Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
В этой любопытной гипотезе скорость света выступала как предел скорости тел, ибо длина тела, движущегося со скоростью света, при справедливости этой гипотезы, обращается в нуль, а время останавливается. Гипотеза Фицджеральда-Лоренца, выдвинутая специально для объяснения одного-единственного опыта, выглядела весьма искусственной, и большинство ученых отнеслись к ней с недоверием. Но лучших объяснений не было. Физики привыкали жить с открытой раной…
Много было передумано, переговорено на этот счет. Как тут не вспомнить простой мысленный эксперимент замечательного французского математика Пуанкаре. Что будет, спрашивает он, если однажды ночью, когда все мы крепко спим, Вселенная увеличится в размерах? Мы сами, атомы, столы и стулья, Солнце, Земля — все станет в миллион раз больше?
То же произойдет и с изменениями течения времени, интервалов времени. Можно заметить только местные изменения времени, как, скажем, в знаменитом рассказе Уэллса «Новый ускоритель». Ученый открыл способ ускорения всех процессов в своем организме. Все в мире вокруг него замерло… Но если бы все ускорилось или замедлилось во всей Вселенной, никто бы ничего не заметил…
По существу, это тот же круг вопросов, над которым думал Галилей, постепенно приходя к пониманию закона природы, который он назвал принципом относительности. Раз-мер предметов сравнивают с эталоном длины, часы сверяют с эталоном времени, для определения движения какого-либо предмета нужен другой предмет… Движение и покой, большое и малое, быстрое и медленное, верх и низ, левое и правое — все это равноправные, симметричные понятия. Ни одно из них не абсолютно, не выделено чем-то уникальным. Представляете, какую надежду возлагали ученые на эфир, который предлагал себя в качестве надежной, абсолютной опоры в этом мире относительности!
Мудрый Максвелл не зря предложил свой опыт. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с определенной скоростью и если эта скорость не зависит от скорости движения источника, то скорость света может служить эталоном для определения абсолютного движения наблюдателя. И вот опыт, придуманный им, не обнаружил эфирного ветра. Нет ли его в природе, или он действительно так деформирует измерительный прибор, что делает незаметным свое присутствие?
Этот опыт был поставлен впервые, когда Эйнштейну было два года. И если следовать хронологии, то мнение Эйнштейна по этому поводу приводить еще рано. Но у нас — не история физики, скорее, роман мысли, драма идей, как говорил сам Эйнштейн. Поэтому как раз к месту подчеркнуть радикальный подход Эйнштейна к загадке эфира. Фицджеральд и Лоренц считали, что эфирный ветер искажает истинные размеры предметов и истинное течение времени. Они верили, что тела имеют абсолютные размеры — скажем, длину. Сокращение виделось им как физическое, реальное изменение длины, вызванное давлением эфирного ветра. И когда тела — в их уравнениях — сокращались, они воспринимали это как отклонение от «истинной» длины. Эйнштейн не только отбросил эфир как воплощение абсолютного покоя. Он отбросил понятие абсолютной длины и абсолютного времени. Вернее, счел, что понятия абсолютной длины или времени лишены смысла. Есть длина или время, полученные в результате измерении, и эти измерения меняются в зависимости от относительной скорости объекта и прибора, при помощи которого проводят измерения.
Если повстречаются два космических корабля, то наблюдатель на каждом из них будет видеть другой корабль как бы укоротившимся в направлении движения. Эффект заметен при больших скоростях. Два велосипедиста при сближении этого не заметят. Сокращение их размеров при небольшой скорости очень мало. Фицджеральд сказал бы, что космический корабль меняет свои истинные размеры, свои абсолютные размеры. Эйнштейн понял, что укорочение размеров — результат измерений данного наблюдателя. Для другого наблюдателя, связанного с другим космическим кораблем, измерения дадут другую величину сокращения размеров.
Так же обстоит дело и с течением времени. Ньютон считал само собой разумеющимся, что единое универсальное абсолютное время течет одинаково во всей Вселенной. Лоренц верил, что эфирный ветер искажает это «истинное» время при измерениях на движущихся телах. Эйнштейн отказался от понятия абсолютного времени, как от лишенного смысла. Имеются только местные времена. При встрече космических кораблей часы каждого из них покажут свое время. Это не будет «искаженное абсолютное время», это местное время, свое для каждой системы координат.
Итак, поворот в логическом восприятии событий можно описать так: нет «истинной» длины, нет «истинного» времени. Длина и время, понятие одновременности связаны с данной системой отсчета. Дело не в том, что один наблюдатель прав, а другой ошибается. Что у одного правильные приборы, у другого они врут. Просто показания приборов обусловлены движением системы отсчета и связанных с нею приборов. Эти показания объективны, они могут быть записаны автоматическими приборами. Результаты измерения длины, времени и, добавим, массы тела относительны и связаны с применяемой системой отсчета.
Мы забежали вперед. Но наша задача — не только изложение идей, главное — описание путей, приведших к тем или иным идеям, к переплетению различных точек зрения; понимание влияния стиля мышления отдельных ученых на ход событий, на результат коллективных усилий. Нам интересны борьба мнений, соперничество, единомыслие, противоборство, то, что составляет, определяет содержание конечного результата общих усилий в деле познания мира, что обусловливает, подготавливает подвиг ученых.
До Эйнштейна опыт Майкельсона — Морли, теории Лоренца и Герца противостояли в полном бессилии справиться с результатами реальных и мысленных опытов, наблюдений и умозаключений по поводу кардинальных проблем мироздания.
Как Эйнштейн пришел к своим феноменальным выводам? От каких противоречий оттолкнулся? Что взял из багажа науки в свое беспримерное путешествие в страну относительности? Попробуем понять и проследить самое ценное и важное для последователей — ход его мыслей… Еще раз окинем мысленным взором поле боя.
Механика Ньютона и все ее разветвленные следствия, включая кинетическую теорию материи, классическая термодинамика, так же, как все ее обширные ветви в химии, основывались на классическом принципе относительности Галилея. Все они сохраняли свою применимость, а их уравнения оставались неизменными, для процессов во всех телах, движущихся равномерно и прямолинейно.
Теория Максвелла и электронная теория Лоренца не удовлетворяли принципу относительности. Они утверждали возможность обнаружения движения тел относительно эфира, что запрещалось принципом относительности и опровергалось опытом Майкельсона. Примирить эти теории с опытом можно было, только отказавшись от формул, выражающих принцип относительности Галилея, заменив их преобразованиями Лоренца. Тогда автоматически возникало гипотетическое сокращение Фицджеральда — Лоренца и исчезала возможность обнаружения эфирного ветра в опытах Майкельсона. Но физический смысл преобразований Лоренца оставался неясным. Особенно загадочным была входящая в него формальная величина, которую Лоренц назвал «местным временем», или «кажущимся временем». В неподвижных телах эта величина совпадала с абсолютным временем теории Ньютона, но в движущихся телах она отличалась от него тем сильнее, чем больше скорость движения. При этом вновь выступал предельный характер скорости света: в телах, движущихся со скоростью света, «местное время» останавливается. Сам Лоренц при этом продолжал считать покоящийся эфир и абсолютное время Ньютона истинной основой своей теории.
Две величайшие физические теории — механика Ньютона и электродинамика Максвелла — Лоренца противостояли друг другу в неразрешимом противоречии. Именно в это время, в 1905 году среди глубокой тьмы вспыхнул свет. Он исходил из двух статей начинающего ученого, безвестного патентного эксперта третьего класса Эйнштейна, обдумывавшего эти противоречия в свободное от работы время. Он понял, что теория Максвелла несовершенна сразу в двух отношениях: она не удовлетворяет принципу относительности и не описывает микроструктуру света. В двух статьях он устранил эти пороки.