Как мыслят великие физики

Преодолеть рассматриваемые проблемы пытались многие выдающиеся физики. Наиболее успешными оказались усилия Хендрика Лоренца, Анри Пуанкаре и Альберта Эйнштейна. Их новации во многом прояснили существо физики. Впрочем, и великие ошибаются.

Лоренца более всего занимали две идеи. Во-первых, он стремился интерпретировать электродинамику Максвелла в качестве теории микродинамических процессов. Во-вторых, Лоренц хотел дать непротиворечивое динамическое объяснение всех электромагнитных явлений. Обе идеи представляются безупречными. Но как их реализовать?

Лоренц приступил к реализации своей программы в 1892 г. Он предположил, что физики имеют дело со связанными в телах положительными и отрицательными зарядами, а также свободными зарядами. Эти заряды воздействуют друг на друга и испытывают на себе влияние эфира. Лоренц строил свою микроскопическую динамику таким образом, чтобы усреднение признаков микрообъектов приводило к уравнениям Максвелла. Надо полагать, это ограничение предохранило его от некоторых возможных ошибок. Более того, оно привело его к нетривиальным открытиям. Одно из них состояло в обнаружении альтернативы преобразованиям Галилея, которые физики вслед за Пуанкаре стали называть преобразованиями Лоренца. Запишем их для двух систем, движущихся относительно друг друга по оси х с относительной скоростью v:

(3.4).

Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца. Следовательно, введение преобразований Лоренца давало надежду на спасение принципа инвариантности.

Верность Лоренца динамическому принципу также заслуживает одобрения. Руководствуясь им, он предположил, что если объект движется в эфире, то он сжимается в направлении движения. А все происходящие в нем процессы из-за динамических эффектов замедляются в том же отношении. Эти процессы характерны и для интерферометра, используемого в эксперименте Майкельсона — Морли. Лоренц был уверен, что предлагаемые им динамические эффекты позволяют объяснить результаты эксперимента Майкельсона — Морли без отказа от признания реальности эфира. В данном случае Лоренц ошибался. Но несмотря на эту ошибку, ему удалось динамически проинтерпретировать многие эффекты, в частности, эффект Зеемана, состоящий в расщеплении уровней энергии и спектральных линий атомов и атомных систем в магнитном поле. Вместе с Зееманом он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Анри Пуанкаре был гениальным математиком. Он основательнее, чем сам Лоренц, понял содержание введенных в физику преобразований. Для Пуанкаре было очевидно, что они восстанавливают в своих правах принцип относительности. Второе прозрение Пуанкаре состояло в осознании им необходимости пересмотра понятия времени. В четвертом уравнении преобразований Лоренца фигурируют t и t'.

Парадоксы науки

Главная ошибка Лоренца в том, что он полагал, что реальное время — это t, а t' - всего лишь вспомогательная величина.

Пуанкаре понял, что t' реально не в меньшей степени, чем t. В каждой системе отсчета свое время. Если в системе используются часы, помещенные в различные ее места, то они должны быть синхронизированы каким-либо сигналом. В противном случае показаниям часов нельзя доверять. Что касается динамического принципа, то Пуанкаре считал, что Лоренц реализовал его с непревзойденным мастерством.

Альберт Эйнштейн, во-первых, полностью отказался от концепта эфира. Во-вторых, постоянство скорости света в вакууме он перевел из ранга факта в ранг принципа.

Вопросы теории

Понятие эфира приводит к трудностям, которые отпадают вместе с его отрицанием. Отказ от эфира не приводит к противоречиям. Утверждение же реальности эфира равносильно постулированию существования абсолютной системы отсчета. Согласно принципу инвариантности все инерциальные системы отсчета равноправны. Нет никаких оснований одну из них считать привилегированной. Концепт эфира был введен ради понимания природы волновых процессов. Волны, дескать, должны распространяться где-то, то ли в эфире, то ли в абсолютной пустоте. Но если утверждать, что волны распространяются относительно друг друга, то надобность в абсолютной системе отсчета отпадает.

Постулирование Эйнштейном инвариантности скорости света в вакууме также имело глубокий смысл. Дело в том, что он соединил его с динамическим принципом. Важно не только установить взаимодействие физических объектов, но и его характер. Несостоятельна концепция дальнодействия, согласно которой взаимодействие может передаваться с бесконечно большой скоростью. Эта скорость всегда является конечной. Следовательно, на смену концепции дальнодействия приходит концепция близкодействия. Причем на всех физических взаимодействиях лежит печать инвариантности скорости света. Это обстоятельство определяет различное понимание характера физического взаимодействия, с одной стороны, Эйнштейном, с другой стороны, Лоренцем. Оба руководствовались динамическим принципом, но само взаимодействие они интерпретировали по-разному.

В отличие от Лоренца Эйнштейн не считал, что тела сжимаются в направлении движения. Чем выше скорость рассматриваемой системы отсчета относительно наблюдателя, тем меньше в ней масштабы протяженностей и длительностей. Лоренц же рассуждал в принципиально иной манере, чем Эйнштейн. У него масштабы протяженностей и длительностей во всех системах отсчета одинаковые, а деформируются тела. Неодинаковость масштабов протяженностей и длительностей в различных системах отсчета вытекает непосредственно из принципов теории относительности. Деформация же объектов — это особый процесс, его объяснение дается в глубине теории.

Все вышеизложенное, касающееся становления релятивистской механики (специальной теории относительности) показывает, что физикам приходится размышлять неординарно. Концептуальные прозрения посещают то одного, то другого. Причем никто не застрахован от ошибок. Специальная теория относительности базируется на двух принципах.

• 1. Принцип инвариантности, или принцип специальной относительности: физические законы во всех инерциальных системах отсчета являются одинаковыми.
• 2. Принцип близкодействия: скорость передачи взаимодействий не может быть больше скорости света в вакууме, которая является инвариантом для всех инерциальных систем отсчета.

Вернемся к трем нашим героям, фиксируя их достижения и просчеты (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Развитие релятивистской механики.

По поводу вклада Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна в создание специальной теории относительности существует большой разброс мнений. В этой связи ограничимся небольшой справкой, в которой акцент делается на отношении друг к другу трех выдающихся авторов.

Лоренц не считал себя автором специальной теории относительности. Он признавал заслуги и Пуанкаре, и Эйнштейна. Ему было досадно, что он просмотрел отличие времени движущейся системы отсчета от времени системы, в которой находится наблюдатель. Лоренц, однако, относился к придуманной им теории не столь критически, как Эйнштейн. Он полагал, что в основном его теория совпадает с теорией Эйнштейна, ибо дает те же самые результаты. Есть основания считать, что Лоренц несколько преувеличивал свои заслуги.

Пуанкаре, рассуждая о теории относительности, не упоминал имя Эйнштейна, считая ее автором Лоренца, но не себя. Он не оценил должным образом новаторство Эйнштейна.

Эйнштейн считал именно себя автором специальной теории относительности. Заслуги Лоренца и Пуанкаре он признавал, подчеркивая, что благодаря их усилиям создались условия для открытия специальной теории относительности^[1]. Себе в заслугу он ставил понимание основополагающего значения преобразований Лоренца. Они выводят за пределы электродинамики Максвелла, выражая фундаментальные черты пространства и времени, к какой бы теории они ни относились^[2].

Автор не видит оснований не соглашаться с самооценкой Эйнштейна. Он действительно прояснил содержание принципиальных основ физической теории в значительно большей степени, чем Лоренц и Пуанкаре в качестве его предшественников.

Выводы

• 1. X. Лоренц развил микродинамическую теорию электромагнитных взаимодействий и записал преобразования, которые теперь именуют его именем.
• 2. Преобразованиям Лоренца противоречил факт инвариантности скорости света в вакууме.
• 3. А. Пуанкаре развил принцип относительности и сформулировал идею синхронизации часов.
• 4. А. Эйнштейн разработал принцип максимальной скорости передачи взаимодействий.

• [1] Born М. Physics in my generation. London: Pergamon Press, 1956. P. 193.
• [2] Ibid.