги. Это приветствуется, и я читаю все присланное мне до тех пор, пока не решу, что читать больше не стоит. Это означает, что иногда я читаю все, и с большой пользой для себя, а иногда – только один абзац.
Однако нередко я чувствую, что читать вообще не стоит, еще до того, как открываю книгу, и часто убеждаюсь в этом, прочитав первые абзацы, содержащие информацию рекламного характера. Именно это произошло со мной недавно.
Я получил книгу, призванную (согласно сопроводительному письму) выявить правду относительно происхождения Вселенной и разоблачить «фальшивки» Ньютона и Эйнштейна. Должен признать, что само сопроводительное письмо не внушило доверия. Но справедливости ради я все‑таки открыл книгу и прочел то, что было написано на внутренней стороне суперобложки.
Здесь перечислялись некоторые базовые моменты книги, и самым первым было утверждение, в котором автор «полагал», что свет, перемещаясь на большие расстояния, постепенно поглощается; что синий конец спектра поглощается первым и что это свидетельствует о «красном смещении» света от отдаленных галактик.
Если это оказалось бы правдой, тогда все астрономические выводы, основанные на красном смещении, должны быть пересмотрены, а наши самые базовые представления относительно Вселенной должны были бы полностью перевернуться. Естественно, я нашел такую перспективу просто заманчивой и решил продолжить чтение.
Однако, немного продолжив, я захлопнул книгу и отложил ее в сторону, чтобы потом выбросить. При определенных условиях свет, распространяющийся на большие расстояния, действительно поглощается или рассеивается, и синий цвет действительно поглощается или рассеивается лучше всего, но это не имеет ничего общего с красным смещением. Поскольку автор определенно не знал, что такое красное смещение, какой интерес знакомиться с его взглядом на этот предмет?
Что стоит одна лишь вера сама по себе? Среди любителей в науке очень широко распространено убеждение, что необходимо только создать «теорию», чтобы произвести революцию в науке. Но в действительности «теории» сами по себе – это не больше чем интеллектуальное развлечение; чтобы стать чем‑то большим, они должны быть подтверждены наблюдениями. Причем предпочтительно наблюдениями, которые не только подтверждают теорию, но и опровергают противостоящие теории.
Наука, как и другие интеллектуальные игры, имеет свои правила, которые строго соблюдались на протяжении четырех столетий и за это время подтвердили свое право на существование. Те, кто хочет революционизировать науку, должны очень хорошо их изучить – не потому, что это придаст им респектабельности, а потому, поверьте мне, что без них революционизировать науку никогда не удастся.
Странно, что при том, что никто, не изучавший шахматы, не мечтает стать гроссмейстером, столь много любителей с совсем небольшой научной подготовкой – или вообще без нее – убеждены, что они могут найти «очевидные» погрешности в теории Эйнштейна.
Любители не могут утешаться (как они часто делают) мыслью, что они «смеются над Галилеем». Конечно, некоторые могут, но многие не делают этого. Галилей опроверг физику Аристотеля, потому что, кроме прочего, тщательно изучил эту самую физику. Коперник опроверг теорию Птолемея, потому что он также тщательно ее изучил. Везалий опроверг анатомию Галеника, потому что, как легко догадаться, он был специалистом в анатомии Галеника.
Это общее правило, которое надо понять всем «революционерам» (возможно, во всех областях, но определенно в науке): вы должны очень хорошо знать учение, которое стремитесь опровергнуть.
А теперь, в качестве примера, как в научную игру следует играть, давайте продолжим тему про красное смещение, чтобы увидеть, как это явление работает, какие у него причины и как трудно дать этому явлению новую трактовку на основе простого воображения неподготовленного человека.
Изучение этого вопроса начнем с феномена, который обычно не замечался до появления железных дорог.
Представьте, что раздается звук свистка, постоянный по громкости. Когда вы приближаетесь к источнику свиста, он кажется более высоким, чем был бы, если бы вы к нему не двигались. Если же свист удаляется от вас, он кажется ниже. Чем больше скорость свиста, тем больше разница в тоне между временем его приближения и удаления.
Но это лишь бездоказательное утверждение. Прав ли я?
До 1830 года никто, похоже, не задавался вопросом, правдиво ли это утверждение или нет. Возможно, никто и не замечал подобное изменение в высоте звука.
До появления железных дорог самым быстрым движением, с которым сталкивался человек, была езда на галопирующей лошади. Можно представить себе человека, который, сидя в седле, трубит в рог. Если бы наблюдатель смотрел, как этот всадник проносится мимо, то он бы заметил, что при его приближении звук рога имеет более низкий тон, нежели когда всадник удаляется. Но в тот момент, когда бы всадник его миновал, на короткое мгновение наступила бы тишина.
Однако галопирующая лошадь с дудящим в горн всадником – большая редкость; я думаю, это возможно только тогда, когда кто‑либо вел за собой отряд на сражение. Когда горн звучит среди ударов пик по щитам или бряцания сабель, думаю, ни один потенциальный наблюдатель не стал бы прислушиваться к изменению тона горна.
Но затем появился локомотив с его паровым свистком, предназначенным для предупреждения людей, чтобы они ушли с дороги! Паровозы начали ходить периодически, и наблюдатель мог прислушиваться к свисткам при их приближении и удалении. Обычно он слышал, как паровой свисток при прохождении паровоза мимо меняет свой тон от «тенора» до «баритона».
После того как это случилось несколько раз, возникло любопытство. Почему это происходит? Почему свисток звучит тоньше, когда поезд приближается, чем когда он удаляется? Почему свисток звучит глубже, когда поезд отъезжает? Откуда это непонятное изменение?
Можно с ходу откинуть мысль, что это шутка машиниста, поскольку подобное происходит со всеми поездами и всеми машинистами, и столь нелепая шутка просто невозможна. Кроме того, если два человека слушают с разных точек наблюдения, то все равно при приближении звук имеет более высокий тон, чем при удалении.
Австрийский физик Кристиан Иоган Доплер в 1842 году попытался объяснить этот эффект с точки зрения природы самого звука.
Звук, как тогда полагали, – это волновое явление, которое воздействует на ухо человека благодаря чередующимся зонам сжатия и разрежения при распространении через среду, по которой волна перемещается. Расстояние от одной области сжатия до следующей называется длиной волны – и может быть показано, что чем короче длина волны, тем выше тон, и, соответственно, чем длиннее длина волны, тем тон ниже.
При 0 °C звук распространяется со скоростью около 330 м/с. (На протяжении всей этой главы я хочу использовать «метры в секунду» в качестве единицы скорости исключительно по собственной прихоти. Если вам больше нравится «миль в час», просто помните, что 1 м/с равен примерно 1/4 мили/ч. Таким образом, 330 м/с равны 752 миль/ч. – Примеч. авт.) Это означает, что каждая область сжатия движется от источника звука во всех направлениях со скоростью 330 м/с.
Теперь предположим, что свисток производит постоянный звук с такой длиной волны, что каждую секунду производится 330 зон сжатия – эта длина волны равна ми выше среднего до на пианино. Через секунду после начала свиста появится 330 зон сжатия, первая из которых продвинется на 330 метров, тогда как остальные ровно распределятся между ней и свистком. Легко видеть, что расстояние между зонами сжатия будет ровно 1 метр, а это значит, что длина волны звука равна 1 метру.
Но предположите, что свисток размещен на паровозе, который приближается к вам со скоростью 33 м/с, что составляет 1/10 скорости звука.
Ко времени, когда первая волна сжатия преодолеет 1 метр со своей стартовой точки и начнется испускание второй волны, паровоз пройдет вперед на 0,1 метра. Таким образом, когда появляется вторая волна сжатия, она будет на расстоянии всего 0,9 метра от своей предшественницы, – и это же явление будет происходить с каждой последующей волной сжатия.
Другими словами, если свисток издает звук с длиной волны в 1 метр, когда паровоз относительно вас стоит неподвижно, то при движении поезда длина волны становится 0,9 метра при приближении к вам со скоростью 33 м/с. (Можно легко заметить, что длина волны станет еще короче, если вы будете приближаться быстрее.)
Длина волны 0,9 метра равна частоте 330/0,9, или 367 колебаний в секунду, что почти эквивалентно фа‑диезу.
Все будет происходить совершенно иначе, если паровоз начнет двигаться от нас. Тогда, когда первая волна сжатия преодолеет 1 метр к вам и начнется испускание второй волны, паровоз пройдет 0,1 метра от вас и длина волны станет 1,1 метра. Частота будет 330/1,1, или 300 колебаний в секунду, что почти точно соответствует ноте ре.
Тогда мы можем сказать, что свисток паровоза, который обычно издает звук ми, звучит как фа‑диез, приближаясь на обычной скорости умеренно быстрого экспресса, и что, миновав наблюдателя, он внезапно меняет звучание на ре.
Итак, тон связан с относительным движением наблюдателя и паровоза. Это может показаться на первый взгляд странным. Но если паровоз приближается и волны сжатия располагаются ближе друг к другу, то нельзя ли нам что‑нибудь сделать с наблюдателем? Если вы начнете двигаться в том же направлении, что и паровоз, и с той же скоростью, то волны сжатия, сдвинутые ближе друг к другу из‑за движения паровоза, как бы раздвинутся друг от друга, когда они достигнут ваших ушей. И если вы и поезд двигаетесь с одной и той же скоростью, это раздвижение полностью компенсирует сжатие волны. Вы услышите нормальный тон, точно так же, как если бы вы и свисток были неподвижными.
Однако это рассуждение Доплера (приведенное выше) было поначалу лишь простым теоретизированием. Тем не менее оно давало программу для опытов. Теория Доплера связывала скорость звука, скорость источника звука и тон звука совершенно однозначным образом – и необходимо было только, используя соответствующие приборы, провести эксперимент, который бы показал, в самом ли деле все параметры звука связаны между собой соотношениями, установленными Доплером.
Чтобы провести такой эксперимент, Доплер в 1844 году взял в аренду вагон‑платформу и некоторую часть железнодорожного пути. На вагоне‑платформе он разместил трубачей, попросив их производить указанную ноту, не меняя ее тона, когда платформа минует наблюдателя с абсолютным слухом. Наблюдатель заметил предсказываемое изменение тона; на основании скорости звука и скорости вагона‑платформы Доплер произвел необходимые расчеты и обнаружил, что услышанное наблюдателем изменение высоты тона соответствует тому, какое было предсказано теорией. Это изменение тона в зависимости от скорости с тех пор называют доплеровским эффектом.
Доплер сразу увидел, что его теория может быть применима не только к звуку, но и к любому другому волновому явлению. Свет, к примеру, состоит из крошечных волн, и, если источник света, излучающий лишь одну длину волны, приближается к вам, ясно, что для неподвижного наблюдателя длина волны должна укоротиться, а частота увеличиться. Если источник удаляется, волна удлиняется и частота уменьшается.
Каждый раз, когда длина волны изменяется, свет меняет свой цвет. Видимый цвет занимает определенную полосу частот: самые длинные частоты представляет красный, далее идут в порядке уменьшения длин волны оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый (спектр радуги является прекрасным примером).
Тогда, если удаляющийся источник света излучает волны определенной длины, длина этих волн больше, чем была бы, будь источник неподвижным. Его цвет сдвинулся бы в направлении красного. Если же источник света приближается, его цвет сдвигается в направлении фиолетового.
Тогда мы можем сказать, что удаляющийся источник света сопровождается «красным смещением», а приближающийся свет – «фиолетовым смещением». Я считаю, что «красное смещение» – это очень расплывчатый термин. Он звучит, словно красный цвет смещается или что цвет смещается в красный. Неверно ни то ни другое. Поскольку в случае, если источник удаляется, любой цвет любой длины волн будет смещаться по направлению к красному, нам следует назвать это явление «смещением в красную сторону». Обратное явление следует назвать «смещением в фиолетовую сторону» – или, если это звучит слишком нелепо, можно использовать также выражение «смещение в синюю сторону». (Но это я пишу только из любви к точности. Я и дальше буду использовать термин «красное смещение». – Примеч. авт.)
Но теперь, когда мы решили, что доплеровский эффект применим к свету совершенно так же, как к звуку, то, используя простую логику, можем мы немного поиграть в науку и проверить теорию наблюдениями?
Почему бы нам не повторить то, что мы делали со звуком? Свисток паровоза продемонстрировал явное и безошибочно определяемое изменение тона свистка, когда свисток проносится мимо при скорости в одну десятую от скорости звука. Почему бы прожектору паровоза (излучающего свет определенной волны) не показать столь же определенное и безошибочно определяемое изменение цвета, когда паровоз проносится мимо со скоростью одной десятой скорости света?
Проблема состоит в том, что свет летит во много раз быстрее звука. Свет делает около 300 000 000 м/с. Десятая часть этой скорости составляет 30 000 000 м/с и – давайте смотреть правде в глаза – ни один паровоз не может развить такой скорости.
Предположим, что мы возьмем какой‑нибудь паровоз, идущий со скоростью 33 м/с. Изменение скорости будет от +33 м/с (при приближении) до –33 м/с (при удалении) – или суммарно 66 м/с. Это меньше 1/4 000 000 скорости света. Длина волны света будет смещаться в том же соотношении, и определить столь малое смещение окажется трудно, во времена же Доплера это было совершенно невозможно.
Вряд ли мы сможем наблюдать доплеровский эффект на Земле, несмотря на то что со звуком это удалось просто великолепно.
А если мы возьмем небесные тела? Они перемещаются много быстрее, чем созданные или еще только задуманные человеком объекты. Земля, к примеру, совершает поворот за 24 часа, что означает, что данная точка на экваторе перемещается (относительно центра Земли) со скоростью примерно 465 м/с – или в 14 раз быстрее экспресса. Луна вращается вокруг Земли со скоростью примерно в 1000 м/с. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью примерно в 30 000 м/с, в то время как Меркурий при своем самом близком приближении к Солнцу достигает скорости в 57 000 м/с.