Алексей Алексеевич Тяпкин Анатолий Сергеевич Шибанов Пуанкаре Жизнь замечательных людей


Глава 11 РОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ



жүктеу 5.29 Mb.
бет18/30
Дата28.04.2016
өлшемі5.29 Mb.
түріКнига
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   30

Глава 11

РОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ




Принцип относительности и эфир

Среди основных принципов, которые должны сохраниться в будущей физике, Пуанкаре назвал в Сент-Луисе принцип относительности, утверждающий, что «законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение». Но к выводу о существовании всеобщего закона относительности, распространяющегося и на электромагнитные явления, он пришел еще задолго до этого.

В 1893 году английский физик-теоретик Джозеф Лармор представил Лондонскому королевскому обществу свою новую работу под названием «Динамическая теория электрической и светоносной среды». Чтение этой важной статьи побудило Пуанкаре к размышлениям, результатом которых явились четыре короткие статьи, опубликованные в 1895 году под общим заголовком «По поводу теории Лармора». В них он приходит к важному заключению о том, что принцип относительности строго выполняется для оптических и электромагнитных явлений. «Опыт дал множество фактов, которые допускают следующее обобщение: невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира. Все, что может дать опыт, — это обнаружить движение весомой материи относительно весомой материи», — пишет автор в октябрьской статье 1895 года. Ссылаясь на опыт Майкельсона, он подчеркивает далее, что речь идет именно о строгом выполнении этого закона, в то время как все предложенные до сих пор теории удовлетворяют ему лишь приближенно, без учета величин второго порядка малости. Это замечание говорит о том, что Пуанкаре имеет в виду точное соответствие принципу относительности для теорий, отрицающих полное увлечение эфира движущимися телами, а не для отвергнутой опытами герцевской электродинамики, в которой строго выполнялся принцип относительности Галилея. Несмотря на то, что в этих его статьях не были указаны пути создания такой правильной теории, само утверждение о принципиальной невозможности обнаружить движение тела относительно эфира уже представляло собой формулировку основного исходного принципа будущего теоретического построения.

В докладе на физическом конгрессе 1900 года Пуанкаре еще подробнее излагает свое критическое отношение к сохранившийся у некоторых ученых, в том числе у голландского физика Г. А. Лоренца, надеждам обнаружить абсолютное движение Земли в более точных оптических и электрических опытах. Прежде всего он обсуждает мотивы, приведшие к появлению в науке особой гипотетической среды — эфира. Пуанкаре видит основание лишь для идеи заполнения пространства этой идеальной средой, чтобы избежать передачи взаимодействия через пустоту, категорически не соглашаясь с популярной тогда тенденцией представлять материю «сгущенным эфиром» или «местом точек, где эфир испытывает вихревое движение». Но основание для введения эфира еще не является доказательством его существования. Поэтому Пуанкаре говорит далее о необходимости экспериментального ответа на поставленный им прямой вопрос: «Что касается нашего эфира, то существует ли он в действительности?»

В классическом опыте Физо проявлялся эффект, связанный с относительным движением оптических сред. Но согласно существовавшим тогда представлениям полученный результат объясняли частичным увлечением эфира движущимися объектами. Многим казалось, что в этом опыте со всей наглядностью проявляет себя гипотетическая среда, заполняющая пространство, и Пуанкаре в связи с этим замечает: «Можно сказать, что вы задеваете эфир пальцем». Тем не менее он считает «необходимым допустить существование эфира» лишь в том случае, если эксперимент покажет, «что световые и электрические явления видоизменяются вследствие движения Земли». Наступит ли это когда-нибудь? На этот вопрос докладчик склонен ответить отрицательно: «Я считаю такие надежды призрачными…»

Иначе смотрел на эту проблему Лоренц. Стремясь объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли с точки зрения своей теории, в которой фигурировал неподвижный эфир, он вводит в своих работах 1892 и 1895 годов дополнительное предположение о сокращении длин твердых тел при их движении в эфире. Величина сокращения зависела от скорости таким образом, что в точности компенсировала ожидаемый эффект от «эфирного ветра», который становился вследствие этого ненаблюдаемым. Этой гипотезой Лоренц фактически поднимал вопрос о пересмотре пространственных соотношений при больших скоростях движения. Намеченный им путь вел в нужном направлении, но ему не хватало обобщенного подхода к проблеме в целом, выходящего за рамки объяснения опыта Майкельсона — Морли. Поэтому важнейшее значение для наметившегося решения проблемы электродинамики движущихся сред приобретал общий вывод Пуанкаре о необходимости признать в качестве строгого физического закона невозможность обнаружить движение тела относительно эфира.

Он неоднократно обращал внимание на недостаточность придуманного Лоренцем объяснения результата, полученного Майкельсоном и Морли. Не исключено, что для каждого нового, более точного опыта придется изобретать раз за разом новые искусственные предположения. В докладе 1900 года Пуанкаре говорит: «…Я позволю себе сделать отступление, чтобы объяснить, почему я, вопреки Лоренцу, не думаю, чтобы когда-нибудь более точные наблюдения могли обнаружить нечто иное, кроме относительных перемещений материальных тел. Были производимы опыты, которые должны бы открыть члены первого порядка. Результат был отрицательный; могло ли это быть делом случая? Этого никто не мог бы допустить; стали искать общего объяснения, и Лоренц нашел его: он показал, что члены первого порядка уничтожаются; это не имело места для членов второго порядка. Тогда были произведены более точные опыты, которые снова дали отрицательный результат. Это опять не могло произойти случайно — требовалось объяснение, которое и было дано. За объяснением дело никогда не станет: гипотезы неистощимы.

Это не все. Кто не заметит, что здесь случайность играет еще значительную роль? Разве не случайно странное совпадение, благодаря которому известное обстоятельство появилось как раз вовремя, чтобы уничтожить члены первого порядка, а другое, совершенно различное, взяло на себя труд уничтожить члены второго порядка. Нет, следует найти одно и то же объяснение для обоих случаев, и тогда естественна мысль, что то же самое будет справедливо и для членов высших порядков и что их взаимное уничтожение будет носить характер абсолютной точности».

Но, несмотря на эту критику, Пуанкаре все же считает, что теория Лоренца «наиболее удовлетворительна из всего, что у нас есть; она, бесспорно, лучше всех воспроизводит известные нам факты, освещает больше реальных соотношений, чем всякая иная, и принадлежащие ей черты войдут в наибольшем числе, в будущее окончательное построение». Он указал на блестящие успехи теории Лоренца в объяснении опыта Физо и магнитооптических явлений.46 Не допуская случайности столь значительных ее достижений, Пуанкаре высказал уверенность, что именно эта теория выйдет победительницей из схватки с трудностями, возникшими в физике, что при этом сама теория не подвергнется разрушению. «Теория Лоренца не есть искусственный агрегат, обреченный на распадение, — утверждает он. — Ее, наверно, придется изменить, но не разрушить». Такая же точка зрения отстаивалась им на конгрессе в Сент-Луисе.

Эта ориентация, с одной стороны, на теорию Лоренца, в которой скорость света принималась не зависящей от движения его источника, а с другой стороны, на строгое выполнение принципа относительности, указывала тот единственный верный путь, который вел к созданию теории относительности. Однако намеченное Пуанкаре объединение теории Лоренца и принципа относительности упиралось в противоречие, которое в силу ограниченности существовавших тогда основных научных представлений казалось непреодолимым. Поскольку скорость света в эфире была постоянной и не зависела от движения источника света, то в перемещающейся относительно эфира материальной системе свет должен был распространяться с различной скоростью в разных направлениях. Это явно расходилось с утверждением принципа относительности. Чтобы привести в соответствие эти два положения, необходимо было коренным образом изменить представления о пространстве и времени.



Конец абсолютного времени

Абсолютное и всеобщее время принадлежало к наиболее фундаментальным исходным понятиям механики. Оно казалось столь же незыблемым, как и основные законы этой науки, сформулированные еще Ньютоном и много раз подтвержденные с тех пор астрономическими наблюдениями. Но установленная двести лет назад конечность скорости распространения света давала достаточный повод для того, чтобы усомниться в правомерности представления об абсолютном времени. Однако за прошедшие два века никто из физиков или философов не посмел подвергнуть сомнению это понятие. В конце XIX века некоторые ученые — Э. Мах, Д. Б. Сталло, И. Петцольдт — выступили с критикой классического абсолютного времени с общенаучных и философских позиций. И только Пуанкаре показал его полную несостоятельность, опираясь на вполне конкретный экспериментальный факт — конечность скорости передачи самого быстрого материального сигнала, скорости света. Им был дан наиболее четкий научный анализ понятия времени и других связанных с ним понятий, явно или неявно используемых в науке. Прямой связи между этими его исследованиями и проблемами электродинамики движущихся тел, которые находятся в поле его зрения, нет. К критическому пересмотру классических взглядов на время он пришел от проблем обоснования геометрии пространства.

В 1898 году один из выпусков широко известного тогда французского научного журнала открылся статьей Пуанкаре «Измерение времени». На протяжении почти тринадцати страниц автор основательно анализирует такие простые, казалось бы, понятия, как равенство двух промежутков времени и соответствие между собой моментов времени в разных точках пространства. Его рассуждения показывают, что понятие времени казалось до сих пор очень простым только потому, что о нем серьезно не задумывались. Принимая абсолютное время, классическая физика, оказывается, делала ряд неявных допущений, с которыми следовало бы расстаться после того, как убедились в конечном значении скорости света. Даже определение скорости движения основывалось на представлении о равномерном и одинаково идущем во всех точках пространства времени. Задание величины скорости подразумевает отсчет времени хотя бы в двух пространственно разделенных точках. Но полученный таким способом временной интервал имеет смысл только в том случае, когда решен вопрос о приведении в соответствие времен в разных точках пространства. Для этого недостаточно установить одинаковость хода времени в этих точках, необходимо также согласовать начало его отсчета, или, как принято говорить, установить одновременность.

Как же установить эти характеристики времени в реальной действительности, если самый быстрый процесс — это распространение света, скорость которого тоже конечна? Этот вопрос Пуанкаре подвергает детальному анализу, рассматривая те измерительные процедуры, с помощью которых понятию времени придается физический смысл. Полученный им ответ казался его современникам весьма неожиданным и одиозным: абсолютного времени и абсолютной одновременности в природе не существует. Лишь на основе условного соглашения, конвенции, можно считать равными длительности двух промежутков времени и одновременными два явления, происшедшие в разных точках пространства. Например, при практическом установлении с помощью световых сигналов одновременности двух разноместных событий нужно сначала измерить скорость света, а ее измерение, в свою очередь, предполагает установление одновременности. Возникают непреодолимые трудности, справиться с которыми помогает определенное, условное в известных пределах соглашение, договоренность. Свою статью Пуанкаре заканчивает требованием, которому должны удовлетворять такие сознательно заключаемые соглашения: «Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка естественных законов была бы настолько простой, насколько это возможно».

Это было совершенно новое, «неклассическое» понимание времени и одновременности. Введенное в науку на самом закате прошлого века, знание это принадлежало уже надвигающемуся столетию и сыграло в нем первостепенную роль. Только во второй половине нашего столетия, и то после долгих лет сомнений и недопонимания, получило должную оценку и другое положение, сформулированное Пуанкаре в статье 1898 года. Рассматривая взятое в качестве примера утверждение астронома о том, что «звездное явление, которое он видит в настоящее время, произошло 50 лет назад», автор вскрывает в нем неявное допущение о постоянстве скорости распространения света во всех направлениях. Принципиально невозможно измерить скорость распространения света в одном каком-нибудь направлении. Измерению подлежит лишь усредненная скорость прохождения светом некоторой протяженности в двух противоположных направлениях. Поэтому предположение о равенстве двух противоположных по направлению скоростей света является только условным соглашением.47 «Это есть постулат, — писал Пуанкаре, — без которого нельзя было бы предпринять никакого измерения скорости. Данный постулат никогда нельзя проверить прямо на опыте… Я хочу отметить, что он дал нам новое правило для поисков одновременности, полностью отличное от того, которое мы упоминали выше». Именно это сформулированное Пуанкаре правило определения одновременности, исходя из наиболее простого и удобного соглашения о равенстве скоростей света в прямом и обратном направлениях, было использовано впоследствии для обоснования релятивистских свойств времени.

Новые взгляды на время Пуанкаре проводит и в своем лекционном курсе «Электричество и оптика», прочитанном в 1899 году и опубликованном два года спустя, а также в докладе на философском конгрессе 1900 года, который вошел в виде отдельной главы в книгу «Наука и гипотеза».

Лоренцу в этот период тоже потребовалось пересмотреть понятие времени, чтобы раскрыть физический смысл некоторых сторон развиваемой им электродинамики движущихся сред. Но он так и не отважился сразу и решительно порвать со столь привычным всеобщим временем классической физики. Первым его шагом было введение особого понятия «местного» времени, которое использовалось им фактически как реальное время для описания процесса распространения световой волны в движущейся среде. «Местным» оно называлось по той причине, что в каждой точке движущейся системы было выбрано свое, характерное для данного места начало его отсчета.

Сам Лоренц был далек от того, чтобы это «местное» время признать равноправным со временем неподвижной системы, которое он называл всеобщим. Но это лишь свидетельствовало об отсутствии у него понимания подлинного значения сделанного им шага. Для согласования своей теории с результатами опыта Физо ему пришлось отказаться от всеобщего времени, связанного с классическими преобразованиями Галилея, и использовать «местное» время как реальное физическое время. Таким образом, даваемая Лоренцем оценка «местного» времени как некоторой вспомогательной величины не соответствовала фактическому его употреблению.48

В этой ситуации особенно важное значение приобретало то простое разъяснение физического смысла «местного» времени, которое дал Пуанкаре. В своей статье «Теория Лоренца и принцип равенства действия и противодействия», опубликованной в 1900 году в одном из голландских журналов, посвященном двадцатипятилетию научной деятельности Лоренца, он определяет «местное» время как соответствующее показаниям часов, синхронизованных световым сигналом. Это означало, что оно является таким же реальным физическим временем в движущейся системе, каким считалось отличное от него время неподвижной системы.

Неожиданное решение

И «местное» время, и гипотеза о сокращении длин твердых тел, движущихся в эфире, все это были неосознанные отступления от общепринятых методов классической физики, с которыми сам Лоренц никак не хотел расстаться. По его представлениям, любые электромагнитные явления происходят всегда в неподвижном мировом эфире в строгом соответствии с уравнениями Максвелла. Это означало, что при движении какой-либо системы относительно эфира меняются лишь условия наблюдения процессов, разыгрывающихся всегда на одной и той же сцене по одному и тому же сценарию, задаваемому уравнениями Максвелла. Чтобы выяснить, к каким последствиям приводят эти изменения условий наблюдения, нужно было перейти от пространственно-временных координат системы, связанной с эфиром, к таким же координатам движущейся системы отсчета.

Согласно представлениям классической физики математические соотношения между координатами двух систем отсчета предписаны очевидными соображениями и выражаются преобразованиями, принятыми еще Галилеем. Эти преобразования и были использованы Лоренцем для описания электромагнитных процессов в движущейся системе координат. Полученные им результаты, однако, расходились с опытными. Но, даже столкнувшись с таким противоречием, он проявляет удивительную верность уравнениям Максвелла и своей основной идее о неподвижном эфире. Стремясь согласовать свою теорию с опытом, Лоренц выдвигает те самые дополнительные гипотезы, которые, не затрагивая уравнений электродинамики, вносят необходимые изменения в описание процессов в движущейся системе. Фактически же «местное» время и гипотеза о сокращении длин означали изменение преобразований пространственно-временных координат, отход от обычных преобразований Галилея.

Еще в работе Лоренца 1895 года присутствовали новые преобразования координат, которые приближенно отвечали этим принятым им двум гипотезам. Несколько позже, в работе 1899 года, Лоренц получает уже точные выражения для таких преобразований. Он преподносит их как некие специальные преобразования пространственно-временных координат, применение которых обеспечивает неизменность, инвариантность уравнений Максвелла при переходе от системы эфира к движущейся системе. Правда, голландский физик не дал строгого и общего доказательства этого утверждения. Тем не менее, как было потом доказано Пуанкаре, полученные Лоренцем преобразования действительно обладают таким ценным свойством, отвечающим требованию принципа относительности. Сам Лоренц, проявляя свойственную ему непоследовательность, рассматривал полученные преобразования лишь как вспомогательный математический прием.

В 1900 году англичанин Лармор в своей книге «Эфир и материя» также приводит эти новые преобразования координат. Он доказал даже инвариантность уравнений Максвелла относительно полученных им независимо от Лоренца преобразований, правда, для простейшего случая — при отсутствии электрических зарядов и токов. В отличие от своего голландского коллеги английский ученый более определенно высказался о реальном физическом смысле новых преобразований. Он пишет, например, о замедлении времени, связывая его с ходом электромагнитных процессов в движущейся через эфир системе. Лармор получил также точную формулу для изменения длины волны света, обусловленного движением системы в эфире (эффект Доплера). Им же впервые была получена релятивистская формула сложения скоростей, которую он вывел для объяснения опыта Физо.

Таким образом, в самом конце XIX века были уже найдены новые преобразования пространственно-временных координат, составляющие основу будущей физической теории — теории относительности. Были получены также самые необычные следствия этой теории о сокращении длин отрезков и расширении временных интервалов. В работах Лоренца и Лармора контуры новой теории, связанной с революционным преобразованием всей физики, проступали весьма отчетливо. Но на их работы не было обращено должного внимания даже теми учеными, которые интересовались проблемами электродинамики движущихся тел. Да и сами авторы не придавали полученным ими результатам особого значения и не делали категорических выводов о преодолении кризиса в физике. К тому же ограниченное применение новых пространственно-временных преобразований лишь для уравнений электродинамики не обеспечивало еще всеобщности принципа относительности. Например, неинвариантными относительно новых преобразований оставались законы механики. Поэтому-то в своем докладе на конгрессе в Сент-Луисе Пуанкаре специально подчеркивал, что может потребоваться совершенно новая механика быстрых движений. В этом состояло глубокое понимание французским теоретиком того факта, что проблема электродинамики движущихся тел затрагивает общие свойства физических процессов и требует пересмотра основ другой науки — механики. Приведение в согласие различных разделов физики всегда рассматривалось Пуанкаре как важнейшее требование, вытекающее из единства физического мира. Теперь же приведение механики в соответствие с электродинамикой выдвигалось на очередь дня в качестве основного условия решения проблемы, связанной с невозможностью обнаружить абсолютное движение.

После возвращения из Америки Пуанкаре вновь обратился к последней работе Лоренца, опубликованной в мае 1904 года. Уж сколько раз приходилось ему подмечать в чужих статьях то, что оставалось скрытым даже от самого автора. Но здесь авторская идея выражена достаточно явно. Лоренц предлагает найденный им для электронов закон неограниченного возрастания массы при приближении их скорости к скорости света распространить на любые механические объекты. Аналогичное обобщение предлагалось для преобразования сил из одной системы координат в другую. Правда, идеи эти не были развиты до общих уравнений новой механики, и даже высказаны они были как бы мимоходом. Но у Пуанкаре нет и тени сомнения в том, что статья Лоренца представляет собой смелое посягательство на незыблемые основы классической механики. Он усмотрел в ней четкую формулировку новых начал необычной механики сверхвысоких скоростей.

После Ньютона великие механики и математики лишь совершенствовали созданный им теоретический аппарат. Никто не смел посягнуть на ньютоновские начала механики. И вот теперь голландским физиком Лоренцем выдвинуты совершенно другие исходные положения, из которых следует, что при больших скоростях движения, соизмеримых со скоростью света, механические объекты движутся совсем не так, как предписывалось законами Ньютона. Это обстоятельство, по мнению Пуанкаре, заполняло последний пробел в логике лоренцевского подхода. Он вдруг ясно увидел безупречность и завершенность предложенного пути решения всей проблемы. Найдя конкретное указание на необходимое изменение механики, Пуанкаре смог теперь соединить в единую стройную систему разрозненный и непоследовательно изложенный материал последней статьи Лоренца. В приведении механики в соответствие с теорией движения электронов он увидел окончательное доказательство невозможности наблюдения абсолютного движения. В этом понимании сути содержащегося в работе Лоренца полного решения проблемы электродинамики движущихся тел Пуанкаре далеко превзошел и самого автора, и всех других физиков своего времени.

Пуанкаре неоднократно высказывал мнение о том, что электродинамика Лоренца ближе всех других теорий подошла к тому, чтобы строго удовлетворить принципу относительности. Однако ему казалось, что для полного согласования теории с этим принципом придется прибегнуть к общим изменениям и механики Ньютона, и электродинамики Максвелла — Лоренца. Но теперь из последней работы Лоренца ясно следовало, что только за счет соответствующего изменения механики можно достигнуть точного выполнения принципа. Это был совершенно неожиданный выход из создавшейся кризисной ситуации. При этом переворачивались вверх дном все до сих пор сложившиеся представления о путях развития научной теории.

Впервые предлагалось совершить целый переворот в теории, который не был продиктован прямыми экспериментальными исследованиями именно в этой области физики. Противоречие между теорией и опытными фактами наблюдалось в электродинамике, а устранялось оно преобразованием механики, в которой отсутствовали какие-либо экспериментальные указания на неточность теории. Электродинамика стала тем камертоном, с помощью которого обнаружились фальшивые ноты в механической теории, которых «не слышали» сами механики. Но, будь их опыты много точнее, а изучаемые ими скорости движения много выше, они обнаружили бы отступление от механики Ньютона даже при столкновении бильярдных шаров.

Как это не раз уже случалось с Пуанкаре и раньше, увиденная им в чужой статье потенциальная сила идей и грандиозность задач заворожили его творческий дух. Он тут же подключается непосредственно к разработке новой физической теории.

Глубокое теоретическое построение

Как и обычно, первое сообщение о проведенном исследовании Пуанкаре сделал перед своими коллегами по академии. Оно было опубликовано в «Comptes rendus» от 5 июня 1905 года под названием «О динамике электрона». В статье прежде всего отмечалось, что последняя работа Лоренца решила проблему невозможности обнаружить движение по отношению к эфиру. Собственные же результаты были охарактеризованы автором в весьма скромных тонах, как некоторое дополнение и видоизменение исследований Лоренца.

Чрезмерная сдержанность и умеренность в оценке плодов своего труда всегда были свойственны Пуанкаре, начиная с первых его работ по фуксовым функциям. В этом же случае они оборачивались явной недооценкой собственного вклада в развитие новой физической теории. Между тем даже из предварительного краткого изложения итогов его работы, помещенного в «Comptes rendus», можно было понять, что речь идет о совершенно новых, принципиально важных результатах. К ним относился вывод о том, что преобразования, связывающие пространственно-временные координаты двух систем отсчета, должны образовывать математическую группу и что полученное Лоренцем преобразование удовлетворяет этому обязательному условию. К фундаментальным результатам относилась также впервые высказанная идея о необходимости привести теорию тяготения в соответствие с преобразованиями Лоренца. Как и неоднократно раньше, Пуанкаре тут же дополняет выдвинутую им идею конкретными шагами по ее практическому претворению. В статье сообщается о первом воплощении этой грандиозной и дерзновенной программы пересмотра научной теории, считавшейся незыблемой со времени ее утверждения великим Ньютоном.

Примерно через полтора месяца в печать была направлена обширная статья под тем же названием «О динамике электрона», содержавшая подробное изложение всех полученных Пуанкаре результатов. Вводную часть этого мемуара, опубликованного в известном итальянском журнале «Отчеты математического кружка Палермо», автор начинает с перечисления отрицательных результатов всех основных опытов, в которых пытались обнаружить движение Земли относительно эфира. «Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет, по-видимому, общий закон природы, — заключает он далее. — Мы, естественно, приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и принять без оговорок. Все равно будет ли позднее этот постулат, до сих пор согласующийся с опытом, подтвержден или опровергнут более точными измерениями, сейчас, во всяком случае, представляется интересным посмотреть, какие следствия могут быть из него выведены».

Вновь отмечая, что в последней работе Лоренца достигнуто полное соответствие между разработанной им теорией и принципом относительности, Пуанкаре пишет, что важность вопроса побудила и его заняться им. «Результаты, полученные мною, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц. Я стремился только дополнить и видоизменить их в некоторых деталях. Некоторые имеющиеся расхождения, как мы увидим дальше, не играют существенной роли».

Последнее замечание о некоторых расхождениях, не играющих «существенной роли», относилось к исправлению использованных Лоренцем соотношений для преобразования из одной системы координат в другую электрического заряда и тока. Но именно эти выправленные соотношения позволили Пуанкаре доказать в самом общем случае, что уравнения электромагнитного поля не изменяются при введенных преобразованиях, которые он предложил называть «преобразованиями Лоренца». «Эти уравнения, — писал он, — можно подвергнуть замечательному преобразованию, найденному Лоренцем, которое объясняет, почему никакой опыт не в состоянии обнаружить абсолютное движение Земли». Неизменность, инвариантность уравнений электродинамики относительно новых преобразований становятся в работе Пуанкаре прямым следствием принципа относительности. И это новое понимание выступает у него единым подходом ко всем областям физических явлений. «Все силы, какого бы они ни были происхождения, ведут себя благодаря преобразованию Лоренца… точно так же, как электромагнитные силы».

Требование инвариантности всех законов физики относительно преобразований Лоренца являлось новой, более строгой в математическом отношении формулировкой универсального принципа относительности. Но свое замечательное достижение Пуанкаре приписывает Лоренцу. На самом же деле утверждение Лоренца об инвариантности уравнений электродинамики относительно найденных новых преобразований координат не связывалось им непосредственно с невозможностью наблюдать движение относительно эфира. Все его усилия были направлены на то, чтобы, сохраняя принятые уравнения электродинамики, доказать ненаблюдаемость эффектов, связанных с нарушением инвариантности этих уравнений относительно старых преобразований Галилея. Этот путь и привел его к осознанию необходимости соответствующих изменений в механике, что на деле означало предположить такую же неинвариантность для ее уравнений. Глубокое понимание всей проблемы позволило Пуанкаре увидеть в этом предложении фактический отказ от принципа относительности Галилея в пользу новой формы того же принципа, распространенного уже на все физические явления. Видимо, сам Пуанкаре считал не столь уж существенным переход к принятой им формулировке принципа относительности через преобразования Лоренца.

Название статьи Пуанкаре ни в коей мере не отвечало ее содержанию. Детальное рассмотрение законов динамики электрона понадобилось автору лишь для того, чтобы обобщить их согласно принципу относительности на все физические взаимодействия. Наиболее кардинальным выглядело изменение законов тяготения, которое Пуанкаре представлял естественным следствием принятого во всей общности постулата относительности, как полного отрицания всякой возможности наблюдать эфир. В то же время он оставлял место этой гипотетической среде для объяснения того, что «распространение сил тяготения происходит не мгновенно, но со скоростью света» и что «в законе тяготения и электромагнитных законах мы нашли бы общую постоянную — скорость света».

Перестройка теории тяготения в соответствии с принципом относительности имела особое значение как начало становления новой, так называемой релятивистской теории гравитации. Для решения этой проблемы Пуанкаре пришлось использовать разработанный им математический аппарат новой физической теории, получившей впоследствии название специальной теории относительности.

Именно в изложении Пуанкаре эта теория обрела строгую математическую форму. Он первым ввел в нее четырехмерное представление, добавив к трем пространственным координатам четвертую — собственное время системы отсчета, умноженное на скорость света и мнимую единицу. Каждая точка в такой необычной геометрии изображала мгновенное событие, происходящее в определенном пункте пространства и в определенный момент времени. Этот формализм четырехмерной геометрии позволил Пуанкаре установить абсолютные величины новой теории, которым соответствовали инвариантные соотношения, остающиеся неизменными при всех преобразованиях от одной системы отсчета к другой. Наглядный геометрический смысл был установлен, например, для одного из важнейших инвариантов теории, который изображался четырехмерным интервалом, то есть расстоянием в четырехмерном мире между двумя его точками. Эта величина оказалась не зависящей от выбора системы координат. Сами же преобразования Лоренца удобно представлялись простым поворотом осей координат в четырехмерном пространстве.

Пуанкаре первым заметил, что любые преобразования, связывающие пространственно-временные координаты инерциальных систем отсчета, должны образовывать группу. В противном случае эти преобразования приводили бы к несамосогласующимся, неоднозначным результатам. До него это обстоятельство не было уяснено, и в физике обсуждались порой преобразования, не удовлетворяющие столь очевидному теперь требованию. Преобразования Лоренца, как показал Пуанкаре, соответствовали этому обязательному условию.

Восхождение

Здоровье не позволяло Пуанкаре быть альпинистом, но его всегда манили к себе величественные и недоступные горные вершины. Даже труд ученого он сравнивает порой с восхождением. «Нужно подниматься все выше и выше, чтобы видеть все дальше, и не слишком задерживаться в пути, — пишет он. — Настоящий альпинист всегда рассматривает вершину, на которую он только что взошел, как ступеньку, которая должна привести его к более высокой вершине. Нужно, чтобы ученый имел ноги горца и, главное, сердце горца. Вот тот дух, который должен его воодушевлять». Такой дух восхождения веял над Пуанкаре, когда он шел к головокружительным высотам новой физической теории.

Особое значение для научных открытий, представляющих собой неожиданные скачки и резкие повороты в развитии ученой мысли, имеет самый первый этап, этап зарождения новых идей — исходного пункта будущего теоретического построения. Однако об этом важнейшем периоде становления теории относительности принято порой говорить как о времени, когда необходимые, но не осознанные еще до конца идеи носились в воздухе, и недоставало лишь гения, который бы воспользовался ими для разработки новой физической теории. В действительности же само появление этих идей уже представляло собой решающий шаг, потребовавший коренного пересмотра основных положений классической физики. И хотя работы, содержавшие эти новаторские мысли, не были замечены и осмыслены подавляющим большинством ученых, не подготовленных еще к восприятию столь радикально новых взглядов, их влияние, несомненно, прослеживается на тех немногих исследователях, которые воспользовались изложенными там идеями, чтобы проложить путь к не покоренной еще научной вершине.

В период, когда закладывались исходные идеи теории относительности, наибольший вклад, несомненно, внес Пуанкаре.49 Он выдвинул принцип относительности как обобщение опытных данных и высказал убеждение, что именно электромагнитную теорию Лоренца необходимо согласовать с этим принципом, чтобы получить окончательное решение проблемы. Пуанкаре показал условность понятия одновременности, центрального понятия теории относительности, и предложил определение этой величины на основе постулата о постоянстве скорости света. Он дал также правильную физическую интерпретацию «местного» времени Лоренца.

Таким образом, Пуанкаре оказал самое непосредственное влияние на развитие теоретической мысли в период поиска выхода из кризисной ситуации в классической физике, выдвинув исходные идеи и принципы будущей теории относительности. Он как бы начертал маршрут предстоящего восхождения к научной вершине. Но вместе с тем он был и среди самых деятельных участников самого восхождения. Его критическое обсуждение теорий Лармора и Лоренца и его замечание о недостаточности гипотезы сокращения длин тел для полного решения проблемы — все это и было участием в передовой группе штурмующих вершину. Лармор остановился под самой вершиной, перед самым трудным участком восхождения, когда оставалось сделать фундаментальное обобщение: распространить на механику и всю физику новые результаты, полученные им для электромагнитных явлений. Пуанкаре, уже сделавший этот главный шаг, ведущий прямо к цели, обнаруживает, что его коллега по восхождению Лоренц, вступив на этот путь раньше, уже достиг вершины. Поэтому свое фундаментальное теоретическое исследование 1905 года он считал не первооткрытием, а лишь развитием работы Лоренца 1904 года.

Сам же Лоренц отмечал, что разработка теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, была предпринята им под влиянием критики его прежних работ со стороны Пуанкаре. Но влияние взглядов Пуанкаре сказалось только на выборе Лоренцем конечной цели: «С помощью определенных основных допущений показать, что электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы».

Работа Лоренца не представляла собой единого логического построения на основе минимального числа исходных принципов. Она состояла из двух последовательных частей, каждая со своими исходными допущениями. Это электродинамика в движущейся системе и физическое обоснование сокращения размеров движущихся тел, основанное на полученных в первой части результатах. Конечно, постановка задачи построения электромагнитной теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, уже заключала в себе самый трудный для Лоренца шаг, состоящий в отказе от надежд обнаружить абсолютное движение. Однако идее существования светоносного эфира Лоренц не изменяет.

На предварительном этапе исследований по электродинамике движущихся тел это не служило для него препятствием. Более того, отказ от гипотезы эфира, как это ни парадоксально, мог тогда помешать выходу физики из критической ситуации на единственно правильный путь решения всей проблемы. Дело в том, что в период кризиса, вызванного «отрицательным» результатом опыта Майкельсона — Морли, не только не были еще известны экспериментальные данные о независимости скорости света от движения источника, но отсутствовали и какие-либо теоретические доводы для принятия этого положения. Поэтому первые шаги в правильном направлении могли сделать только ученые, продолжавшие отстаивать гипотезу неподвижного эфира, в котором независимо от движения каких бы то ни было систем с одной и той же скоростью распространяется световая волна. Как бы на плечах этой ложной гипотезы в науку вошло утверждение, ставшее затем одним из исходных постулатов в теории относительности.50

Но на этапе оформления новой физической теории идея эфира сыграла явно отрицательную роль. Она помешала ее сторонникам занять правильную позицию в понимании новых физических закономерностей. Такова диалектически противоречивая роль гипотезы эфира в становлении теории относительности. Подобно строительным лесам, эту гипотезу следовало отбросить после завершения новой теории. Лоренц же продолжал оставаться в плену старого представления о необходимости привлечь свойства эфира для объяснения наблюдаемых эффектов. Это помешало ему установить истинный смысл полученных теоретических результатов и прийти к полному завершению начатого им своего особого пути построения теории относительности. Пытаясь обосновать принципиальную ненаблюдаемость эффектов, связанных с нарушением инвариантности законов физики относительно преобразований Галилея, он пришел к теории, удовлетворяющей принципу относительности. Но сам автор вовсе не осознал масштабов вершины, на которую он поднялся, не понял подлинного смысла своего открытия. Например, ему было неясно, что им открыт новый по своей форме принцип относительности, отличный от принципа относительности Галилея. Он не осознавал также следующей из его работы инвариантности всех законов физики (а не только уравнений электромагнитного поля) относительно найденных им новых преобразований пространственно-временных координат. Полученные Лоренцем соотношения фактически содержали в себе все проявляющиеся на опыте результаты теории относительности. Но такая расшифровка подлинного смысла работ Лоренца оказалась под силу лишь Пуанкаре.

Вслед за созданием новой научной теории неизбежно возникает проблема ее признания широким кругом ученых. Как правило, далеко не все открыватели сами осознают масштабы необходимой перестройки научных представлений и долго безуспешно пытаются понять свои новые результаты, сохраняя в значительной мере противоречившие им положения старых теорий. Основная же часть ученых остается совсем не подготовленной к восприятию и дальнейшему развитию таких открытий. Как метко заметил по этому поводу известный американский физик Дайсон, «великое открытие, когда оно только что появляется, почти наверняка возникает в запутанной, неполной и бессвязной форме. Самому открывателю оно понятно наполовину. Для всех остальных оно — полная тайна». Поэтому признание принципиально новых научных истин обычно связано с длительным периодом уяснения передовыми учеными новых понятий и постепенным освоением их более широким кругом ученых.

Дав толчок для дальнейших теоретических исследований, работа Лоренца не оказала сколько-нибудь существенного влияния на последующий процесс утверждения и признания новой теории. Иначе и быть не могло, поскольку сам новатор активно не признавал новаторское начало в своих исследованиях. Но и работе Пуанкаре не удалось решить эту проблему. Слишком краткими были объяснения, содержащиеся в обеих его публикациях. Верный своему стилю написания научных работ, Пуанкаре не повторял прежних своих разъяснений смысла «местного» времени и одновременности, их связи с постулатом о постоянстве скорости света. Между его теоретическим исследованием и работой Лоренца образовался трудный для понимания пробел. Это обстоятельство, а также публикация его подробной статьи в математическом журнале, мало читаемом физиками, в значительной мере объясняют, почему фундаментальное исследование Пуанкаре не оказало заметного влияния на взгляды широких кругов ученых в период осознания уже сложившейся теории относительности.51 Признание этой теории было завоевано работой двадцатишестилетнего автора, еще не принадлежавшего тогда к научным кругам и не числившегося в группе штурмующих проблему абсолютного движения. Он подошел к вершине тем маршрутом, который несколько лет назад разработал Пуанкаре, но штурм самой вершины повел самостоятельно и достиг цели практически одновременно с Пуанкаре.

Открытие сотрудника патентного бюро

В 1905 году в сентябрьском номере немецкого журнала «Анналы физики» появилась статья, написанная никому не известным тогда автором, молодым экспертом швейцарского патентного бюро в Берне Альбертом Эйнштейном. В статье излагалась теория относительности, решавшая проблему электродинамики движущихся тел.

Название работы — «К электродинамике движущегося тела» — как будто бы не предвещало законченного рассмотрения поставленной задачи. Но уже из краткого введения ясна была претензия автора на полное устранение основной трудности классической физики. Обладая рядом бесспорных преимуществ в изложении трудных для понимания, необычных сторон новой физической теории, статья оказала решающее влияние на распространение и утверждение идей теории относительности.

Статья Эйнштейна поступила в редакцию журнала 30 июня 1905 года, то есть уже после того, как было опубликовано в «Comptes rendus» краткое сообщение Пуанкаре, но опережала его более подробную статью, полученную редакцией итальянского журнала 23 июля того же года и вышедшую в свет в январе 1906 года. Изложение велось молодым автором в довольно необычной для научных публикаций манере, без указаний идей и результатов, заимствованных из других исследований, без сопоставления полученных выводов с итогами более ранних попыток решения той же проблемы. Статья не содержала буквально ни одной литературной ссылки. При чтении ее создавалось впечатление о полной оригинальности как постановки, так и решения задачи, о первооткрытии всех изложенных там результатов.

Что касается постановки задачи о теории, удовлетворяющей принципу относительности, то она, конечно же, совпадала во всех трех работах разных авторов: Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна. Разница состояла лишь в том, что Лоренц указывает источник такой постановки — одно из ранних выступлений Пуанкаре по этому вопросу, а Эйнштейн дает обоснование принципа относительности без всякой ссылки на первоисточник. Всего несколько слов сказал он об экспериментальном обосновании этого принципа, не обсуждая конкретных опытов и даже не упоминая решающий эксперимент Майкельсона — Морли. Эта краткость вполне естественна, если признать, что он считал принцип относительности уже всесторонне обсужденным в научной литературе. И действительно, у этой фундаментальной идеи был вполне конкретный автор — Анри Пуанкаре. Ему пришлось неоднократно высказывать и с энтузиазмом отстаивать ее, поскольку она противоречила глубоко укоренившимся убеждениям о существовании светоносного эфира. Удивительная проницательность Эйнштейна как раз в том и состояла, что он одним из немногих воспринял и осознал значение этой идеи.

Заслуга Эйнштейна состояла также и в том, что он использовал идею принципа относительности в качестве исходного положения своей теоретической системы, то есть так, как и предлагал Пуанкаре. Этим и отличался его подход от подхода Лоренца. Верный традициям старой классической школы, голландский физик не принял аксиоматический путь построения новой теории. Содержание этой теории, по его мнению, как раз и должно заключаться в доказательстве универсального принципа относительности, который является ее конечной целью, а не начальным пунктом.

Для построения теории Эйнштейну понадобился еще один исходный постулат: о независимости скорости света от движения источника. Эта необходимая предпосылка никак им не обосновывалась. Появление ее в исследовании Эйнштейна нелегко объяснить, поскольку ничего еще не было известно об экспериментальном наблюдении такого факта, и, следовательно, опытом она не могла быть подсказана. В электродинамике Лоренца и Лармора, а следовательно, и в теоретических построениях Пуанкаре, внимательно следившего за их работами, это положение вытекало как естественное следствие из концепции неподвижного эфира. Но Эйнштейн с самого начала отказался от всякого использования этого понятия. Поэтому появление в его работе без всякой мотивировки постулата о независимости скорости света от движения источника, находящегося к тому же в кажущемся противоречии с первым исходным принципом его теории, было явно непоследовательным шагом. Происхождение этого постулата у Эйнштейна можно было бы объяснить анализом предшествующих работ по электродинамике движущихся тел. Но в его статье нет никаких указаний на этот счет. Только позднее Эйнштейн признался в том, что принцип постоянства скорости света был подсказан ему теориями, основывающимися на гипотезе неподвижного эфира. Так, в работе 1912 года он писал: «Чтобы восполнить этот пробел, я ввел принцип постоянства скорости света, заимствованный из теории покоящегося эфира…»

Отличительной особенностью работы Эйнштейна была четкая постановка вопроса о решении проблемы электродинамики движущихся тел за счет пересмотра понятий, связанных с пространственно-временными соотношениями. Центральное место в его статье отводилось определению одновременности разноместных событий. Отмечалось, что физическое описание движения подразумевает всегда использование времени в различных точках пространства, а это возможно только в том случае, если установлено временное соответствие между событиями в этих точках и выяснено, какие из этих событий являются одновременными. Затем автор приводит определение одновременности показаний двух часов, пользуясь мысленным экспериментом по синхронизации их с помощью светового сигнала и принимая при этом допущение о равенстве времен, затрачиваемых светом на прохождение расстояния между часами в прямом и обратном направлениях.

Сама постановка вопроса об одновременности и определение этого понятия на основе постоянства скорости света — все это совпадало с объяснениями, приведенными впервые Пуанкаре еще в 1898 году в статье «Измерение времени». А мысленное оперирование вместо времени более конкретным понятием — часами, синхронизация которых производится световым сигналом, — это уже были детали, характерные исключительно для того истолкования «местного» времени Лоренца, которое было дано Пуанкаре в работе 1900 года и повторено затем на конгрессе в Сент-Луисе. Но в статье Эйнштейна изложение этих пунктов непосредственно предшествовало рассмотрению электродинамики движущегося тела, что значительно облегчало усвоение всей теории. Вот почему работа молодого ученого обратила на себя внимание и в дальнейшем способствовала усвоению идей теории относительности в большей мере, чем труды его знаменитых предшественников.

Вместе с тем статья Эйнштейна, так же как и работа Пуанкаре (если не учитывать представленный в ней первый вариант релятивистской теории тяготения), развивала теорию, строго удовлетворяющую принципу относительности, все соотношения которой уже были получены ранее в трудах Лоренца и Лармора. Новой физической теорией принято считать такое теоретическое построение, которое предсказывает неизвестные ранее, проверяемые на опыте соотношения. Таким образом, статья Эйнштейна излагала новый вариант построения и объяснения уже известной, но далеко еще не осознанной физической теории. И это было не только более простое изложение и более доступное объяснение, статья вскрывала весьма важный аспект понимания теории, который был явно упущен предшественниками.

Устранение эфира из теоретической картины освобождало автора от допущенной в работах Лармора и Лоренца непоследовательности: эфир они привлекали только для того, чтобы с его же помощью объяснить невозможность его наблюдения. Эйнштейн использовал также условное разделение систем отсчета на покоящуюся и движущуюся, которое, вообще говоря, не отвечало самому духу теории относительности, признающей лишь взаимное движение систем отсчета. Но Эйнштейн не связывал систему, названную им покоящейся, с эфиром. Поэтому в его подходе не могло даже возникнуть искушение объяснять движением через эфир полученные для движущейся системы необычные результаты — сокращение длин твердых тел и увеличение длительности временных интервалов. Эти эффекты представлялись результатом сопоставления соответствующих эталонов длительности и протяженности двух различных систем отсчета, находящихся в относительном движении.

Самое же существенное отличие работы Эйнштейна от предыдущих состояло в понимании того факта, что те же самые релятивистские эффекты возникают и для «покоящейся» системы, если, в свою очередь, ее сопоставлять с движущейся системой. Об этом в статье была сказана всего одна фраза: «Ясно, что те же результаты получаются для тел, которые находятся в покое в „покоящейся“ системе и которые рассматриваются из равномерно движущейся системы». Но именно эта фраза характеризовала другой уровень понимания открытых ранее эффектов теории относительности.

Обратимость релятивистских эффектов, их симметрия по отношению к двум рассматриваемым инерциальным системам отсчета, непосредственно следовала из преобразований Лоренца. Чтобы установить этот факт, достаточно было выразить координаты «покоящейся» системы через координаты «движущейся» системы. Такое обратное преобразование сразу делало излишним объяснение релятивистских эффектов движением тел относительно эфира. Действительно, после обратного преобразования требовалось бы уже объяснить сокращение длины тела в системе, покоящейся относительно эфира. Но этот шаг не был сделан ни Лоренцем, ни Лармором, и поэтому в их работах оставалась иллюзия эфирной природы релятивистских эффектов.

Вопрос, связанный с обратными преобразованиями, в основной работе Пуанкаре получил лишь формальное освещение. Отмеченные им групповые свойства преобразований Лоренца включали и условие обратимости всех результатов. Кроме того, при выводе самих преобразований Лоренца он непосредственно использовал сопоставление с обратным преобразованием. Однако Пуанкаре ни одним словом не пояснил, что из этого свойства группы Лоренца вытекает обратимость всех необычных свойств новых пространственно-временных соотношений. В своем теоретическом трактате он обошел этот вопрос молчанием, хотя его более ранние работы содержали все необходимые данные, чтобы прийти к такому выводу.



Вклад немецких ученых

На статью Эйнштейна сразу же обратил внимание редактор журнала «Анналы физики», выдающийся теоретик, профессор Берлинского университета Макс Планк. Работа Эйнштейна вызвала у него самый непосредственный интерес возможностью провести «такое грандиозное упрощение всех проблем электродинамики движущихся тел, что вопрос о допустимости принципа относительности должен ставиться в первую очередь в любой теоретической работе, посвященной этой области». Вместе с тем, не найдя в работе Эйнштейна того обобщения уравнений механики, которое требовалось новым принципом относительности, он сам приступил к решению этой задачи. Свои результаты Планк доложил 23 марта 1906 года на заседании Немецкого физического общества. Отметив, что «принцип относительности, предложенный недавно Лоренцем и в более общей формулировке Эйнштейном», требует пересмотра законов механики, он привел вывод новых уравнений движения. Эта работа завершала создание релятивистской механики.

Особенно благоприятная ситуация для признания новых идей теории относительности сложилась в Геттингене. Прославленный ранее трудами великого Гаусса, этот университетский город благодаря усилиям главенствовавшего там Феликса Клейна превратился в крупнейший математический центр. С 1894 года в Геттингенском университете работает выдающийся математик Давид Гильберт, а с 1902 года — его ближайший друг Герман Минковский, известный своими исследованиями по теории чисел и по геометрии.

В 1905 году в Геттингене под руководством Гильберта и Минковского действовал постоянный семинар по проблемам электродинамики движущихся тел. Инициатива посвятить семинар этой теме исходила от Минковского. Его тяга к физическим проблемам была не случайна. Работая в Бонне, под влиянием Г. Герца он начал, по его словам, свое «плавание в физических водах». Изучая новейшие проблемы физической науки, Минковский выделил электродинамику как наиболее интересную для математиков. В связи с работой Лоренца он уже намечал провести исследование новых пространственно-временных преобразований, когда его внимание обратили на статью неизвестного автора, появившуюся в «Анналах физики». К удивлению многих, Минковский проявил осведомленность о личности автора. Вспомнив своего студента в Цюрихском политехникуме, он поразил собравшихся на семинаре своей репликой: «Ах, этот Эйнштейн, всегда пропускавший лекции; я бы никогда не поверил, что он способен на такое!» То новое воззрение на пространство и время, которое было сформулировано в работе Эйнштейна, требовало, по мнению Минковского, существенной доработки в смысле математического оформления. Своим студентам он говорил: «Эйнштейн излагает свою глубокую теорию с математической точки зрения неуклюже — я имею право так говорить, поскольку свое математическое образование он получал в Цюрихе у меня». Разработка математической стороны новой теории и углубление понимания единого пространственно-временного описания физических явлений стали главной темой его исследований начиная с 1906 года.

В 1907 году Минковский выступил в Геттингене с докладом «Принцип относительности». В следующем году он опубликовал на эту тему обширный трактат, в котором наиболее полно развил уравнения электродинамики движущихся тел. Вводная часть этого труда была озаглавлена «Теория Лоренца; теорема, постулат, принцип относительности». Теоремой относительности автор назвал неизменность уравнений Максвелла при преобразовании пространства и времени по Лоренцу. Постулатом относительности он назвал применение той же теоремы для неизвестных еще законов физики. Далее Минковский отметил, что «Г. А. Лоренц нашел теорему относительности и создал постулат относительности как гипотезу…» и что «наиболее четко Эйнштейн выразил мысль о том, что этот постулат не искусственная гипотеза, а скорее возникшее из явлений определенно новое понимание времени». Принцип же относительности, по его мнению, ранее не был сформулирован, и его смысл связан с неизменностью законов физических явлений в четырехмерном мире пространство — время.

В получившем широкую известность докладе «Пространство и время», прочитанном осенью 1908 года в Кёльне, Минковский предложил даже другое название для принципа относительности. «Мне хотелось бы, — заявил он, — этому утверждению скорее дать название „постулат абсолютного мира“ (или, коротко, мировой постулат)». В том же докладе он снова отметил, что установление равноправности времен инерциальных систем «явилось заслугой лишь Эйнштейна», ни словом не упомянув, что еще в 1900 году Пуанкаре объяснил это в статье «Теория Лоренца и принцип равенства действия и противодействия».

Претензия Минковского на более общую формулировку принципа относительности имела определенное основание, если учитывать только работы Лоренца и Эйнштейна. В 1905 году Эйнштейн привлекал новые представления о пространстве и времени лишь для объяснения принципа относительности в электродинамике, и в этом сказывалось его отставание от развитого Пуанкаре глубокого понимания физической сущности происшедшего в науке переворота. Эйнштейн тогда не ставил прямо вопрос о том, что все разделы физики подлежат перестройке и согласованию с преобразованиями Лоренца. Отстаивая новые представления о времени и пространстве, он не связывал их с новой формой всеобщего принципа относительности. В такой плоскости вопрос был поставлен только Пуанкаре и Минковским, причем первый распространил требование принципа относительности даже на теорию тяготения.

Вопрос об изменении механики при больших скоростях движения был затронут Эйнштейном лишь в связи с обсуждаемой им возможностью превратить любое тело в электрически заряженное и тем самым подчинить его движение законам электродинамики. Такая постановка вопроса была менее общей даже по сравнению со взглядами Лоренца.52 Минковский существенно дополнил результаты Лоренца и Эйнштейна, но его работа в значительной мере перекрывалась ранее опубликованной статьей Пуанкаре. В исследовании инвариантов новой теории работа Пуанкаре превосходила даже более поздние выступления Минковского.

В который уж раз французский математик опережал математических светил Геттингена. Это давнее соперничество, результаты которого складывались, как правило, не в пользу немецких математиков, порождало у них определенное раздражение. Оно могло служить одной из причин того, что Минковский ни в одной из своих статей не отметил выдающихся результатов Пуанкаре в развитии математического аппарата теории относительности. Он сослался на основную работу Пуанкаре лишь в связи с его предложением назвать новые преобразования пространства и времени именем Лоренца. Но Минковский ни словом не упомянул предложенную в этой же статье идею четырехмерного представления новой теории.

Правда, в своем первом докладе Минковский упоминает Пуанкаре в связи с разработкой принципа относительности: «Заслуга разработки принципа принадлежит Эйнштейну, Пуанкаре и Планку». Но по поводу использованной им симметрии пространства и времени он весьма уклончиво заявил: «Эту симметрию я с самого начала введу здесь в изложение, что не сделано ни одним из авторов, даже Пуанкаре». Заявление это допускало двойное толкование.

Для незнакомых со статьей Пуанкаре оно звучало как утверждение того, что пространственно-временная симметрия не рассматривалась другими авторами, в том числе и Пуанкаре. И только тем немногим ученым, кому была известна работа Пуанкаре, открывался подлинный смысл этого высказывания: хотя в отличие от других авторов Пуанкаре и пришел к установлению симметрии пространства и времени, но он не вводил ее «с самого начала» в изложение всей проблемы. Действительно, Пуанкаре, излагая электродинамику, не прибегал к четырехмерному формализму, весь арсенал которого он применил при решении новой физической задачи пересмотра теории тяготения в плане согласования ее с принципом относительности. Но это было первое теоретико-инвариантное изложение теории относительности, на два года опередившее построение Минковского. Заслугой же Минковского следует считать не открытие четырехмерного представления теории относительности, а лишь акцентирование внимания на важности этого представления для выражения сущности новой физической теории.

Основной исходный тезис Минковского состоял в утверждении, что физическая реальность предстает перед нами не иначе как в пространстве и во времени, взятых вместе. Поэтому только совместное рассмотрение этих проявлений реальности позволяет, по его мнению, выявить сущность физических закономерностей.53 Главное внимание он уделил инвариантам группы преобразований в четырехмерном мире. Этот подход вносил в физику новое понимание необходимости синтеза пространственных и временных представлений. При этом возрастала роль математики в установлении сущности связи, возникающей между пространственными и временными характеристиками физических явлений. Подобно тому, как в свое время инвариантно-групповой метод Ф. Клейна позволил с единой точки зрения объяснить разнообразие геометрий как теорий инвариантов, соответствующих групп преобразований, так и распространение этого подхода на четырехмерный физический мир позволяло развить единый взгляд на физические теории как теории инвариантов различных групп движений. Проведенная Минковским перестройка теории относительности в «мировую геометрию» вынудила Эйнштейна к довольно красноречивому признанию: «С тех пор как за теорию относительности принялись математики, я ее уже сам больше не понимаю».

Работы Планка и Минковского сыграли весьма значительную роль в утверждении идей теории относительности. Начиная с 1907 года происходит непрерывный рост числа публикуемых работ по развитию этой теории. На основе релятивистского правила сложения скоростей немецкий физик Макс Лауэ, ассистент профессора Планка, получает френелевскую формулу, описывающую увлечение света движущейся средой.54 Проблема релятивистского сжатия электрона обсуждается Паулем Эренфестом, работавшим тогда в Петербурге. Поль Ланжевен пишет статью о релятивистском замедлении времени. Ряд статей по теории относительности публикует профессор Мюнхенского университета Арнольд Зоммерфельд.

В те же годы продолжает свои публикации по этим вопросам Эйнштейн. В его статьях 1906 и 1907 годов появляются ссылки и на работу Лоренца 1904 года. Причем он явно признает, что его исследования относятся именно к той физической теории, которая впервые была сформулирована Лоренцем. Так, в краткой статье 1906 года он говорит о необходимости измерить отношение между продольной и поперечной массами электрона, чтобы подтвердить предсказание «по теории Лоренца и Эйнштейна». В следующем году в большой статье «О принципе относительности и его следствиях» автор отмечает, что при изложении кинематических основ теории он «следовал работам Лоренца и своей». Однако во всех последующих работах начиная с 1908 года Эйнштейн уже избегает каких бы то ни было ссылок на работу Лоренца 1904 года. Например, в 1910 году он вновь пишет большую статью о принципе относительности, в которой еще подробнее, чем в работе 1907 года, описывает предысторию создания, теории. Но теперь он уже вообще не ссылается на основную работу Лоренца. Он лишь принял поддержанное Минковским предложение называть именем Лоренца новые преобразования пространственно-временных координат. Так весьма определенно реагировал Эйнштейн на появившуюся тогда тенденцию связывать новую физическую теорию только с его именем. Что же касается развития математического аппарата теории относительности, то эти достижения Эйнштейн целиком приписывал Минковскому, игнорируя более раннее исследование Пуанкаре.

Сам Пуанкаре после 1905 года больше не возвращался к развитию новой механики больших скоростей. Для его научного творчества вообще характерна быстрая и безболезненная смена тем и интересов. Мысль его, устремленная к новым свершениям, торопится перешагнуть через вчерашние свои завоевания. Ему не только некогда наслаждаться заслуженным успехом, некогда даже до конца разработать уже начатую тему и извлечь из нее все выводы и следствия. Он идет в науке вперед с жадностью и ненасытностью завоевателя. Таким и представляет его французский математик Эмиль Борель: «Он больше завоеватель, чем колонизатор; он продвигает свои смелые передовые подразделения в неисследованные районы, оставляя другим заботу организовывать его завоевания; он уходит в другие районы, где его присутствие необходимо». Побуждая свою мысль быстрее следовать дальше, Пуанкаре оставляет тем, кто идет следом за ним, дальнейшую разработку и методичную эксплуатацию своих открытий. В глубоком тылу они смогут более тщательно обрабатывать и возделывать отвоеванную им у небытия землю, собирая весь урожай, весь до единого колоска. Пуанкаре щедро сеял то, что пожинали другие исследователи, сеял не скупясь, лишь бы двигалась вперед наука.

Пока другие обмысливают и осваивают высказанные им идеи, он уже одержим новыми, замышляет штурм новой заоблачной вершины, чтобы затем оставить и ее, устремившись к новому непокоренному пику. «Достигнув однажды вершины, он никогда уже туда не возвращался, — пишет Гастон Дарбу о методе работы Пуанкаре. — Он довольствовался тем, что разрушал препятствия и оставлял другим заботу прокладывать королевские дороги, которые должны более легко вести к цели». Его призвание — это вдохновлять других видением будущего.







1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   30


©netref.ru 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет