Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик

Все асимметрии ушли, когда Эйнштейн возвысил «каютный» закон механики до всефизического принципа, а скорость света объявил бесподобной — неизменной, не зависящей ни от чего, и, в частности, от эфира. А значит, сам эфир излишен — с его обязанностями вполне справится пустота. И, значит, в уравнениях Максвелла скорость света — настоящая физическая константа.

Эйнштейн исправил электродинамику, не меняя этих уравнений. Но всякое движение под действием электромагнетизма происходит во времени и пространстве, а эти понятия он изменил радикально, совместив принцип относительности с неизменной скоростью света.

Первым, кто принял теорию Эйнштейна и включился в ее развитие, стал Планк. Задача прояснить электродинамику Максвелла пришлась по душе ему, классическому профессору и лишь нечаянно революционеру. Планк показал, как надо изменить законы механики, чтобы учесть новое понимание пространства, времени и электродинамики. В новых законах движения участвовала, конечно, скорость света.

Следующий важный шаг в развитии теории относительности сделал математик Герман Минковский, осознав, что новые физические представления о пространстве и времени порождают новый тип геометрии — геометрию пространства-времени. Точка пространства-времени — это событие, происшедшее где-то и когда-то, например, пересечение стрелкой часов данной точки на циферблате или включение фонаря. А как выразить coотношение двух событий?

Мы уже знаем, что два события, одновременные для одного наблюдателя, могут быть неодновременными для другого. Но не всякие два события одновременны хоть для какого-нибудь наблюдателя. Пусть, например, первое событие — отправка светового сигнала включением фонаря, а второе — прибытие этого сигнала в другом месте, отмечаемое вспышкой другого цвета. Если для наблюдателя А эти два события разделены расстоянием rА и временем tА, то rА = ctА, где c — скорость света. Для наблюдателя Б эти два события разделены расстоянием rБ и временем tБ, но по прежнему rБ = ctБ, поскольку скорость света — одна и та же для всех наблюдателей. Эту связь двух событий можно выразить и в форме, не зависящей от выбора наблюдателя: если для некоторого наблюдателя расстояние и время между двумя событиями связаны соотношением

r2 — (ct) 2 = 0,

то и для любого другого наблюдателя измеренные им расстояние и время между теми же событиями связаны тем же соотношением. То есть получена абсолютная связь двух событий, одинаковая для всех наблюдателей.

Возьмем теперь пару событий, для которой измеренные наблюдателем А расстояние и время между ними дают неравенство

rА2 — (ctА) 2 > 0,

то есть расстояние rА между местами событий столь велико, что за время tА свет не успел бы дойти от одного до другого. Но значит, не успеет и для любого другого наблюдателя, то есть по-прежнему

rБ2 — (ctБ) 2 > 0.

Стало быть, первое событие для всех наблюдателей произошло раньше второго, абсолютно предшествовало второму.

Если же для некоторой пары событий

r2 — (ct) 2 < 0,

то, во-первых, для любого наблюдателя такая величина также отрицательна, а, во-вторых, всегда найдется наблюдатель, для которого эти события окажутся одновременными.

Минковский показал, что, в силу теории относительности, для любой пары событий величина

r2 — (ct) 2,

называемая интервалом между событиями, для всех наблюдателей имеет не только один и тот же знак — положительна, отрицательна или равна нулю, но и одинаковое численное значение. Таким интервалом, или метрикой, определяется абсолютная взаимосвязь событий в пространстве-времени и основа его абсолютной хроногеометрии.

Описанная связь пространства и времени дает новый смысл физической константе c. Называть ее скоростью света можно лишь по историческим причинам. Любые физические процессы проходят в пространстве и времени, даже если и без участия света, в кромешной тьме. Свету просто повезло распространяется со скоростью, равной фундаментальной константе c, связывающей пространство и время. Теорию относительности можно назвать c-теорией, поскольку она основана на фундаментальной роли константы c.

Разумеется, количественная роль этой константы в конкретном физическом явлении может быть и пренебрежимо мала, но это уже зависит от требуемой точности описания. В обыденной жизни и в большой части физики участие c незаметно потому, что обыденные скорости ничтожно малы по сравнению со скоростью c.

Когда-то люди думали, что Земля плоская. И это мнение вполне оправданно, если в жизненном опыте нет расстояний в тысячи километров (радиус Земли, напомним, — примерно шесть тысяч километров). Заметили шарообразность Земли и измерили ее радиус те, для кого подобные расстояния обычны, — географы и астрономы. Аналогично и особые свойства скорости света открылись физикам, когда они в своих опытах взялись за очень большие скорости. Теория относительности была бы открыта гораздо раньше, если бы в обыденной жизни встречались скорости, сопоставимые со скоростью света.

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Надо сказать, что Эйнштейн безо всякого восторга встретил геометрическую идею Минковского: мало ли какие фокусы делают математики с законами физики… Он изменил свое отношение, когда взялся за новую проблему, порожденную его же успехом. Теория относительности, преодолев «асимметрию» электродинамики Максвелла, вошла в конфликт с законом гравитации Ньютона.

Прежде чем перейти к этому конфликту, посмотрим на создание теории относительности с такой высоты, с какой видна вся история фундаментальной физики. При этом воспользуемся уже знакомой эйнштейновской схемой:

В данном случае эмпирически наблюдаемая реальность Э — «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“». Крутым взлетом свободной интуиции Эйнштейн поднял странные результаты единичных искусных опытов до общего аксиоматического принципа А — о неизменности скорости света. До того же уровня он поднял Галилеев принцип относительности, убрав неработающую аксиому о существовании эфира. Из двух его аксиом последовало новое понимание одновременности, «странный» закон сложения скоростей и другие утверждения У, доступные опытной проверке.

Все просто и логично, если не считать интуиции, о которой Эйнштейн сказал: «Понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречным образом… Не согрешив против логики, никуда не придешь». Нарушать приходится логику старой теории, и требуется огромная сила духа, чтобы из «нелогично» изобретенных аксиом настойчиво извлекать логические следствия, сверяя их с эмпирической реальностью, и выяснять логику новой теории.

Драматизм такого соединения логики и интуиции проявился в авторстве теории относительности. 26-летний патентный эксперт третьего класса был не единственным, кто в 1905 году размышлял об электродинамике движущихся тел, о пространстве и времени. Больше других в этой области сделали тогда уже знаменитые Х. Лоренц (голландский физик и нобелевский лауреат 1902 года) и А. Пуанкаре (французский математик с глубоким интересом к физике). Их имена не зря вошли в нынешние термины теории относительности — «преобразования Лоренца» и «группа Пуанкаре». Эйнштейн изучал их труды, идеи которых вошли в теорию относительности. Лоренца и Пуанкаре можно назвать соавторами Эйнштейна, однако целостную и ясную физическую теорию относительности создал именно он.

Какую-то роль сыграл, вероятно, грустный закон Планка о смене поколений в науке. Лоренцу и Пуанкаре было уже за 50, и оба они — даже после эйнштейновской статьи 1905 года — держались за понятие эфира и придумывали сложные механизмы взаимодействия эфира и вещества, чтобы обеспечить правильные соотношения пространственных и временных величин. А Эйнштейн, опираясь на результаты опытов — те самые «неудавшиеся попытки», изобрел странный, но простой принцип постоянства скорости света — аксиому, которая вместе с принципом относительности безо всяких эфирных механизмов логически вела к новым важным результатам. Он стремился не к «понятности» объяснения, а к раскрытию устройства природы. «Понять» обычно означает «свести к знакомому, привычному», и эфир был привычным. Держась за привычное, легче идти в неведомое. Но невозможно взлететь.