Открытие сотрудника патентного бюро

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 22Следующая ⇒

Восхождение

Здоровье не позволяло Пуанкаре быть альпинистом, но его всегда манили к себе величественные и недоступные горные вершины. Даже труд ученого он сравнивает порой с восхождением. «Нужно подниматься все выше и выше, чтобы видеть все дальше, и не слишком задерживаться в пути, — пишет он. — Настоящий альпинист всегда рассматривает вершину, на которую он только что взошел, как ступеньку, которая должна привести его к более высокой вершине. Нужно, чтобы ученый имел ноги горца и, главное, сердце горца. Вот тот дух, который должен его воодушевлять». Такой дух восхождения веял над Пуанкаре, когда он шел к головокружительным высотам новой физической теории.

Особое значение для научных открытий, представляющих собой неожиданные скачки и резкие повороты в развитии ученой мысли, имеет самый первый этап, этап зарождения новых идей — исходного пункта будущего теоретического построения. Однако об этом важнейшем периоде становления теории относительности принято порой говорить как о времени, когда необходимые, но не осознанные еще до конца идеи носились в воздухе, и недоставало лишь гения, который бы воспользовался ими для разработки новой физической теории. В действительности же само появление этих идей уже представляло собой решающий шаг, потребовавший коренного пересмотра основных положений классической физики. И хотя работы, содержавшие эти новаторские мысли, не были замечены и осмыслены подавляющим большинством ученых, не подготовленных еще к восприятию столь радикально новых взглядов, их влияние, несомненно, прослеживается на тех немногих исследователях, которые воспользовались изложенными там идеями, чтобы проложить путь к не покоренной еще научной вершине.

В период, когда закладывались исходные идеи теории относительности, наибольший вклад, несомненно, внес Пуанкаре.[49] Он выдвинул принцип относительности как обобщение опытных данных и высказал убеждение, что именно электромагнитную теорию Лоренца необходимо согласовать с этим принципом, чтобы получить окончательное решение проблемы. Пуанкаре показал условность понятия одновременности, центрального понятия теории относительности, и предложил определение этой величины на основе постулата о постоянстве скорости света. Он дал также правильную физическую интерпретацию «местного» времени Лоренца.

Таким образом, Пуанкаре оказал самое непосредственное влияние на развитие теоретической мысли в период поиска выхода из кризисной ситуации в классической физике, выдвинув исходные идеи и принципы будущей теории относительности. Он как бы начертал маршрут предстоящего восхождения к научной вершине. Но вместе с тем он был и среди самых деятельных участников самого восхождения. Его критическое обсуждение теорий Лармора и Лоренца и его замечание о недостаточности гипотезы сокращения длин тел для полного решения проблемы — все это и было участием в передовой группе штурмующих вершину. Лармор остановился под самой вершиной, перед самым трудным участком восхождения, когда оставалось сделать фундаментальное обобщение: распространить на механику и всю физику новые результаты, полученные им для электромагнитных явлений. Пуанкаре, уже сделавший этот главный шаг, ведущий прямо к цели, обнаруживает, что его коллега по восхождению Лоренц, вступив на этот путь раньше, уже достиг вершины. Поэтому свое фундаментальное теоретическое исследование 1905 года он считал не первооткрытием, а лишь развитием работы Лоренца 1904 года.

Сам же Лоренц отмечал, что разработка теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, была предпринята им под влиянием критики его прежних работ со стороны Пуанкаре. Но влияние взглядов Пуанкаре сказалось только на выборе Лоренцем конечной цели: «С помощью определенных основных допущений показать, что электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы».

Работа Лоренца не представляла собой единого логического построения на основе минимального числа исходных принципов. Она состояла из двух последовательных частей, каждая со своими исходными допущениями. Это электродинамика в движущейся системе и физическое обоснование сокращения размеров движущихся тел, основанное на полученных в первой части результатах. Конечно, постановка задачи построения электромагнитной теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, уже заключала в себе самый трудный для Лоренца шаг, состоящий в отказе от надежд обнаружить абсолютное движение. Однако идее существования светоносного эфира Лоренц не изменяет.

На предварительном этапе исследований по электродинамике движущихся тел это не служило для него препятствием. Более того, отказ от гипотезы эфира, как это ни парадоксально, мог тогда помешать выходу физики из критической ситуации на единственно правильный путь решения всей проблемы. Дело в том, что в период кризиса, вызванного «отрицательным» результатом опыта Майкельсона — Морли, не только не были еще известны экспериментальные данные о независимости скорости света от движения источника, но отсутствовали и какие-либо теоретические доводы для принятия этого положения. Поэтому первые шаги в правильном направлении могли сделать только ученые, продолжавшие отстаивать гипотезу неподвижного эфира, в котором независимо от движения каких бы то ни было систем с одной и той же скоростью распространяется световая волна. Как бы на плечах этой ложной гипотезы в науку вошло утверждение, ставшее затем одним из исходных постулатов в теории относительности.[50]

Но на этапе оформления новой физической теории идея эфира сыграла явно отрицательную роль. Она помешала ее сторонникам занять правильную позицию в понимании новых физических закономерностей. Такова диалектически противоречивая роль гипотезы эфира в становлении теории относительности. Подобно строительным лесам, эту гипотезу следовало отбросить после завершения новой теории. Лоренц же продолжал оставаться в плену старого представления о необходимости привлечь свойства эфира для объяснения наблюдаемых эффектов. Это помешало ему установить истинный смысл полученных теоретических результатов и прийти к полному завершению начатого им своего особого пути построения теории относительности. Пытаясь обосновать принципиальную ненаблюдаемость эффектов, связанных с нарушением инвариантности законов физики относительно преобразований Галилея, он пришел к теории, удовлетворяющей принципу относительности. Но сам автор вовсе не осознал масштабов вершины, на которую он поднялся, не понял подлинного смысла своего открытия. Например, ему было неясно, что им открыт новый по своей форме принцип относительности, отличный от принципа относительности Галилея. Он не осознавал также следующей из его работы инвариантности всех законов физики (а не только уравнений электромагнитного поля) относительно найденных им новых преобразований пространственно-временных координат. Полученные Лоренцем соотношения фактически содержали в себе все проявляющиеся на опыте результаты теории относительности. Но такая расшифровка подлинного смысла работ Лоренца оказалась под силу лишь Пуанкаре.

Вслед за созданием новой научной теории неизбежно возникает проблема ее признания широким кругом ученых. Как правило, далеко не все открыватели сами осознают масштабы необходимой перестройки научных представлений и долго безуспешно пытаются понять свои новые результаты, сохраняя в значительной мере противоречившие им положения старых теорий. Основная же часть ученых остается совсем не подготовленной к восприятию и дальнейшему развитию таких открытий. Как метко заметил по этому поводу известный американский физик Дайсон, «великое открытие, когда оно только что появляется, почти наверняка возникает в запутанной, неполной и бессвязной форме. Самому открывателю оно понятно наполовину. Для всех остальных оно — полная тайна». Поэтому признание принципиально новых научных истин обычно связано с длительным периодом уяснения передовыми учеными новых понятий и постепенным освоением их более широким кругом ученых.

Дав толчок для дальнейших теоретических исследований, работа Лоренца не оказала сколько-нибудь существенного влияния на последующий процесс утверждения и признания новой теории. Иначе и быть не могло, поскольку сам новатор активно не признавал новаторское начало в своих исследованиях. Но и работе Пуанкаре не удалось решить эту проблему. Слишком краткими были объяснения, содержащиеся в обеих его публикациях. Верный своему стилю написания научных работ, Пуанкаре не повторял прежних своих разъяснений смысла «местного» времени и одновременности, их связи с постулатом о постоянстве скорости света. Между его теоретическим исследованием и работой Лоренца образовался трудный для понимания пробел. Это обстоятельство, а также публикация его подробной статьи в математическом журнале, мало читаемом физиками, в значительной мере объясняют, почему фундаментальное исследование Пуанкаре не оказало заметного влияния на взгляды широких кругов ученых в период осознания уже сложившейся теории относительности.[51] Признание этой теории было завоевано работой двадцатишестилетнего автора, еще не принадлежавшего тогда к научным кругам и не числившегося в группе штурмующих проблему абсолютного движения. Он подошел к вершине тем маршрутом, который несколько лет назад разработал Пуанкаре, но штурм самой вершины повел самостоятельно и достиг цели практически одновременно с Пуанкаре.

В 1905 году в сентябрьском номере немецкого журнала «Анналы физики» появилась статья, написанная никому не известным тогда автором, молодым экспертом швейцарского патентного бюро в Берне Альбертом Эйнштейном. В статье излагалась теория относительности, решавшая проблему электродинамики движущихся тел.

Название работы — «К электродинамике движущегося тела» — как будто бы не предвещало законченного рассмотрения поставленной задачи. Но уже из краткого введения ясна была претензия автора на полное устранение основной трудности классической физики. Обладая рядом бесспорных преимуществ в изложении трудных для понимания, необычных сторон новой физической теории, статья оказала решающее влияние на распространение и утверждение идей теории относительности.

Статья Эйнштейна поступила в редакцию журнала 30 июня 1905 года, то есть уже после того, как было опубликовано в «Comptes rendus» краткое сообщение Пуанкаре, но опережала его более подробную статью, полученную редакцией итальянского журнала 23 июля того же года и вышедшую в свет в январе 1906 года. Изложение велось молодым автором в довольно необычной для научных публикаций манере, без указаний идей и результатов, заимствованных из других исследований, без сопоставления полученных выводов с итогами более ранних попыток решения той же проблемы. Статья не содержала буквально ни одной литературной ссылки. При чтении ее создавалось впечатление о полной оригинальности как постановки, так и решения задачи, о первооткрытии всех изложенных там результатов.

Что касается постановки задачи о теории, удовлетворяющей принципу относительности, то она, конечно же, совпадала во всех трех работах разных авторов: Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна. Разница состояла лишь в том, что Лоренц указывает источник такой постановки — одно из ранних выступлений Пуанкаре по этому вопросу, а Эйнштейн дает обоснование принципа относительности без всякой ссылки на первоисточник. Всего несколько слов сказал он об экспериментальном обосновании этого принципа, не обсуждая конкретных опытов и даже не упоминая решающий эксперимент Майкельсона — Морли. Эта краткость вполне естественна, если признать, что он считал принцип относительности уже всесторонне обсужденным в научной литературе. И действительно, у этой фундаментальной идеи был вполне конкретный автор — Анри Пуанкаре. Ему пришлось неоднократно высказывать и с энтузиазмом отстаивать ее, поскольку она противоречила глубоко укоренившимся убеждениям о существовании светоносного эфира. Удивительная проницательность Эйнштейна как раз в том и состояла, что он одним из немногих воспринял и осознал значение этой идеи.

Заслуга Эйнштейна состояла также и в том, что он использовал идею принципа относительности в качестве исходного положения своей теоретической системы, то есть так, как и предлагал Пуанкаре. Этим и отличался его подход от подхода Лоренца. Верный традициям старой классической школы, голландский физик не принял аксиоматический путь построения новой теории. Содержание этой теории, по его мнению, как раз и должно заключаться в доказательстве универсального принципа относительности, который является ее конечной целью, а не начальным пунктом.

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 шагом. Происхождение этого постулата у Эйнштейна можно было бы объяснить анализом предшествующих работ по электродинамике движущихся тел. Но в его статье нет никаких указаний на этот счет. Только позднее Эйнштейн признался в том, что принцип постоянства скорости света был подсказан ему теориями, основывающимися на гипотезе неподвижного эфира. Так, в работе 1912 года он писал: «Чтобы восполнить этот пробел, я ввел принцип постоянства скорости света, заимствованный из теории покоящегося эфира…»

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, что те же результаты получаются для тел, которые находятся в покое в „покоящейся“ системе и которые рассматриваются из равномерно движущейся системы». Но именно эта фраза характеризовала другой уровень понимания открытых ранее эффектов теории относительности.

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.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры