Александр Фомин - 10 гениев науки
Ну и, наконец, перейдем к рассказу о четвертой статье 1905 года. 30 июня 1905 года статья «К электродинамике движущихся тел», 30 страниц печатного текста, уже была в редакции «Annalen der Physik». Таким образом, со времени окончания работы «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света» прошло всего три с половиной месяца. Работа «К электродинамике движущихся тел» излагала специальную теорию относительности. Поскольку именно теория относительности принесла Эйнштейну наибольшую известность, остановимся на ней подробнее.
Теория относительности
Приступая к разговору о теории относительности, нам придется сделать небольшой обзор предпосылок ее появления. Со времен Ньютона в науке господствовали представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени. Вот как определял их Ньютон:
«Абсолютное пространство остается в силу своей природы и безотносительно к какому-либо внешнему предмету всегда одинаковым и неподвижным».
«Абсолютное, истинное и математическое время течет само по себе и в силу своей природы равномерно и безотносительно к какому-либо внешнему предмету».
Можно смело сказать, что такая точка зрения вполне отвечает нашим бытовым представлениям о времени и пространстве. Теперь обратимся к другому вопросу, казалось бы, мало связанному с предыдущими утверждениями знаменитого англичанина. Речь вновь пойдет о свете и его природе. Согласно волновой гипотезе, свет представляет собой волны, распространяющиеся в особой среде — световом (светоносном) эфире. Считалось, что эфир проникает во все тела и вещества, но не перемещается вместе с ними.
В 1860-х годах английский физик Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения, описывающие электромагнитные явления в средах и вакууме. Одним из важнейших следствий этих уравнений стала конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Эта конечная скорость оказалась равна приблизительно 300000 км/с, то есть скорости света в вакууме.
Теперь осталось связать эти два представления между собой. Поскольку гипотетический эфир не участвует в движении тел, значит, он находится в состоянии абсолютного покоя, а следовательно, и является олицетворением абсолютного пространства, относительно которого движутся все тела. Значит, и Земля движется относительно эфира. И движется, согласно законам планетарной механики, с большой скоростью. Следовательно, скорость световых волн, движущихся параллельно движению Земли, должна отличаться от скорости световых волн, движущихся перпендикулярно ему. Такой гипотетический эффект назвали «эфирным ветром». Еще в начале XIX века совершались попытки экспериментально обнаружить эфирный ветер. Сделать этого не удалось, как тогда казалось, из-за недостаточного качества приборов. Но в 1888 году американский физик Альберт Майкельсон провел более точный эксперимент и. тоже не обнаружил эффекта эфирного ветра, а точнее, доказал его отсутствие. Ирландец Джон Фитцджеральд, а вслед за ним голландец Хенрик Антон Лоренц попытались спасти гипотезу эфира, предположив, что быстро движущиеся тела уменьшаются в направлении движения. К 1904 году Лоренц, для того чтобы уничтожить противоречия между уравнениями Максвелла и результатами опыта Майкельсона, разработал математический аппарат, позволяющий решить проблему, отталкиваясь от данного предположения. В основе этого решения лежали преобразования системы координат и времени какого-либо события при переходе от одной системы отсчета в другую. Позже эти преобразования были названы по имени их автора. Однако Лоренц не решился опровергнуть закон о сложении перемещений и скоростей, лежащий в основе ньютоновской физики. Поэтому он попытался ввести в свои расчеты силы, вызывающие сокращение быстро движущихся тел.
Теперь вернемся назад, в еще доньютоновские времена. Как мы уже писали, на рубеже XVI–XVII веков Галилео Галилей сформулировал принцип относительности движения. На этот принцип, как на следствие своих законов, указывал и Ньютон. Француз Анри Пуанкаре обобщил этот принцип, распространив его не только на движение, но и на другие физические процессы. Сначала, в 1899 году, Пуанкаре сформулировал принцип относительности в качестве рабочей гипотезы, а затем, в 1904 году, — в качестве предположения. В 1905 году, почти одновременно с Эйнштейном, Пуанкаре отправил в научные журналы две статьи под одинаковым названием «О динамике электрона». В первой из них он исправил ошибку, допущенную Лоренцом, а во второй развил математические следствия принципа относительности. И о Лоренце, и о Пуанкаре часто пишут, что они близко подошли к созданию теории относительности. Но, наверное, правильнее будет сказать, что эти ученые рассматривали свою деятельность, как некое физико-математическое моделирование. Чтобы воспринять теорию относительности как физическую реальность, требовался менее консервативный и более смелый человек. Им и стал Эйнштейн. Писатель Чарлз Перси Сноу в своей книге «Эйнштейн» писал: «...статья излагала специальную теорию относительности, соединявшую в одно целое материю, пространство и время.
В этой статье не было ни цитат, ни ссылок на авторитеты. Да и остальные статьи написаны в такой манере, которая не походила на работы других физиков-теоретиков. В эйнштейновских статьях было мало математических расчетов и много логического анализа. Приводимые в статьях доводы выглядели несокрушимыми, а выводы — совершенно невероятные выводы! — казалось, возникали с величайшей легкостью. К этим выводам он пришел, пользуясь силой и логикой своей мысли, не прислушиваясь к мнению других. Это кажется поразительным, но именно так и создавалась большая часть его трудов.
Можно с уверенностью сказать: пока существует физика, ни у кого больше не хватит сил выступить с тремя такими работами в течение одного года».
Очевидно, что о работах Пуанкаре 1905 года Эйнштейн знать не мог. Не знал он весной 1905 года и о преобразованиях Лоренца. Теперь перейдем к ходу его рассуждений, изложенных в статье «К электродинамике движущихся тел». Для начала он самостоятельно, независимо от Пуанкаре, формулирует специальный принцип относительности. Затем вводит второй постулат: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения его источника (или наблюдателя). Этот постулат вполне отвечает волновым представлениям о свете и подтверждается опытами Майкельсона. Интересно, что, взяв от волновой гипотезы такое утверждение, Эйнштейн тут же отказался от гипотезы светового эфира. Ранее эти гипотезы были неразрывны. Одна статья нашего героя привела к тому, что доминировавшая длительное время гипотеза светоносного эфира сдала свои позиции. Впоследствии некоторые ученые пытались реанимировать ее. Даже в наше время предпринимаются такие попытки, но оправиться от удара, нанесенного Эйнштейном, гипотеза эфира так и не смогла. Затем, основываясь на введенных постулатах, ученый делает целый ряд неожиданных и поразительных выводов. Для начала он расправляется с понятием «абсолютной одновременности». Если бы передаваемые сигналы могли распространяться моментально, то понятие «абсолютная одновременность» для двух событий, происходящих в разных точках пространства, было бы вполне правомерным. Но поскольку максимальная скорость передачи информации ограничивается скоростью света, говорить об «абсолютной одновременности» каких-то событий невозможно. Здесь налицо идеи Маха. Важным является не сам момент события в ньютоновском «абсолютном времени», а момент получения информации о событии.
Дальше Эйнштейн принимается за понятие времени вообще. Он пишет: «Желая описать движение какой-нибудь материальной точки, мы задаем значения ее координат как функций времени. При этом следует иметь в виду, что подобное математическое описание имеет физический смысл только тогда, когда предварительно выяснено, что подразумевается здесь под "временем". Мы должны обратить внимание на то, что все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях. Если я, например, говорю: "Этот поезд прибывает сюда в 7 часов", — то это означает примерно следующее: "Указание маленькой стрелки моих часов на 7 часов и прибытие поезда суть одновременные события"».
Но понятие об «абсолютной одновременности» событий разрушено. Следовательно, ньютоновское «абсолютное время», одинаковое во всех точках пространства, также неправомерно. Для каждой системы отсчета существует свое «локальное время». Свои рассуждения Эйнштейн иллюстрирует мысленными физическими экспериментами. (К сожалению, у нас нет возможности рассмотреть их из-за ограниченного объема книги. Популярное изложение мысленных экспериментов, объясняющих теорию относительности, можно найти в научно-популярной литературе.) Дальше — больше. Как пишет Б. Хофман в своей книге «Альберт Эйнштейн: творец и бунтарь»: «Ведь время относится к фундаментальным понятиям, и коренное изменение нашего представления о нем разрушает все здание теоретической физики, как карточный домик. И в этом крахе не уцелеет ничего».
