Увертюра к симфонии относительности

Дело заключалось в том, что результат опыта Майкельсона — Морли не поддавался объяснению с помощью существующих классических теорий. Действительно, в те годы пространство, читатель помнит, считалось чем-то вроде помещения, заполненного эфиром. Эфир был необходим. Во-первых, в нем распространялись световые волны. Можно ли представить себе волны без среды? Пожалуй, такой образ был бы сродни улыбке невидимого кота из чудесной книжки Кэролла «Алиса в Стране чудес». Помните, кот сидел на заборе, улыбался и исчезал. Исчезал до тех пор, пока от него не осталась одна улыбка… Так и волны без среды… Волны в воде — наглядный образ. Волны в воздухе — тоже понятно — звук. Волны в светоносном эфире — свет. Только каков он, этот эфир?

 

Была и еще одна не менее важная причина заинтересованности физиков-классиков в мировой субстанции. Эфир заполнял пространство. Материя в пространстве находилась в непрерывном движении. Значит, если принять эфир за неподвижную систему отсчета, можно говорить об абсолютном движении, абсолютном пространстве, абсолютном… Короче, представление об эфире, подобно Атланту, держало на своих плечах вселенную Ньютона. А результат эксперимента двух американцев говорил, что никакого эфира нет. Во всяком случае, они не обнаружили «эфирного ветра», дующего в лицо всем пассажирам Земли — корабля, который летит сквозь неподвижную мировую субстанцию, заполняющую пространство. И скорость света оказывалась независимой от движения наблюдателя… Эти результаты заводили классическую мысль в тупик. Может быть, мы все-таки неправильно измеряем?..

И вот на рубеже 1892–1893 годов Лоренц — сам Гендрик Антон Лоренц, — создатель электронной теории, убежденный материалист и авторитет среди ученых, выдвигает совершенно «нелепое» объяснение отрицательного результата опыта Майкельсона — Морли. «Мы действительно не получим никакого результата, — говорит он, — если допустим, что все тела сокращаются в своих размерах по направлению движения…» Ведь тогда прибор американских исследователей вследствие движения Земли несколько укоротится и каждому последующему лучу света придется идти чуть-чуть меньший путь. Лоренц даже вычислил это сокращение. Для земного шара формула давала величину примерно шести сантиметров, на которые должен был укоротиться диаметр нашей планеты. Это сокращение Лоренц объяснил «электромагнитными действиями тех электрических зарядов, которые, как мы видели, находятся в каждом атоме». Ради сохранения эфира Лоренц пожертвовал «здравым смыслом». Так казалось в преддверии XX столетия.

Самое оригинальное заключалось в том, что результаты этой немыслимой теории совпадали с фактами… Все равно большинство физиков были весьма смущены вольным обращением нидерландского профессора Гарлемского исследовательского института со здравым смыслом. Вспоминали изречение Гиббса: «Математик может говорить все, что ему вздумается, но физик должен сохранять хоть каплю здравого смысла».

Смущение усилилось, когда в Гарлем пришло письмо из Дублина. Ирландский физик профессор Тринити-колледжа Джордж Френсис Фитцджеральд сообщал Лоренцу, что уже давно пользуется этой гипотезой в своих лекциях студентам. Беда — ирландец не любил писать… Ввиду чего Лоренц и заметил в дальнейшем, что упоминание о гипотезе сокращения он нашел только в статье физика О. Лоджа. Но в конце концов «дикая» гипотеза Фитцджеральда — Лоренца стала проникать даже в бронированные крепости физиков-ортодоксов. Ведь она одна более или менее объясняла «нелепый» результат опыта, исходя из привычных законов классической физики. Кроме того, оба автора гипотезы говорили только о субсветовых скоростях. В обычном «наглядном» мире это сокращение было ничтожным. Сторонники здравого смысла утешали себя тем, что даже при полете пули (что можно представить себе быстрее?) сокращение длины равно всего одной биллионной доле процента. Разве может уловить такую разницу какой-нибудь реальный прибор?

Однако неприятности на этом не кончились. В 1901 году молодой немецкий физик В. Кауфман доказал, что масса недавно открытой, быстродвижущейся частицы — электрона — непостоянна! Причем ее изменение определяется скоростью движения и подчиняется гипотетическому закону Фитцджеральда — Лоренца. Рухнула еще одна опора, поддерживающая классическую постройку, — постоянство массы.

В 1904 году на конгрессе в Сент-Луисе выступил прославленный французский математик, член Парижской академии наук Анри Пуанкаре. Он заявил о своем убеждении в том, что скоростей больше скорости света существовать в природе не может. Тогда же Пуанкаре впервые высказал принцип относительности как строгое и всеобщее положение. Никакие эксперименты, по мнению французского ученого, проводимые внутри лаборатории, не позволяют установить исследователю — движется его лаборатория равномерно и прямолинейно или находится в покое. Никакие… Впрочем, сделав столь смелое предположение, отрицающее эфир, Пуанкаре спешит оговориться о возможности опровержения результатов эксперимента Майкельсона — Морли более точными измерениями. «Сейчас, — продолжает он в статье „О динамике электрона“, опубликованной год спустя, — во всяком случае, представляется интересным посмотреть, какие следствия могут быть из него выведены». И в этой фразе — весь Пуанкаре-математик, для которого познание физической реальности мира не являлось задачей первостепенной важности. Более того, будучи убежденным сторонником учения о непознаваемости сущности вещей, отрицая связь между сущностью и явлением, Пуанкаре считал, что ценность любой теории заключается не в том, насколько правильно она отражает действительность, а насколько целесообразно и удобно ее применение, философские взгляды Пуанкаре были глубоко рассмотрены и подвергнуты критике Владимиром Ильичем Лениным в работе «Материализм и эмпириокритицизм». Но математиком французский академик был блестящим. Достаточно сказать, что за семь лет после окончания Политехнической школы в Париже им написано сто две научные статьи и заметки! Он был почетным доктором восьми университетов и состоял членом двадцати двух академий…

Он «опередил математические построения Эйнштейна», — пишет известный советский историк науки Б. Г. Кузнецов. Фактически Пуанкаре на фундаменте идей Фитцджеральда — Лоренца возвел первые этажи специальной теории относительности. Об этом мало кто задумывался в то время. Во-первых, как отмечает Д. Д. Иваненко, Пуанкаре сам был не особенно уверен в полученных результатах. Неустойчивая философская платформа и слишком крепкие связи с периодом классической физики делали для него этот шаг особенно трудным. Во-вторых, он опубликовал свою работу в итальянском математическом журнале, практически неизвестном физикам. Тогда как вышедшая следом аналогичная работа А. Эйнштейна появилась в широко читаемом журнале «Анналы физики» и была подхвачена многочисленной армией немецких физиков-теоретиков.

Впрочем, тоже не сразу. Надо сказать, что первые пять лет после опубликования статьи отклики на нее были весьма редкими и весьма недоброжелательными. Причем одним из первых высказался уже знакомый нам В. Кауфман. «Я предвижу, — писал он, комментируя выводы специальной теории относительности, — что общий результат измерений будет несовместим с фундаментальными предположениями Лоренца и Эйнштейна». Еще более скептически описывал существующее положение профессор физики Московского университета А. К. Тимирязев (сын Климента Аркадьевича). В роскошном многотомном сборнике «История нашего времени» можно прочесть: «Весьма характерно, что среди английских физиков, которые все свои идеи воплощают в конкретные образы: всегда стараются построить ясную и понятную всем „модель“, принцип относительности почти не имеет успеха». И далее. «Но, может быть, эта новая теория указала и новые пути? Позволила предсказать новые факты, которые бы не были предвидены другими теориями? И на это придется ответить отрицательно, так как весь ее смысл заключается только в приведении в систему уже известных фактов. И если этой теории или, правильнее, ее уравнениям, составляющим ее содержание, суждено сохраниться, то несомненно, что они должны быть истолкованы иначе; эта теория, несомненно, должна принять другую форму — форму, мыслимую физически, форму, не отрицающую эфира — этого, по словам знаменитого лорда Кельвина, единственного тела, которое известно физикам! …Любопытно отметить, что все сторонники этой новой революционной теории в настоящее время уже заняты другими вопросами, более насущными, и это всего семь лет спустя после ее возникновения».

Здорово сказано, правда? Особенно если учесть, что еще семь лет спустя не теория изменилась в угоду «мыслимой физической форме», а форма изменилась согласно специальной теории относительности. Эфир же пошел на свалку, где уже отдыхали такие понятия, как флогистон, теплород и «страх перед пустотой». Все это были первые приближения, модели, изжившие себя.

Однако А. К. Тимирязев продолжал отрицать новую теорию, несмотря на ее успехи. И он был не одинок.

Эйнштейн стал символом беспокойного XX века. Популярному описанию его идей посвящено множество прекрасных книг и брошюр, статей, очерков и рассказов. Читатель наверняка встречал их. Нам понадобятся лишь некоторые выводы теории относительности, выводы, породившие новое необычное представление сначала о структуре, а потом и о развитии мира, в котором мы с вами живем.