Пуанкаре
Шрифт:
Для построения теории Эйнштейну понадобился еще один исходный постулат: о независимости скорости света от движения источника. Эта необходимая предпосылка никак им не обосновывалась. Появление ее в исследовании Эйнштейна нелегко объяснить, поскольку ничего еще не было известно об экспериментальном наблюдении такого факта, и, следовательно, опытом она не могла быть подсказана. В электродинамике Лоренца и Лармора, а следовательно, и в теоретических построениях Пуанкаре, внимательно следившего за их работами, это положение вытекало как естественное следствие из концепции неподвижного эфира. Но Эйнштейн с самого начала отказался от всякого использования этого понятия. Поэтому появление в его работе без всякой мотивировки постулата о независимости скорости света от движения источника, находящегося к тому же в кажущемся противоречии с первым исходным принципом его теории, было явно непоследовательным
Отличительной особенностью работы Эйнштейна была четкая постановка вопроса о решении проблемы электродинамики движущихся тел за счет пересмотра понятий, связанных с пространственно-временными соотношениями. Центральное место в его статье отводилось определению одновременности разноместных событий. Отмечалось, что физическое описание движения подразумевает всегда использование времени в различных точках пространства, а это возможно только в том случае, если установлено временное соответствие между событиями в этих точках и выяснено, какие из этих событий являются одновременными. Затем автор приводит определение одновременности показаний двух часов, пользуясь мысленным экспериментом по синхронизации их с помощью светового сигнала и принимая при этом допущение о равенстве времен, затрачиваемых светом на прохождение расстояния между часами в прямом и обратном направлениях.
Сама постановка вопроса об одновременности и определение этого понятия на основе постоянства скорости света — все это совпадало с объяснениями, приведенными впервые Пуанкаре еще в 1898 году в статье "Измерение времени". А мысленное оперирование вместо времени более конкретным понятием — часами, синхронизация которых производится световым сигналом, — это уже были детали, характерные исключительно для того истолкования «местного» времени Лоренца, которое было дано Пуанкаре в работе 1900 года и повторено затем на конгрессе в Сент-Луисе. Но в статье Эйнштейна изложение этих пунктов непосредственно предшествовало рассмотрению электродинамики движущегося тела, что значительно облегчало усвоение всей теории. Вот почему работа молодого ученого обратила на себя внимание и в дальнейшем способствовала усвоению идей теории относительности в большей мере, чем труды его знаменитых предшественников.
Вместе с тем статья Эйнштейна, так же как и работа Пуанкаре (если не учитывать представленный в ней первый вариант релятивистской теории тяготения), развивала теорию, строго удовлетворяющую принципу относительности, все соотношения которой уже были получены ранее в трудах Лоренца и Лармора. Новой физической теорией принято считать такое теоретическое построение, которое предсказывает неизвестные ранее, проверяемые на опыте соотношения. Таким образом, статья Эйнштейна излагала новый вариант построения и объяснения уже известной, но далеко еще не осознанной физической теории. И это было не только более простое изложение и более доступное объяснение, статья вскрывала весьма важный аспект понимания теории, который был явно упущен предшественниками.
Устранение эфира из теоретической картины освобождало автора от допущенной в работах Лармора и Лоренца непоследовательности: эфир они привлекали только для того, чтобы с его же помощью объяснить невозможность его наблюдения. Эйнштейн использовал также условное разделение систем отсчета на покоящуюся и движущуюся, которое, вообще говоря, не отвечало самому духу теории относительности, признающей лишь взаимное движение систем отсчета. Но Эйнштейн не связывал систему, названную им покоящейся, с эфиром. Поэтому в его подходе не могло даже возникнуть искушение объяснять движением через эфир полученные для движущейся системы необычные результаты — сокращение длин твердых тел и увеличение длительности временных интервалов. Эти эффекты представлялись результатом сопоставления соответствующих эталонов длительности и протяженности двух различных систем отсчета, находящихся в относительном движении.
Самое же существенное отличие работы Эйнштейна от предыдущих состояло в понимании того факта, что те же самые релятивистские эффекты возникают и для «покоящейся» системы, если, в свою очередь, ее сопоставлять с движущейся системой. Об этом в статье была сказана всего одна фраза: "Ясно,
Обратимость релятивистских эффектов, их симметрия по отношению к двум рассматриваемым инерциальным системам отсчета, непосредственно следовала из преобразований Лоренца. Чтобы установить этот факт, достаточно было выразить координаты «покоящейся» системы через координаты «движущейся» системы. Такое обратное преобразование сразу делало излишним объяснение релятивистских эффектов движением тел относительно эфира. Действительно, после обратного преобразования требовалось бы уже объяснить сокращение длины тела в системе, покоящейся относительно эфира. Но этот шаг не был сделан ни Лоренцем, ни Лармором, и поэтому в их работах оставалась иллюзия эфирной природы релятивистских эффектов.
Вопрос, связанный с обратными преобразованиями, в основной работе Пуанкаре получил лишь формальное освещение. Отмеченные им групповые свойства преобразований Лоренца включали и условие обратимости всех результатов. Кроме того, при выводе самих преобразований Лоренца он непосредственно использовал сопоставление с обратным преобразованием. Однако Пуанкаре ни одним словом не пояснил, что из этого свойства группы Лоренца вытекает обратимость всех необычных свойств новых пространственно-временных соотношений. В своем теоретическом трактате он обошел этот вопрос молчанием, хотя его более ранние работы содержали все необходимые данные, чтобы прийти к такому выводу.
Вклад немецких ученых
На статью Эйнштейна сразу же обратил внимание редактор журнала "Анналы физики", выдающийся теоретик, профессор Берлинского университета Макс Планк. Работа Эйнштейна вызвала у него самый непосредственный интерес возможностью провести "такое грандиозное упрощение всех проблем электродинамики движущихся тел, что вопрос о допустимости принципа относительности должен ставиться в первую очередь в любой теоретической работе, посвященной этой области". Вместе с тем, не найдя в работе Эйнштейна того обобщения уравнений механики, которое требовалось новым принципом относительности, он сам приступил к решению этой задачи. Свои результаты Планк доложил 23 марта 1906 года на заседании Немецкого физического общества. Отметив, что "принцип относительности, предложенный недавно Лоренцем и в более общей формулировке Эйнштейном", требует пересмотра законов механики, он привел вывод новых уравнений движения. Эта работа завершала создание релятивистской механики.
Особенно благоприятная ситуация для признания новых идей теории относительности сложилась в Геттингене. Прославленный ранее трудами великого Гаусса, этот университетский город благодаря усилиям главенствовавшего там Феликса Клейна превратился в крупнейший математический центр. С 1894 года в Геттингенском университете работает выдающийся математик Давид Гильберт, а с 1902 года — его ближайший друг Герман Минковсквй, известный своими исследованиями по теории чисел и по геометрии.
В 1905 году в Геттингене под руководством Гильберта и Минковского действовал постоянный семинар по проблемам электродинамики движущихся тел. Инициатива посвятить семинар этой теме исходила от Минковского. Его тяга к физическим проблемам была не случайна. Работая в Бонне, под влиянием Г. Герца он начал, по его словам, свое "плавание в физических водах". Изучая новейшие проблемы физической науки, Минковский выделил электродинамику как наиболее интересную для математиков. В связи с работой Лоренца он уже намечал провести исследование новых пространственно-временных преобразований, когда его внимание обратили на статью неизвестного автора, появившуюся в "Анналах физики". К удивлению многих, Минковский проявил осведомленность о личности автора. Вспомнив своего студента в Цюрихском политехникуме, он поразил собравшихся на семинаре своей репликой: "Ах, этот Эйнштейн, всегда пропускавший лекции; я бы никогда не поверил, что он способен на такое!" То новое воззрение на пространство и время, которое было сформулировано в работе Эйнштейна, требовало, по мнению Минковского, существенной доработки в смысле математического оформления. Своим студентам он говорил: "Эйнштейн излагает свою глубокую теорию с математической точки зрения неуклюже — я имею право так говорить, поскольку свое математическое образование он получал в Цюрихе у меня". Разработка математической стороны новой теории и углубление понимания единого пространственно-временного описания физических явлений стали главной темой его исследований начиная с 1906 года.