Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Наконец мы у цели. Все последующее посвящено непосредственно теории Эйнштейна. Мы не будем сколько-нибудь подробно останавливаться на других попытках объяснить результат Майкельсона, хотя они очень интересны и поучительны. Но несколько слов сказать о предшественниках надо, хотя бы затем, чтобы лишний раз убедиться, как много возможных путей открывается каждый раз, когда старая теория зашла в тупик и нужно создавать новую.

Традиционные общие рассуждения. Несколько слов о предшественниках Эйнштейна.

Первый — Лоренц, очень много работавший над теорией электромагнитного поля и создавший в восьмидесятых годах прошлого века наиболее стройную и прогрессивную схему «эфирной физики». После работы Майкельсона он сделал отчаянную попытку спасти свою теорию (1904 г.).

Лоренц предположил, что все тела, движущиеся относительно эфира, сокращаются в направлении перемещения в отношении

Здесь l0 — длина тела, покоящегося относительно эфира; v — скорость тела относительно эфира[53].

Он даже нашел очень правдоподобное (конечно, тоже гипотетическое) объяснение этого явления на основе своей теории строения материи. Теория Лоренца не только объясняла результаты опыта Майкельсона, но и по своей формальной, математической структуре очень походила на теорию Эйнштейна.

Еще ближе к теории относительности идеи крупнейшего французского математика Пуанкаре[54].

Довольно часто недоумевают: почему Лоренц и особенно Пуанкаре, так близко подошедшие к теории относительности, не смогли сделать последний шаг? Традиции обязывают высказаться по этому поводу.

Теорию относительности открыл Эйнштейн, а не Пуанкаре или Лоренц единственно потому, что Эйнштейн несравненно глубже разобрался в существе дела.

Этот ответ полностью исчерпывает проблему.

Если же говорить серьезно, то, пожалуй, широко распространенное мнение, что Пуанкаре и Лоренцу оставалось совсем немного для формулировки теории относительности, ошибочно.

Некий вклад в историю науки.

Всякая физическая теория в первую очередь определяется не математическим аппаратом, а физическим содержанием. Лоренц и особенно Пуанкаре действительно были очень близки к математической формулировке теории, но в физике они не разобрались. А этот последний шаг в данном случае и был самым трудным. И гадать, через сколько времени Пуанкаре пришел бы к идеям Эйнштейна, в высшей степени бессодержательное занятие.

Статья Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» была напечатана в 1905 году в семнадцатом томе «Annalen der Phýsic»[55].

Говорить о значении этой работы излишне, а внешняя характеристика труда Эйнштейна прекрасно дана Инфельдом:

«Название статьи очень скромное, однако при чтении мы сразу замечаем, что эта работа отличается от других аналогичных работ. Она не содержит ссылок на литературу, не цитируются авторитеты, а отдельные сноски носят лишь пояснительный характер. Работа написана простым языком, и большая ее часть может быть понята без глубокого знания предмета. Можно только удивляться, что эта работа, отличающаяся так резко по своей форме от обычных научных работ, была пропущена референтом (если таковой вообще существовал). Это тем более удивительно, что для полного понимания этой статьи требуется такая глубина, которая ценнее и встречается реже, чем педантичное знание. Метод изложения и сам стиль работы сохранили свою свежесть еще и сегодня. Она до сих пор является лучшим пособием для изучения теории относительности. Автор этой работы не принадлежал к научным кругам, он не был даже преподавателем средней школы. В то время, 50 лет назад, будучи молодым доктором философии, 26 лет от роду, он служил в Швейцарском патентном ведомстве в Берне».

…Эйнштейн начал с выбора безусловных опытных фактов. Фактам «несть числа», и они, казалось бы, противоречат один другому. Отсеять все побочное и выбрать основное — задача сама по себе исключительно тяжелая.

Но вот безусловное. Опыт Майкельсона окончательно убедил, что оптические явления на Земле не зависят от ее движения относительно неподвижных звезд. А так как годичное движение Земли относительно звезд можно с высокой степенью точности считать равномерным и прямолинейным (и это очень важно), то, следовательно, Майкельсон показал, что равномерное и прямолинейное движение Земли относительно неподвижных звезд не сказывается на оптических явлениях на Земле[56].

Но если так, то, значит, принцип относительности Галилея верен и для электромагнитных явлений, и возможно, он вообще общий закон природы! Это предположение Эйнштейн берет за первый постулат своей теории.

«Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга».

Первый постулат теории Эйнштейна — принцип относительности. Сейчас необходимо снова просмотреть главу V.

Как видите, словесно этот постулат отличается от принципа Галилея только тем, что вместо слова «механика» поставлено «природа». Соответственно и физическое содержание совпадает с существом принципа относительности Галилея, с той важнейшей поправкой, что теперь постулируется равноправие инерциальных систем по отношению ко всем физическим законам (а не только к законам механики).

Физическое содержание принципа относительности нам уже знакомо.

Именно: равномерное и прямолинейное движение системы отсчета относительно неподвижных звезд абсолютно ни на что не влияет. (Ни один опыт, произведенный внутри замкнутой комнаты, не обнаружит ее равномерного и прямолинейного движения относительно неподвижных звезд.)

Возможно, в такой форме принцип относительности покажется тривиальным. Ведь звезды так далеко, и интуитивно как будто ясно, что они ни на что влиять не могут.

Вспомните, однако, о вращательном движении. Стоит заставить «изолированную от внешнего мира» комнату «вращаться относительно звезд», как наблюдатель внутри комнаты сразу это заметит.

Так что принцип относительности отнюдь не самоочевиден. Напротив, он весьма удивителен. Но мир так устроен…

Итак, Эйнштейн распространяет принцип относительности на все законы природы (а в первую очередь на законы электромагнетизма), тем самым сразу объясняя отрицательный результат опыта Майкельсона. Он — совершенно очевидное следствие принципа относительности.

Равномерное прямолинейное движение относительно неподвижных звезд ни на что не влияет, и поэтому, пусть Земля движется, световые лучи в установке Майкельсона ведут себя точно так же, как если бы она покоилась. Чтобы не углубляться в детали, приведем совершенно точную аналогию.

Принцип относительности и опыт Майкельсона.

Если в салоне равномерно плывущего корабля играть в бильярд, то все будет происходить так же, как и на твердой Земле. Бильярдным шарам безразлично, летят ли они по направлению движения, или против движения, или под углом 90° к курсу корабля.

Шар, пущенный от одной стенки к другой по направлению движения и отраженный затем назад, затратит на путь «туда» такое же время, как и на путь «обратно» (естественно, мы пренебрегаем изменением скорости из-за трения шара о сукно стола).

Шар, летящий перпендикулярно направлению движения корабля, также «не знает», что корабль движется; он ударится о борт стола точно против того места, откуда вылетел. Движение корабля не «сдует» шар в сторону.

В общем игроки в бильярд никак не почувствуют, что игра происходит на корабле, а не в здании.

Если вместо бильярда представить себе экспериментальную установку Майкельсона, вместо шаров — световые лучи, а вместо корабля — Землю, то весь опыт пройдет так, как если бы Земля покоилась относительно неподвижных звезд (неувлекаемого эфира).

Подобно бильярдным шарам, лучам света безразлично, под каким углом к направлению движения Земли они распространяются, и время их пути совершенно не зависит от этого угла.

Принцип относительности и эфир.

Очевидно, что, приняв принцип относительности Эйнштейна, надо распроститься с выделенной системой отсчета — неувлекаемым эфиром. Если помните, в V главе остался открытым вопрос о существовании «абсолютной системы». Мы допускали, что такую систему, может быть, можно обнаружить, исследуя, например, электромагнитные процессы. Распространяя принцип относительности на все законы природы, Эйнштейн тем самым уничтожает идею существования выделенной системы отсчета.

Но не противоречит ли принципу относительности аберрация? Ведь мы объясняли ее, считая, что имеется абсолютная система отсчета — неувлекаемый эфир. Однако кто сказал, что это объяснение единственно возможное?