Файл: Кузнецов, Б. Г. Этюды об Эйнштейне.pdf

ских моделей эфира подготовила отказ от представ­ ления о ньютоновой механике как об основе физики. Действительно, эфир как механическая система — неподвижное тело, в котором распространяются уп­ ругие напряжения, —■ весьма естественным образом получает титул универсального тела отсчета и заме­ няет пустое абсолютное пространство Ньютона, не поколебав ньютоновой механики, включая классиче­ ское правило сложения скоростей. Предпосылкой отказа от признания всеобщности и точности этого правила и ньютоновой механики в целом было круше­ ние механических концепций эфира. Когда последняя механическая функция эфира — роль универсального тела отсчета — была у него отобрана, теория поля эмансипировалась от ньютоновой механики. При этом эфир вообще исчез из научной картины мира — указанная функция, гарантировавшая связь теории электромагнитного поля с ньютоновой механикой, была действительно последним raison d’être концеп­ ции эфира.

Механическая концепция эфира позволяла очень близко подойти к релятивистским преобразовани­ ям — соотношениям между координатами и време­ нем, измеренными в двух системах отсчета, которые указывает теория относительности, т. е. к лэренцовым преобразованиям. Но она не позволяла прибли­ зиться к подлинному физическому смыслу этих пре­ образований. В 1887 г. Фойгт написал статью о принципе Допплера, в которой свет определяется с домаксвелловых позиций, как механические колеба­ ния в упругой среде. Рассматривая волновые урав­ нения, описывающие такие колебания, Фойгт ставит вопрос о сохранении справедливости их при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся по

34

отношению к первой. По существу это вопрос о кова­ риантности волновых уравнений относительно лоренцовых преобразований (в явной форме этого понятия

у Фойгта нет).

Преобразования, найденные Фойгтом, удовлетво­ ряют требованию ковариантности волновых уравне­ ний. Близость этих преобразований к преобразовани­ ям Лоренца отнюдь не была связана с близостью фи­ зических концепций и с каким-либо предвосхищени­ ем теории относительности. В 1887 г. Фойгт опубли­ ковал работу о распространении света в движущихся средах \ где обсуждаются результаты опыта Майкельсона, но в ней нет и речи о трансформационных свойствах волновых уравнений.

В начале нашего столетия механические концеп­ ции эфира уже были значительно подорваны разви­ тием теории Максвелла. При этом наметились две тенденции, существенные для генезиса теории отно­ сительности.

Во-первых, внимание физиков и математиков кон­ центрировалось на проблеме ковариантности урав­ нений Максвелла, и эту проблему начали связывать с результатами опыта Майкельсона.

Во-вторых, движению тел в эфире стали приписы­ вать свойства, парадоксальные с классической точки зрения, противоречащие классическому представле­ нию о движении тел, отнесенном к другим телам. Однако до Эйнштейна ковариантность уравнений Максвелла не связывали с фундаментальными свой­ ствами движения, а неизменность скорости света при переходе от одной инерциальной системы к другой считали чисто феноменологической. Что же касается

1См. V o i g t . Gott. Nachrichten, 8, 1887, S. 177.

2* 35

поведения тел, движущихся в эфире, то это поведе­ ние объясняли взаимодействием тел и эфира, рисова­ ли гипотетическую динамическую схему такого вза­ имодействия и были далеки от чисто кинетической схемы взаимного движения тел, не совпадающей с классическим правилом сложения скоростей. Речь идет о концепциях Лоренца и Пуанкаре, высказан­ ных почти одновременно с теорией Эйнштейна.

В течение 90-х годов Лоренц неоднократно выска­ зывал гипотезу продольного сокращения размеров движущихся тел. Наиболее полное и законченное из­ ложение этой гипотезы было дано Лоренцом в 1904 г. в статье «Электромагнитные явления в системе, движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света» '. Лоренц объясняет результаты опыта Майкельсона сокращением длины продольного плеча интерферометра. Соответствующее объяснение нахо­ дят результаты и других опытов, показавших посто­ янство скорости света в движущихся системах. Не­ изменность скорости света во взаимно смещающихся инерциальных системах оказывается феноменологи­ ческим результатом двух компенсирующих друг дру­ га эффектов движения интерферометра в эфире: за­ медления света относительно интерферометра и со­ кращения длины продольного плеча. Эфир как абсо­ лютное тело отсчета сохраняется, но движение, отне­ сенное к этому телу отсчета, не может быть обнару­ жено. Такой чисто феноменологический релятивизм открывает дорогу математической разработке поня­ тий, выражающих относительность движения. В этом

ности». М.— Л., 1935. стр. 16—48.

36

направлении Пуанкаре продвинулся очень далеко.

Присланная в июле 1905 г. в Rendicontl del Circolo dl Palermo статья Пуанкаре «О динамике электро­ на» 1 содержит разработанную концепцию инвариан­ тов четырехмерных координатных преобразований. Эта концепция опередила в некоторых отношениях не только математический аппарат статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», посланной в Annalen der Physik за три недели до того, как Пуанкаре послал свою статью в Rendicontl. Она опе­ редила кое в чем даже работу Минковского. Но по собственно физическим представлениям Пуанкаре ушел недалеко от позиции Лоренца. Он сохранил эфир как абсолютное тело отсчета и рассматривал продольное сокращение масштабов как динамиче­ ский эффект, как результат взаимодействия движу­ щегося электрона с эфиром, вызывающего сокраще­ ние «истинных» продольных размеров покоящегося электрона.

Теория относительности Эйнштейна основана на субстанциальном понимании неизменности скорости света при переходе от одной инерциальной системы к другой. Ковариантность уравнений электродинами­ ки по отношению к преобразованиям Лоренца выра­ жает действительное отсутствие привилегированной системы отсчета и абсолютного тела отсчета — эфи­ ра. Последний не прячется от наблюдателя, а просто отсутствует. «Введение светоносного эфира,— пи­ шет Эйнштейн, — окажется при этом излишним, по­ скольку в предлагаемой теории не вводится „абсо­

37

лютно покоящееся пространство", наделенное особы­ ми свойствами, а также ни одной точке пустого

•пространства, в которой протекают электромагнит­ ные процессы, не приписывается какой-нибудь вектор скорости»

«Местное время» Лоренца получает теперь иной смысл. Каждое «местное время» равноправно с каж­ дым другим «местным временем» так же, как длина отрезка в данной системе равноправна с длиной от­ резка в иной инерциальной системе. Взаимный ха­ рактер лоренцова сокращения масштабов и ускоре­ ния времени означает, что относительность дви­ жения (пока лишь прямолинейного и равномерного) имеет объективный, субстанциальный характер.

Эйнштейн отказывается рассматривать лоренцово сокращение как динамический эффект и выводит его за пределы электродинамики в более широкую об­ ласть кинематических соотношений. Относительное движение тел и только оно одно объясняет различие пространственных масштабов и временных интерва­ лов, измеренных в системах отсчета и привязанных к движущимся телам.

Такой взгляд превращает принцип относительно­ сти из электродинамического принципа в принцип ме­ ханики. Это другая сторона распространения класси­ ческого принципа относительности Галилея — Ньюто­ на на оптические явления. Классический принцип становится универсальным, но теряет свою связь с преобразованиями Галилея; всеобщий характер те­ перь принадлежит преобразованиям, по отношению к которым ковариантны уравнения электродинамики.

1 А. Э й н ш т е й н . Собр. научных трудов, т. I. М.. «Наука», 1965, стр. 8.

38

Эйнштейн выводит их ковариантность не из специфи­ ческих динамических воздействий эфира на движу­ щиеся в эфире тела, а из общих пространственно-вре­ менных соотношений.

С этим связана оценка той роли, которую сыграла электродинамика в подготовке теории относительно­ сти. Исходный конфликт между опытом и классиче­ ской физикой созрел в электродинамике. Более того, всю историю классической электродинамики можно рассматривать как последовательное созревание та­ кого конфликта. И тем не менее теория относитель­ ности была создана Эйнштейном отнюдь не на базе электродинамики.

В 1955 г. Эйнштейн написал Зелигу, подготовляв­ шему его биографию:

«Если заглянуть в прошлое развития теории отно­ сительности, не будет сомнений в том, что в 1905 г. она созрела для своего появления. Лоренц уже знал, что уравнениям Максвелла соответствуют преобразо­ вания, названные потом его именем, а Пуанкаре углубил эту идею. Я был знаком с фундаментальной работой Лоренца, вышедшей в 1895 г., но поздней­ шей работы и связанного с ним исследования Пуан­ каре не знал. В этом смысле моя работа была само­ стоятельной. Новое в ней состояло в следующем. Лоренцовы преобразования выводились здесь не из электродинамики, а из общих соображений...» 1

Электродинамика должна была найти место в еди­ ной каузальной схеме мироздания. Она не укладыва­ лась в эту схему, и Эйнштейн пришел к новой схеме. Он пришел к последней не по пути частных перестро­

39

ек, а через общий пересмотр классической схемы. Руководящим принципом общего (т. е. гарантирую­ щего «внутреннее совершенство» теории) пересмот­ ра было требование «внешнего оправдания», возмож­ ности экспериментальной проверки теории.

Эйнштейн в одном из писем Соловину разъяснял: «Помимо прочего, теорию относительности характе­ ризует гносеологическая точка зрения. В физике нет понятия, применение которого было бы a priori необ­ ходимо или оправданно. Понятие завоевывает свое право на существование только своей ясной и одно­ значной связью с явлениями и соответственно с фи­ зическими опытами. В теории относительности поня­ тия абсолютной одновременности, абсолютной скоро­ сти, абсолютного ускорения и т. д. отбрасываются, так как их однозначная связь невозможна. Каждому физическому понятию должно быть дано такое опре­ деление, в силу которого можно было бы в принципе решить, является ли оно в каждом конкретном случае соответствующим или не соответствующим действи­ тельности» '.

Эйнштейн видел очень далеко идущую аналогию между логической структурой теории относительно­ сти и логической структурой термодинамики. В обо­ их случаях теория систематически (т. е. охватывая исходные принципы) строит выводы из физической бессодержательности некоторых традиционных по­ нятий.

«Если бы неподвижный, заполняющий все прост­ ранство световой эфир действительно существовал, к нему можно было бы отнести движение, которое приобрело бы абсолютный смысл. Такое понятие мог-1

1 A. E i n s t e i n . Lettres a Maurice Solovine, р. 21.

40

ло быть основой механики. Попытки обнаружить по­ добное привилегированное движение в гипотетиче­ ском эфире были безуспешными. Тогда вернулись к проблеме движения в эфире, и теория относитель­ ности сделала это систематически. Она исходит из предположения об отсутствии привилегированных со­ стояний движения в природе и анализирует выводы из этого предположения. Ее метод аналогичен методу термодинамики; последняя является не чем иным, как систематическим ответом на вопрос: какими должны быть законы природы, чтобы вечный двига­ тель оказался невозможным» *.

5

В 1908 г. в работах Германа Минковского теория от­ носительности была изложена в форме псевдоэвклидовых геометрических соотношений четырехмерного пространственно-временного мира. В такой форме специальная теория относительности получила допол­ нительные силы развития, облегчавшие систематиче­ ское построение релятивистской механики и электро­ динамики и последующий переход к более общей теории, распространенной на ускоренные движения.

Герман Минковской ввел понятия «мировой точ­ ки», «мировой линии», «мира» и показал, что соот­ ношения теории относительности могут быть пред­ ставлены в виде геометрических соотношений, анало­

При этом получается четырехмерная псевдоэвклидо-1

1 А. Е 1 п в I е 1п. ЬеЦгев а Маигюе БсНоуте, р. 19.

41