ОБ ИСТОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ "ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ"
Алексей Алексеевич Тяпкин
Статья Эйнштейна [6].
Эта статья, в отличие от работы Лоренца [4], содержала аксиоматический путь построения теории на основе двух исходных принципов: 1) принципа относительности, согласно которому "законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся" и 2) принципа независимости скорости распространения света от движения испускающего его источника [6]. (см. также [7], с. 100). Интересно рассмотреть, как обосновывались в статье эти
два принципа, положенные автором в основу построения новой теории. Принципу относительности в статье дается обоснование в самых общих выражениях без всякого упоминания и опыта Майкельсона, и результатов других экспериментов, создавших вместе тупиковую для классической физики ситуацию. Похоже, что автор лишь подводит итог подробно обсужденных в научной литературе экспериментов, отмечая на первой же странице своей статьи, что "неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно "светоносной среды" ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, даже более того — к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, имеют место те же самые элекродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка." "Мы намерены, — пишет вслед за этим Эйнштейн, - это предположение (содержание которого в дальнейшем будем называть "принципом относительности") превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящиеся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно: что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела." ([7], с. 97). Но это второе исходное положение всего теоретического построения в статье не только не обосновывается, но и не обсуждается. И это совсем не случайно. В то время еще не было обращено внимание, что независимость скорости света от движения испускающего его источника имеет прямое экспериментальное подтверждение в астрономических наблюдениях за двойными звездами. Поэтому единственным обоснованием этому положению служило тогда теоретическое представление о существовании особой светоносной среды — эфира, пронизывающего все тела и остающегося неподвижным при их движении. В своей статье Эйнштейн провозгласил устранение эфира из физических представлений основным результатом своего исследования, и поэтому, видимо, автор счел непоследовательным обращаться к свойствам отрицаемого им гипотетического эфира. Лишь позднее в 1912 г. Эйнштейн делает признание о заимствовании им принципа постоянства скорости света из лоренцевской теории неподвижного эфира. Так, он писал: "Общеизвестно, что нельзя обосновать теорию законов преобразования пространства и времени на одном лишь принципе относительности. ... Чтобы заполнить этот пробел, мы ввели позаимствованный из лоренцевской теории покоящегося светоносного эфира принцип постоянства скорости света ..."([43], с. 219). Однако, предлагая в своей работе решение проблемы, Эйнштейн совсем не сопоставлял его с решением, которое, более, чем за год до него, предложил один из основных исследователей этой проблемы — уже тогда хорошо известный крупнейший физик-теоретик Г.А. Лоренц. Конечно, естественно было бы предположить, что в этом была повинна неосведомленность молодого ученого. Но и в последующие годы Эйнштейн не выступил с анализом ранее предложенного Лоренцем решения и не показал, что, несмотря на существенное различие подходов двух авторов, полученные ими решения фактически тождественны30 и, в частности, принципиально невозможно получить результат физического эксперимента в пользу лишь одного решения. Только в этой особенности и состояло отличие от аналогичной ситуации, возникшей позднее с несколькими решениями в квантовой механике. 30Правда, в некоторых статьях, опубликованных даже в центральных физических жур­налах, делались предложения экспериментально доказать несостоятельность теоретического подхода, развитого Лоренцем. Однако полная необоснованность таких предложений была показана затем в моей работе [17].
Действительно, Эйнштейн предпочел, чтобы другие ученые разбирались в выяснении отношения содержания его работы и к предшествующему пионерскому исследованию Лоренца, и к параллельной работе Пуанкаре. И обе эти задачи, надо заметить, продолжают до сир пор решаться научным сообществом и с переменным успехом постепенно все же приближаются к выяснению объективной истины.
В первые годы после создания теории Эйнштейн в своих статьях приводил ссылки на статью Лоренца 1904 г., упоминая эту работу вместе со своей работой 1905 года. Как уже выше было отмечено нами, в большой статье 1907 г. "О принципе относительности и его следствиях" [33] Эйнштейн в конце введения ссылается на работу Лоренца 1904 г. и на свою работу 1905 г.как на основные работы, содержащие кинематические основы новой теории. Тем самым Эйнштейн фактически признавал тогда тождественность этих работ, по крайней мере в их кинематической части. Динамический же аспект теории частично был затронут им в статье 1906 г. в связи с обсуждением экспериментальной проверки различных предсказаний возрастания массы электронов "... по теории Бухерера ..., по теории Абрагама ..., по теории Лоренца и Эйнштейна ... " ([44], с. 48) в опытах по отклонению катодных лучей в магнитном поле. Но еще более удивительно, что Эйнштейн ни разу не высказался о палермской работе Пуанкаре 1905(6) [56], ни одним словом не отметил его важнейшего вклада в установление инвариантов новой теории, выражающих, так сказать, абсолютное содержание теории. 31 31Интересные личные воспоминания приводит в своей книге А. Пейс: "Как-то в начале 50-х годов я спросил Эйнштейна, какое влияние оказала на него палермская работа Пуанкаре. Он ответил, что никогда не читал ее. У меня был экземпляр этой статьи, и я спросил его, не хочет ли он с ней ознакомиться, Эйнштейн ответил согласием, и я принес ему эту статью. Обратно я ее так и не получил. Спустя некоторое время после смерти Эйнштейна я попросил Элен Дюкас поискать ее, но оказалось, что она бесследно исчезла ..." ([30], с. 165).
О равнодушии к славе и неприязни к популярности, о необыкновенной скромности великого ученого неоднократно писали биографы Эйнштейна, а явные отступления от слагаемых легенд они объясняли особым пристрастием его второй жены Эльзы к славе своего мужа. Тем не менее остается непреложным фактом всей жизни самого Эйнштейна, что за все годы после создания теории в своих многократных выступлениях в печати о теории относительности он ни разу не отметил ни фундаментальной работы Пуанкаре 1905(6) г., ни значения его более ранних работ в разъяснении кризисной ситуации, сложившейся после опыта Майкельсона-Морли. А ведь разделить честь завершения создания теории с Пуанкаре было бы актом большой научной справедливости, поскольку работа последнего была действительно более глубокого содержания, а имевшиеся в работе Эйнштейна простые разъяснения физического смысла новых понятий были опубликованы в более ранних работах Пуанкаре.
Эйнштейн так и не сделал признания о влиянии на его творчество ранних работ Пуанкаре, в которых были выдвинуты и обоснованы исходные положения, использованные им при построении теории. Правда, он не сделал и прямого отрицания своего знакомства с этими работами в своем ответе доктору К. Зелигу в связи с вопросами, поднятыми в книге Эд. Уиттекера [11]. Вот поэтому, помимо сопоставления содержания работ, приходится прибе­гать к сведениям, полученным от его друзей. Так, из книги К. Зелига [24] мы узнаем, что Эйнштейн со своими друзьями М. Соловиным и К. Габихтом подробно штудировали книгу А. Пуанкаре "Наука и гипотеза". Обсуждая этот вопрос, историк Дж.Кесуани приходит к выводу, что такое изучение в кружке "Олимпия" могло состояться только до отъезда Габихта из Берна в 1904 году и, следовательно, "до того, как Эйнштейн опубликовал или написал свою работу в 1905 году" [45 а)]. А. Пейс по этому поводу пишет в своей книге: "Хочу подчеркнуть, что Эйнштейн с друзьями не просто листали работы Пуанкаре. Соловин оставил нам подробный список книг, изучавшихся членами "Академии". Из всего списка он выделил одну-единственную книгу — "Наука и гипотеза", причем говорил о ней так: "[Эта] книга произвела на нас столь сильное впечатление, что в течение нескольких недель мы не могли прийти в себя" ([30], с. 132). Напомним, что в этой книге Пуанкаре была детально обоснована необходимость распространения принципа относительности на оптические и электромагнитные процессы, а приведенные в виде тезисов идеи об отсутствии абсолютного времени и однозначной одновременности событий сопровождались ссылкой на свою подробную работу на данную тему (1898) [15]. Невозможно себе представить, чтобы молодой Эйнштейн, долго размышлявший на тему об эфире и свете, прошел мимо этой работы, в которой впервые было рассмотрено понятие одновременности разноместных событий и дан способ определения одновременности на основе предположения о постоянстве скорости распространения света. По этому поводу А. Пейс пишет: "Однако почти наверняка еще до 1905 г. Эйнштейн знал о парижском выступлении Пуанкаре 1900 г. и читал замечание Пуанкаре 1898 г. об отсутствии интуитивного понимания равенства двух интервалов времени" ([30], с. 131). К этому выводу известного современного физика-теоретика нам следует сделать лишь одно естественное добавление: содержание работы Эйнштейна 1905 г. свидетельствует, что он не просто был поражен, как и его друзья, глубокими идеями французского ученого, а стал (неявным) приверженцем этих идей и верным последователем указанного курса, поскольку самостоятельно смог развить эти кардинальные идеи в новую концепцию о физических свойствах пространства и времени. Действительно, доклад Пуанкаре на Парижском конгрессе 1900 г. с его явно высказанными сомнениями в существовании эфира ("А наш эфир — существует ли он в действительности?" ([46], с. 107)), безусловно, мог стать причиной коренного изменения отношения молодого Эйнштейна к его прежней вере в существование гипотетической среды. А ознакомление с работой Пуанкаре 1898 г. дало ему ключ к разгадке проблемы невозможности обнаружения эфирного ветра на основе пересмотра понятия одновременности событий и подготовило его к пониманию следующей работы Пуанкаре 1900 г. [18], в которой впервые давалось объяснение физического смысла "местного" времени Лоренца на основе рассмотрения синхронизации часов, находящихся в разных точках движущейся системы. То, что работа [18] из юбилейного номера журнала (посвященного Лоренцу) была известна Эйнштейну, следует из его работы 1906 г. [28], а факт его знакомства с ней до написания в 1905 г. основной работы [6] основывается только на текстуальном совпадении самих описаний процедуры синхронизации часов в сравниваемых статьях и, конечно, на нашем выводе о систематическом сокрытии автором своих предшественников. Аномальность этой особенности очевидна, поскольку в рассматриваемом случае ссылка на авторитет Пуанкаре могла лишь помочь признанию научной значимости новаторского вклада Эйнштейна. Поэтому выяснение влияния исходных идей Пуанкаре на научное творчество Эйнштейна не может уменьшить его заслуг на завершающем этапе создания теории, подобно тому, как признание решающего значения исходных для квантовой механики идей Планка, Бора и де Бройля не уменьшило заслуг непосредственных создателей этой теории — Гейзенберга и Шредингера. В отличие от многих других исследователей, которым также были хорошо известны высказанные Пуанкаре новые идеи, критический ум Эйнштейна оказался способным воспринять их, несмотря на, казалось бы, явное противоречие исходных положений о принципе относительности и независимости скорости света от движении источника, и дать на основе этих постулатов самостоятельное построение физической теории. Независимость работы Эйнштейна в этой завершающей стадии создания новой физической теории от аналогичных работ Лоренца и Пуанкаре проявилась в целом ряде принципиальных отличий даваемой трактовки созданной теории. Прежде всего, в работе Эйнштейна было наиболее явно подчеркнуто, что решение проблемы электродинамики движущихся тел связано с коренными изменениями физических представлений о пространстве и времени. Кроме того, построение Эйнштейна было свободно от ошибок лоренцевского объяснения возникающих эффектов. И хотя в статье Эйнштейна не содержалось новых предсказаний каких-либо физических эффектов по сравнению с более ранними работами Лармора [19] и Лоренца [4], но она давала единое объяснение всем этим эффектам на основе нового представления о пространстве и времени, и при этом в статье содержалось одно совершенно новое утверждение об обратимости этих эффектов. В статье Эйнштейна об этом было сказано всего одна фраза: "Ясно, что те же результаты получаются для тел, которые находятся в покое в покоящейся системе, но рассматриваются из равномерно движущейся системы." Но именно эта фраза характеризует важнейший аспект понимания новой теории и делает очевидной полную необоснованность лоренцевского объяснения возникновения кинематических эффектов движением системы в эфире. Как мы уже отмечали, этот аспект, содержащийся неявно в самом теоретическом построении Лоренца, так и остался не выясненным ни в его работе 1904 г. [4], ни в последующих его работах. В фундаментальном исследовании Пуанкаре [5] свойство обратимости группы непосредственно использовалось при выводе самих преобразований Лоренца. Однако, несмотря на это формальное использование свойства обратимости группы, при обсуждений относительных эффектов сокращения пространственных отрезков и растяжения длительностей временных интервалов, взятых в "движущейся" системе и отнесенных к "покоящейся" системе, Пуанкаре не подчеркивает их обратимость, обусловленною переходом к использованию другой одновременности, хотя на условность этого понятия он обращал внимание еще в работе 1898 года. Между тем были вполне естественные трудности понимания обратимости высокоскоростных кинематических эффектов, которые к тому же значительно усугублялись явными недостатками самих формулировок этих эффектов.32 Поэтому после встречи с физиками на Сольвеевском конгрессе в начале ноября 1911 г. Пуанкаре выступил с необходимыми разъяснениями по поводу обращения эффектов в своей последней лекции, прочитанной в Лондонском университете в мае 1912 года. 32Так, принятая упрощенная формулировка эффекта растяжения временного интервала как утверждение о том , что "движущиеся часы идут медленнее неподвижных" , очевидно, не допускает прямого обращения этой формулировки. Как мы писали в статье [16], на самом деле одесь под "неподвижными" часами подразумеваются всегда пара часов, расположенных в различных точках одной ио инерциальных систем отсчета, а под "движущимися" часами подразумеваются отдельные часы в какой-либо точке другой инерциальной системы, и именно показания этих одиночных часов сравнивается с показаниями другой пары часов, которые синхронизованы световыми сигналами согласно условной собственной одновременности данной системы. Операция же обращения подразумевает всегда переход к использованию другой условной одновременности и соответствующему выбору пары часов в системе, где прежде выбирались лишь отдельные часы для проводимого сравнения.
Возвращаясь к статье Эйнштейна, оказавшей основное влияние на сравнительно быстрое признание новой теории в среде физиков, мы отметим все же одну, по нашему мнению, характерную для этой статьи ограниченность изложения, имеющую отношение к недостаткам утвердившегося понимания самой сути происшедших изменений физических представлений о пространстве и времени. Как в первой работе, так и в последующих своих выступлениях на эту тему необычные свойства масштабов и часов трактовались им как самостоятельные сущности в отрыве от общих свойств физических процессов. Как мы уже отмечали выше, мы считаем, что только предположение об универсальности, всеобщности открытых в электродинамике свойств движения объектов позволяет обоснованно считать, что именно этими свойствами выделена группа Лоренца, и соответствующую псевдоэвклидову геометрию поэтому можно в некоторой мере считать геометрией физического мира.
В изложении же теории Эйнштейном как раз этот вопрос, важнейший для понимания подлинной сути происшедшего перехода к новым физическим представлениям о пространстве и времени, остался скрытым в тени формального перехода к новым пространственно-временным преобразованиям. Иначе говоря, этот переход в статье был сделан без уяснения того, что новые преобразования отличаются от старых преобразований Галилея всего лишь выбором единиц измерения на линейках и на циферблатах часов и особым сдвигом нулевых отсчетов на последних. А действительная неравноправность этих двух различных систем исчисления координат происходящих в физическом мире событий диктуется только всеобщими свойствами физических процессов, связывающих отдельные события в цепочки причинно-следственных отношений. К сожалению, этот недостаток изложения и истолкования теории укоренился во многих книгах и вошел целиком в ортодоксальную трактовку теории, и его мне удалось избежать в работах [39, 47], развивая идею обобщения электродинамики, высказанную в статьях Лоренца [4] и Пуанкаре [5, 41], и неизменно следуя курсу примата динамических причин над кинематическими свойствами движения, выра­женными в метрике Минковского.33 33 Миланское издательство "Jaca Book" выпустило на итальянском яоыке 15-томную энциклопедию оригинальных взглядов по современным проблемам науки и искусства EDO (Un'Enciclopedia D'Orientamento) "La Enciclopedia Tematica Aperta". В томе "Fisica" среди 4-х вступительных лекций была опубликована и моя работа "Relativita' speciale" (она также была выпущена иодательством в виде отдельной книжки под N 52) [47]. Чести приглашения в EDO я был удостоен благодаря моей статье в УФН [16].
Между прочим, Эйнштейн уже в 70-ти летнем возрасте в своих "Автобиографических заметках" все же отметил обсуждаемый выше недостаток проведенного им в 1905 г. построения теории относительности и признал целесообразность иного подхода. Так он писал:" Можно заметить, что теория вводит (помимо четырехмерного пространства) два рода физических предметов, а именно: 1) масштабы и часы, 2) все остальное, например электромагнитное поле, материальную точку и т.д. Это в известном смысле нелогично; собственно говоря, теорию масштабов и часов следовало бы выводить из решений основных уравнений (учитывая, что эти предметы имеют атомную структуру и движутся), а не считать ее независимой от них." [48, с. 280] Далее после нескольких слов о вынужденном в начале века выборе этого нелогичного пути построения теории Эйнштейн добавляет: "Однако этот грех нельзя узаконить до такой степени, чтобы разрешить, например, пользоваться представлением о расстоянии как о физической сущности особого рода, существенно отличной от других физических величин(сводить физику к геометрии и т.п.)."
Но все же от этого признания было еще далеко до понимания Пуанкаре возможности получения физически эквивалентных описаний новой механики как на основе группы Лоренца, так и на основе группы Галилея. [41]. А, самое главное, осталось неосознано, что данная рекомендация иного пути построения теории фактически означала признание более правильным тот путь, который был избран предшественником Эйнштейна. Действительно, Лоренцу тогда после его работы 1904 г. оставалось получить описание новых кинематических соотношений в рамках прежних преобразований Галилея, чтобы понять глубокое соответствие полученных им ранее новых преобразований координат всеобщим свойствам физических процессов.