Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга) - Гернек Фридрих - Страница 51

Теория относительности Эйнштейна возникла непосредственно из неудач классической теории. Ее первые предпосылки мы находим в отдаленном прошлом. В Мюнхене 13-летний Эйнштейн благодаря "Естественнонаучным книгам для народа" обратил внимание на скорость света. В Аарау он размышлял над тем, что, собственно, наблюдалось бы, если бы можно было следовать за световой волной со скоростью света. Не должно ли было бы, как выразит он это позднее, предстать перед нами "не зависящее от времени волновое поле": словно остановившаяся, оцепеневшая в движении световая волна? "Такое все-таки кажется невозможным!"

Переворот, который теория относительности осуществила в естественнонаучном и философском мышлении, может быть оценен во всем своем объеме только тогда, когда мы представим себе воззрения на время, пространство и движение, которые до выступления Эйнштейна считались вечными истинами.

Ньютон учил, что есть "абсолютное, истинное и математическое время", текущее однообразно, "без связи с каким-либо внешним предметом". Достаточно было представить себе космические стандартные часы, по которым можно было бы в любом месте вселенной узнавать о состоянии времени. Точно так же Ньютон говорил об "абсолютном пространстве". Он рассматривал его как своего рода емкость, которая "без связи с каким-либо внешним предметом постоянно остается одинаковой и неподвижной". Для Ньютона существовало также "абсолютное движение": перемещение некоторого тела с одного абсолютного места на другое абсолютное место.

Такой глубокий мыслитель, как Лейбниц, сомневался в правомерности этих взглядов Ньютона. Но до Маха ни одному физику не приходила мысль подвергать сомнению ньютоновские догмы абсолютного времени, абсолютного пространства и абсолютного движения.

В 1871 году Мах указал на то, что наши представления о времени мы получаем "через зависимость вещей друг от друга", в наших представлениях о времени выражается "глубочайшая и всеобщая зависимость вещей". Понятие абсолютного времени есть пустое "метафизическое" понятие, "понятие-чудовище". Сходным образом отрицает он ньютоновские идеи абсолютного пространства и абсолютного движения как безнадежные идеи, не имеющие никакого физического смысла.

Гносеолог Людвиг Ланге, ученик лейпцигского психолога Вильгельма Вундта, присоединился к маховской критике и творчески развил ее в своей работе "Историческое развитие понятия движения и его возможный конечный результат". Этот труд Макс фон Лауэ считал одним из верстовых столбов на пути физической мысли от Коперника до Эйнштейна.

Критика Махом классических понятий времени, пространства и движения была важна для Эйнштейна в гносеологическом аспекте. "Несмотря на то что сегодня Мах по праву расценивается как идеалистический философ, - заметил по этому поводу Леопольд Инфельд, - не может быть сомнения, что его специальный физический анализ механики сыграл определенную роль в развитии физики, ведущем к теории относительности". Эйнштейн также неоднократно высказывал подобные мысли: так, в некрологе в 1916 году он оценил Маха как предтечу теории относительности.

Конечно, критика Ньютона Махом была только одной из предпосылок создания теории относительности. В области теоретической физики особое значение имела электродинамика Максвелла и Герца: в той форме, которую придал ей голландец Хендрик Антон Лоренц путем введения закона взаимодействия электромагнитного поля и электронов. На этом фундаменте Эйнштейн возводил здание своей теории.

В области экспериментальной физики заслуживает внимания опыт Майкельсона. Для создания теории относительности он сыграл такую же роль, как в свое время попытки построить, вечный двигатель для установления принципа сохранения энергии.

Опыт, предпринятый Майкельсоном в 1881 году в Берлине и Потсдаме и давший вполне убедительные результаты после повторения в 1887 году вместе с Морли в США, должен был служить для измерения абсолютной скорости Земли во вселенной.

Исходя из предпосылки, что существует покоящийся световой эфир, физики высказали предположение, что при движении земного шара через этот эфир должен быть заметен "эфирный ветер", подобно тому, как при быстрой езде в автомобиле заметен ветер даже лри спокойном воздухе. Рассеяние световых волн из-за эфирного ветра должно было, как полагали, показать в измеримых величинах перемену скорости света, если от наземного источника света будут посланы световые сигналы в разных направлениях. Таким образом можно было измерить оптическим путем скорость Земли относительно покоящегося эфира и тем самым одновременно относительно абсолютного пространства.

Несмотря на то что зеркальный интерферометр, гениально придуманный и с непревзойденной тщательностью и точностью построенный Майкельсоном, должен был показать даже крохотную долю действия, которое ожидалось теоретически, всякий эффект отсутствовал. Повторение эксперимента Морли и Миллером в 1904 году также дало негативный результат: не проявилось никакого признака или воздействия эфирного ветра. Скорость света в пустом пространстве оказалась при всех условиях опыта неизменной по времени. Она была независимо от направления одинакова и равна примерно 300 тыс. километров в секунду.

Исход эксперимента Майкельсона не согласовывался с господствующим представлением о световом эфире. Он очень разочаровал физиков. Но, как каждое разочарование, если только оно основательно и окончательно, он означал также шаг вперед.

Вначале пытались разобраться с опытом Майкельсона и его загадочным результатом в рамках механистической картины природы. Новые факты исследований постоянной скорости света пытались привести в соответствие со старыми теоретическими положениями. Эти попытки делал прежде всего Лоренц, в мышлении которого глубоко укоренился механистический взгляд на природу.

Лоренц примкнул к гипотезе, выдвинутой до него ирландским физиком Фитцджеральдом, который предполагал, что предметы укорачиваются в направлении своего движения соответственно их скорости в абсолютно неподвижном эфире. Благодаря этому изменению формы - как результату движения в эфире и в соответствии с массой, которая определяется через скорость, временное различие выравнивается и тем самым устраняется действие эфирного ветра. Если дело обстоит именно так, опыт Майкельсона не мог дать никакого иного результата. Лоренц также учил вычислению по формуле притяжения тел, названному в его честь "преобразованием Лоренца".

Толкование, которое Лоренц давал своей формуле, не могло, однако, удовлетворить физиков, в особенности потому, что тем самым система, покоящаяся в эфире, являлась как бы привилегированной относительно всех других. Законы механики должны были бы произвольно быть во многом изменены, чтобы такое положение вещей - для которого не было достаточных оснований считалось верным. Контракционная гипотеза осталась чисто механистической попыткой толкования. Она была достойна удивления, но казалась искусственной и малоубедительной.

Специальная теория относительности, как называлась теория Эйнштейна в ее первой стадии, сразу и основательно решила загадку опыта Майкельсона. Эйнштейн перевернул ход мыслей Лоренца: он возвел принцип постоянства скорости света в пустом пространстве, являвшийся у Лоренца следствием, в ранг естественного закона и поставил его как фундаментальное положение в начале всех рассуждений.

Принцип относительности, установленный Галилеем и Ньютоном для механического движения, Эйнштейн перенес из механики в электродинамику движущихся тел. При этом следовало при переходе к другой системе связей соответственно изменить и значение времени, которое у Галилея и Ньютона оставалось неизменным.

Величины времени и величины пространства, выступавшие в классической физике как самостоятельные, были теперь связаны друг с другом посредством скорости света, "сплавлены", как сказал Планк. Или, выражаясь иначе: измерения пространства и времени были объединены в теории относительности под углом зрения независимой от направления постоянной скорости света в вакууме.