Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
Говоря о преобразованиях, которым Пуанкаре дал его имя, Лоренц признается, что он «не извлек из этого преобразования все возможное… Это было сделано самим Пуанкаре, а затем Эйнштейном и Минковским». Далее Лоренц отмечает, что он не смог достигнуть полной инвариантности уравнений. «…Я не установил принципа относительности как строгую и универсальную истину. Напротив, Пуанкаре получил полную инвариантность уравнений электродинамики и сформулировал «постулат относительности» – термин, впервые введенный им… Добавим, что, исправляя, таким образом, недостатки моей работы, он никогда в них меня не упрекнул». В конце статьи Лоренц обращается к четырехмерному математическому представлению, введенному Пуанкаре в новую теорию. «Напоминаю об этих идеях Пуанкаре потому, что они близки к тем методам, которыми пользовались позже Минковский и другие ученые для облегчения математических действий, встречающихся в теории».
Какие причины того, что бесспорные достижения Пуанкаре в то время оставались в тени? Одна из них в том, что сформировавшееся мнение трудно разрушить. Поэтому предпринятые отдельными учеными попытки более полного и объективного описания истории рождения СТО наталкивались на сопротивление сторонников широко распространившегося уже мнения о том, что Эйнштейн является ее творцом. Именно поэтому без внимания остались цитированные выше высказывания Лоренца о решающем вкладе Пуанкаре в эту теорию. Кроме того, нужно не забывать о противостоянии научных школ, а вместе с тем, и о политическом противостоянии перед Первой мировой войной и во время нее. Пуанкаре был французом, а это враждебная Германии страна – ученые тоже люди и разные.
Возможно, некоторые оценки появлялись и без ведома ученых. Вернемся к оценкам Лоренца. В 1912 году он обсуждает свои собственные результаты 1904 года: «Можно заметить, что в этой статье мне не удалось в полной мере получить формулы преобразования теории относительности Эйнштейна… Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего, строгого и точно действующего закона». Неизвестно, откуда был взят издателями сборника этот текст, но в публикациях Лоренца таких утверждений не появлялось. Возможно, примечание было получено специально к данному сборнику или добавлено редактором (?).
Очень интересно и важно мнение молодого швейцарского физика Вольфганга Паули (1900–1958), будущего великого ученого. В 1921 году он написал для «Математической энциклопедии» обширную статью «Принцип относительности». Его краткий исторический обзор, изложенный всего на пяти страницах, в течение нескольких десятилетий является самым точным и непредвзятым освещением истории нового физического учения. В своей статье Паули ссылается на многие ранние исследования, способствовавшие возникновению этой теории. Для более подробного рассмотрения он выделяет три основные работы – Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна, «в которых были установлены положения и развиты соображения, образующие фундамент теории относительности». Затем Паули перечисляет все основные результаты, полученные впервые Пуанкаре. «В работе Пуанкаре были заполнены формальные пробелы, оставшиеся у Лоренца, – пишет он. – Принцип относительности был им высказан в качестве всеобщего и строгого положения». Что же касается работы Эйнштейна, то она была выделена, прежде всего, как «изложение совершенно нового и глубокого понимания всей проблемы». Далее шло подробное изложение этого понимания теории, в котором центральное место отводилось формулировке принципа относительности, распространенного на электромагнитные явления, и относительному характеру одновременности. Но Паули не знал, что именно эти важные для понимания вопросы были впервые рассмотрены в ранних работах Пуанкаре.
Написанное Паули историческое введение вносило существенное уточнение в картину создания теории относительности. Казалось бы, оно должно быть учтено во всех последующих изложениях и исторических изысканиях по этому вопросу. Но этого не случилось, несмотря на то, что в целом замечательная работа Паули заслужила признание как одно из лучших изложений теории относительности. При этом никто не опровергал и не оспаривал приводимые в ней исторические факты и выводы, к ним старались не привлекать внимания. Сам Эйнштейн с восторгом отзывался о книге Паули (а значит и соглашался с оценкой вклада Пуанкаре), но при этом ни разу явно не высказал своего отношения к оценке фундаментальной работы Пуанкаре.
Один из примеров спора в отношении приоритета связан со знаменитым соотношением между массой и энергией. Его обычно называют именем Эйнштейна. Однако еще в 1900 году Пуанкаре пришел к результатам, из которых это выражение непосредственно следовало для электромагнитного излучения. По-видимому, Эйнштейн, получивший эту связь в статье 1905 года также лишь для электромагнитного излучения, опирался на его идеи. И это подтверждается ссылкой на работу Пуанкаре в следующей статье Эйнштейна 1906 года – в ее вводной части Эйнштейн фактически признает приоритет Пуанкаре. Заслуга Эйнштейна заключается в том, что закон, полученный первоначально лишь для лучистой энергии, он обосновал для всех форм энергии, что, конечно, более важно. А это дает полное основание называть знаменитую формулу его именем. Однако многие авторы умалчивают (не знают?) о решающем значении предшествующих работ, безусловно оказавших влияние на молодого Эйнштейна Нет никакой необходимости принижать их роль.
Преемственность идей – общий закон развития научного познания. Достигнуть новых вершин можно лишь опираясь на результаты предыдущих исследователей. Конечно, воспринять и развить ранее высказанные новаторские идеи может только проницательный ум, обладающий большой смелостью суждений. И работы Эйнштейна сразу же выдвинули его на видное место среди знаменитостей того времени. Его понимание и изложение всей проблемы оказали огромное влияние на современников, способствовали признанию теории, которую не принимали или не понимали многие даже выдающиеся ученые. Однако для доказательства несомненных заслуг Эйнштейна не требуется преуменьшать значение других исследований по теории относительности.
Глава 6
Общая теория относительности
Каждый из магов имеет свой предел… [они] могут, скажем, останавливать время, но только в римановом пространстве и ненадолго.
Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу»Предпосылки построения ОТО
Наконец, переходим непосредственно к тяготению. Специальная теория относительности возникла в результате решения проблем, накопившихся в механике Ньютона. Иная ситуация сложилась к концу XIX века с нерелятивистской теорией гравитации. Ее авторитет, как незаменимого инструмента в небесной механике, не вызывал в то время никаких сомнений. Был известен только один случай, когда теория Ньютона давала неточный результат в расчете наблюдаемого эффекта. В 1859 году французский астроном Урбен Леверье (1811–1877) обнаружил, что поведение орбиты Меркурия не объясняется ньютоновским законом тяготения. Небесная механика того времени уже позволяла блестяще рассчитывать влияние соседних планет. Из-за их воздействия орбита Меркурия должна медленно вращаться вокруг Солнца, вследствие чего точка наименьшего удаления планеты от Солнца (перигелий) должна была смещаться на 532″ (угловых секунд) в столетие. Но как показал Леверье, перигелий Меркурия смещается за столетие на величину 575″, то есть большую ожидаемой на 43″. Казалось бы небольшое расхождение, но оно было замечено, поскольку значительно превосходило уровень погрешностей расчетов того времени. Сомнений в самой теории гравитации Ньютона не было. Поэтому возникло предположение, что это расхождение вызвано влиянием неизвестной планеты, расположенной ближе к Солнцу, чем Меркурий. Гипотетическую планету назвали Вулканом и долго пытались ее обнаружить.″
Релятивистская теория гравитации возникла не в результате необходимости объяснить непонятные явления или данные наблюдений. Скорее это результат бурного развития физики того времени, построения электродинамики и СТО. Они как бы «притащили» за собой и общую теорию относительности (ОТО). С построением СТО стало ясно, что релятивистский принцип относительности должен распространяться не только на электромагнитные явления и механику, но и на гравитационные явления. А гравитация Ньютона этому принципу не удовлетворяет, поскольку она представлена нерелятивистским скалярным полем (для теории Ньютона это будет пояснено позже), распространяющимся с бесконечной скоростью, что противоречит релятивистским воззрениям.
Здесь нужно немного отвлечься и пояснить некоторые термины и понятия, без которых дальше не обойтись – это скалярное и векторное поля. Скалярное поле – это функция (величина), заданная в каждой точке пространства. Например, распределение температуры в некотором теле – это скалярное поле, значение которого определено в каждой точке тела. Векторное поле в 3-мерном пространстве задано, если в каждой его точке определена стрелка. В координатном представлении стрелка определяется тремя величинами, заданными для каждой точки этого пространства. Эти три значения функции в каждой точке представляются компонентами вектора. Примером векторного поля может служить распределение скоростей жидкости или газа, или напряженностей электромагнитного поля, о котором мы сейчас говорили. Аналогично скалярные и векторные величины задаются в 4-мерном пространстве-времени. О более формальном определении скалярного, векторного, а также тензорного полей см. Дополнение 1.
