ОБ ИСТОРИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ "ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ"
Алексей Алексеевич Тяпкин
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
|
Всегда познавайте предмет в противоречиях. Вы обнаружите при этом, что существует постоянный заговор, имеющий целью препо­дать тот предмет догматически и односторонне. Бернард Шоу |
История науки изредка удивляет примерами непосредственного влияния на современное состояние науки. Это происходит в тех редких случаях, когда возврат к прошлому науки, помимо общих сведений и полезных гносеологических выводов из анализа прошедшего развития научного познания, приносит конкретные методические или теоретические находки. Это обычно научные положения, забытые или даже отброшенные на прежнем витке развития, а теперь неожиданно получившие актуальное значение. Бывали и такие случаи, когда сам автор понимал бесполезность обращения к современникам и специальным посланием сообщал о своем открытии будущим поколениям ученых.57
57Так, самый выдающийся прорицатель в физике прошлого столетия, гениальный экспериментатор-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867) оставил в 1832 г. в Королевском обществе для хранения запечатанный конверт с надписью "Новые воззрения" (вскрыть в 1882 г.), в котором содержался вывод о том, что открытое им год назад явление электромагнитной индукции должно приводить к колебаниям, распространяющимся в пространстве в виде волн электрической индукции. О конверте забыли, и он был вскрыт только в 1938 году. Таким образом, к его удивительно правильным объяснениям результатов собственных опытов по индукции и электролизу добавилось еще одно запоздалое признание его гениального предсказания существования электромагнитных волн.
В процессе переработки научных достижений в сложившиеся знания бывают неизбежные потери ценных идей и отдельных положений, важных для будущей науки и практики, которые не получили своевременно признания и были забыты или отброшены вместе с "пустой породой и отработанным паром", неизбежными во всяком научном поиске. Возвращение таких идей и научных достижений прошлого в копилку современных научных знаний есть одна из важнейших миссий исторического анализа бурного развития науки последнего столетия.
Правда, чаще всего такие исторические находки забытых ценных научных положений оказываются уже переоткрыты современными учеными. Как правило, такие повторные открытия продиктованы естественным ходом развития самой науки, и делаются они совершенно независимо от прежних первооткрытий. Но затем при выяснении исторических предшественников все же встает сложный вопрос о мере независимости сделанного открытия от прошлого забытого результата. И в подобных случаях нередко возникала тень сомнения: не заимствовал ли новый открыватель сознательно, или быть может подсознательно (т.е. не отдавая себе в этом отчета), саму идею в старом научном журнале? Далее в примечании я привожу некоторые примеры, встретившиеся в моей научной практике. 58 58Так, в 1956 г. в статье, написанной мною вместе с моим руководителем М.С.Козодаевым, (ПТЭД956, N1, 21) мы пропагандировали предложенный еще в 1907 г. Дж.Дж. Томсоном (Phil. Mag. 1907, t.6, 13, 561) весьма удобный при высоких энергиях заряженных частиц метод определения их траектории в рассеянном магнитном поле ускорителя с помощью натянутого гибкого проводника с током. В вводной части своей статьи мы также отметили статью (Loeb, Compt. rend., 1946, t.222, p. 488) "автор которой,— писали мы предположительно, — по-видимому, независимо предложил тот же метод определения траекторий" А однажды мне удалось сделать историческую находку, затрагивающую работу, удостоенную нобелевской премии. Так, занимаясь подготовкой сборника [7] в 1972 г., я заглянул в работу О. Хевисайда 1889г. "On the Electromagnetic Effects Due to the Motion of Electrification through a Dielectric" (Phil. Mag., v.27, p.324). На эту статью ранее я нашел ссылку в связи с тем, что в ней автор продолжил исследование Дж.Дж. Томсона (1881 г.) и впервые получил указание на зависимость инерциальных свойств движущегося заряда от направления действующей силы. И вот, при просмотре этой работы я неожиданно обнаружил отдельный раздел, посвященный предсказанию возникновения направленного излучения при прохождении точечного заряда через диэлектрик при скорости, превышающей скорость распространения света в этой среде. Мне стало ясно, что, если бы своевременно обратили внимание на теоретическое предсказание Хевисайда, то экспериментальное обнаружение этого излучения могло состояться намного раньше. При целенаправленном поиске такое обнаружение могло быть реализовано вскоре после открытия быстрых бета-частиц от естественных радиоактивных источников. Об этой удивительной находке я рассказывал многим ученым. Позднее Я.А.Смородинский и И.М. Франк посоветовали мне послать в УФН заметку об своей исторической находке, что я и сделал в конце 1973 года. Мое краткое письмо в редакцию было опубликовано в апрельском номере УФН 1974 г. (с.735). Позднее выяснилось, что в то же время в Англии в журнале "Nature" появилась краткая заметка Т.Р. Кейзера из Шеффилдского университета, в которой объявлялось также о предсказании Хевисайдом направленного излучения при движении заряда со скоростью, превышающей скорость света в оптически прозрачной среде. Но автор при этом ссылался на другую, более раннюю статью ученого в журнале "Electrician" 1888 года. Ссылка на другую работу Хевисайда указывала на независимость наших исторических находок. Но все-таки такие редкие события, как публикация практически в одно время сообщений о статьях Хевисайда прошлого века вызвало у меня предположение, что в Англию мог дойти слух о моей находке и дать тем самым повод для самостоятельных розысков. Поэтому в своем письме к Т.Р. Кейзеру я рассказал о поводе, заставившим меня заглянуть в старую статью Хевисайда, и задал ему вопрос о том, что послужило аналогичным поводом для него. Полученный от него уклончивый ответ лишь убедил меня в возможности того, что наши находки были не совсем независимы. Через одиннадцать лет после этой находки вышла книга Б.М. Болотовского (известного специалиста в области электродинамики), посвященная жизни и научной деятельности выдающегося английского физика и математика Оливера Хевисайда (1850-1925). В этой книге автор поведал нам, что научные статьи Хевисайда еще при жизни ученого были дважды переизданы в виде трехтомника " Electromagnetic theory", и почти половина третьего тома была посвящена исследованию излучения при сверхсветовом движении зарядов. Так что забвение его работ представляет собой весьма уникальное явление.
Но наиболее важным в собственных исторических исследованиях я считаю отыскание и привлечение внимания (см. [16], с. 618) к работе Пуанкаре 1898 г. [15], в которой им впервые было введено и проанализировано понятие одновременности рааноместных событий. Предложенное им количественное определение одновременности на основе постоянства скорости света в каждой инерциальной системе вошло в обоснование новой пространственно-временной метрики. Оно, как мы уже отмечали, было использовано в статье Эйнштейна. Это понятие получило дальнейшее развитие в работе Минковского, который на основе этого определения одновременности ввел разделение интервалов на пространственноподобные и времениподобные.
Но присутствующий в этой работе важнейший аспект понимания условности одновременности, введенной Пуанкаре на основе предположения о равенстве скоростей света в противоположных направления, не был в полной мере воспринят ни Эйнштейном, ни Минковским, и соответственно, полностью выпал из современной ортодоксальной трактовки этой теории. А эта условность одновременности пространственно разделенных событий непосредственно означает, что для описания в различных инерциальных системах кинематических соотношений для физических явлений при околосветовых скоростях можно применить единую одновременность в разных инерциальных системах отсчета и соответствующие этой одновременности преобразования Галилея. Правда, этот непосредственный вывод из условности одновременности отсутствует в самой статье 1898 года. Его нет и в основной палермской статье ученого. Вопрос этот был затронут Пуанкаре только в последнем выступлении в Лондоне. В самом начале своей лекции он поставил следующий, казалось бы, простой вопрос: " ... И, однако, не кажется ли, что опыты, на которых основана новая механика, поколебали и геометрию?" ([46], с.420). Но приведенный в самом конце статьи необычный ответ Пуанкаре поставит в тупик любого последователя ортодоксальной трактовки новой теории: "Теперь некоторые физики хотят принять новое условное соглашение. Это не значит, что они были вынуждены это сделать; они считают это новое соглашение более удобным — вот и все. А те, кто не придерживается их мнения и не желает отказываться от своих старых привычек, могут с полным правом сохранять старое соглашение. Между нами говоря, я думаю, что они еще долго будут поступать таким образом." ([46], с. 430). Думаю, что в этом ответе крупнейший математик сделал своеобразный вызов тем физикам, кто в установлении новых метрических соотношений видел первооснову происшедшего переворота, а прежние рассуждения Пуан­каре об условном характере используемой в физике геометрии считал отвер­гнутыми самим развитием науки. Но, к сожалению, эта лекция, прочитанная Пуанкаре за два месяца до его кончины, не дала повода для возобновления поднятой прежде Пуанкаре дискуссии о геометрии и физике. Она возобно­вилась позднее только по поводу новой теории тяготения, а простейшие вопросы о модели Лоренца-Пуанкаре так и остались в плену предвзятого представления о недопустимости использования единой одновременности в двух инерциальных системах, движущихся относительно друг друга со скоростью, соизмеримой со скоростью света. Произвольность выбора критерия одновременности подчеркивалась и Эйнштейном, но он тем не менее совершенно исключал возможность выбора единой одновременности в разных системах отсчета. Даже такие ученые, как Г. Рейхенбах, А. Робб, А. Эддингтон и другие, признававшие тезис об условности понятия одновременности, похоже, и не подозревали, что имеющаяся произвольность выбора простирается до возможности выбора единой одновременности и соответствующих преобразований Галилея. Настолько сильно было предубеждение, что все прошлые затруднения были связаны с "эфирным ветром" , вытекающим, казалось бы, из этих преобразований. Таким образом, заключительный вывод в Лондонской лекции Пуанкаре не был замечен ни противниками, ни сторонниками тезиса об условности понятия одновременности. А между тем, вопрос этот вовсе не сводился к простому желанию придерживаться старых привычек, как об этом писал Пуанкаре. Поднятый им тогда вопрос имел первостепенное значение для понимания самой сущности новой физической теории.59 Так, кажущееся противоречие двух исходных постулатов теории важно было устранить еще в рамках прежних представлений о пространственно-временной метрике, основанной на использовании единой одновременности в различных инерциальных системах отсчета. Иначе говоря, необходимо было завершить рассмотрение, начатое еще в работе Лоренца 1904 г. [4]. 59Как уже было отмечено выше, я еще студентом в 1949 г. пытался убедить профессора И.Е. Тамма в важности для понимания сущности теории предварительно рассмотреть решение задачи объединения ее исходных постулатов в рамках использования преобразований Галилея. Тогда мне удалось лишь самому убедиться в том, насколько трудно было преодолеть предвзятое убеждение в неправомерности использования группы Галилея для описания кинематических соотношении при околосветовых скоростях. Только в начале 70-х годов я узнал о работе Пуанкаре 1898 г. [15] и в своей статье [16] привлек авторитет великого французского ученого для обоснования использованного мною подхода. До этого мне удалось опубликовать о новом понимании теории только препринт [57].Тогда при рассмотрении кинематических соотношений в двух системах координат мы убедимся, что, если для исходной системы К(х,t) принято изотропное описание скоростей физических процессов, то для другой системы К٭(х٭,t٭= t), движущейся относительно первой со скоростью v, (на основании принципа относительности и принципа независимости скорости света от движения источника) мы получим в тех же масштабах измерения анизотропное описание скоростей всех физических процессов, воспроизведенных в этой инерциальной системе [16].
Если скорость произвольно выбранного процесса в исходной системе обозначить ui [в силу принятого в этой системе изотропного описания ui=const(θ)], то в другой инерциальной системе К٭(х٭,t) скорость аналогичного физического процесса будет равна, согласно [16],ui٭(0) = ui(1 – v 2/c2)/(1+ ui v /c2) и ui٭(π) = ui(1 – v 2/c2)/(1 – ui v /c2)–1 , (A)
соответственно, для направления вдоль оси х٭, т.е. θ٭ = 0, и для противоположного направления (θ٭ = π). Ξςсюда для процесса распространения света в системе К٭(х٭,t) получаем для этих направлений скорости uс٭(0) = с–v и uс٭(π) = с+v, точно соответствующие предсказаниям класси­ческой физики. Но ожидаемый "эфирный ветер" в системе К٭(х٭,t) оказался ненаблюдаем в силу универсальности выявленной анизотропии скоростей физических процессов: любой физический процесс при распространении вдоль оси х٭ запаздывает по сравнению с процессом распространения в противоположном направлении, точно так же как и световой сигнал.
Это всеобщее запаздывание процессов происходит только в отношении процессов в исходной системе, для которых мы приняли условно изотропное описание. Если в реальном физическом мире возможна передача взаимодействия только с конечной предельной скоростью, то никакими опытами нельзя доказать равенства скоростей света в двух прямо противоположных направлениях, а, следовательно, нельзя экспериментально подтвердить выбранное нами изотропное описание скоростей процессов и отделить ее от всеобщей анизотропии скоростей, подобной только что рассмотренной нами в системе К٭(х٭,t). Понятие скорости физического процесса в заданном направлении может реализоваться в физическом мире как количественная величина только на основе условного соглашения о соотношении скоростей в прямом и обратном направлении. Это важное положение, высказанное Пуанкаре еще в 1898 г., оставалось, к сожалению, долгое время неосознано ученым миром. А без усвоения этой истины трактовка так называемой специальной теории относительности теряла связь с логикой здравого смысла. Многие ученые считали, что Пуанкаре был склонен к преувеличению роли конвенции в построении теории пространства и времени. Луи де Бройль, например, писал: "... Именно эта философская склонность его ума "номиналистическому удобству" помешала Пуанкаре понять значение идей относительности во всей ее грандиозности!" Теперь мы хорошо знаем, что именно эта философская склонность ума, отмеченная де Бройлем, вела Пуанкаре к более глубокому пониманию теории.60 60Правда, затем де Бройль призвал все же к осторожности в отношении к заблуждениям великих умов и пророчески предрекал: "... и поскольку эти великие умы всегда обладают проникновенной интуицией, возможно, что их утверждения, сегодня рассматриваемые как ошибочные, завтра окажутся истинными" ([23] с. 377).
Действительно, мы можем в этой системе (которую условно считали движущейся относительно исходной системы) принять изотропное описание К'(х',t'), но тогда в первой системе с помощью преобразований Галилея мы получим анизотропию скоростей, обратную прежней, т.е. она описывается теми же соотношениями, только с заменой знака перед величиной скорости относительного движения систем v. Тем самым факт относительного различия в ходе процессов, происходящих в двух рассматриваемых инерциальных системах, имеет, так сказать, безусловный характер.61 Для наглядного выявления этого факта мы воспользовались преобразованиями Галилея, важной особенностью которых является использование единой одновременности и одинаковых единиц измерения пространственных временных величин. Поскольку непременным условием непосредственного сопоставления всегда было использование единых масштабов измерения сравниваемых величин. В ортодоксальной же трактовке теории мы пользуемся в каждой инерциальной системе отсчета своими собственными координатами, удобными, конечно, тем, что в соответствующей системе отсчета они обеспечивают изотропное описание скоростей физических процессов, воспроизведенных именно в данной системе отсчета.62 Но те же системы исчисления в собственных координатах (х, t) в К-системе и (х',t') в К'-системе, движущейся относительно К-системы, мало удобны для сопоставления происходящих в них процессов, поскольку в них используются несовпадающие одновременности. По этой причине кинематическое подобие происходящих в разных системах процессов, лежащее в основе новой формы принципа относительности, уже более полвека упорно выдается за тождественность.
61 Такого рода не зависящие от условных соглашений физические выводы Пуанкаре в своей книге "Ценность науки" называл объективными инвариантами [46]. 62 Мы говорим здесь об изотропном описании в данной системе отсчета, например, скоростей альфа-частиц от распада ядер полония, покоящихся обязательно в той системе, или говорим о независимости скорости распространения звука в некоторой среде, но взятой в состоянии покоя в той же системе отсчета. Только для описания процесса распространения света несущественно, в какой системе отсчета находится источник света. Однако при описании частотных характеристик света уже существенно расположение его источника.
Предварительное использование в движущейся системе отсчета координат К٭(х٭,t٭= t) было характерно для работы Лоренца 1904 г. [4]. Мы только показали возможность в рамках этого описания, основанного на преобразованиях Галилея, получить кинематические соотношения для физических процессов в этой системе, удовлетворяющие одновременно и принципу относительности, и принципу независимости скорости света от движения источника. Такой подход был бы естественным для физиков начала века, поскольку он вполне соответствовал логике здравого смысла, по которой сначала требовалось установить общие свойства движения в данной системе и только после этого вводить собственное время t' и собственную координату х', выражающие эти общие свойства. В наше время запоздалое возвращение на этот естественный путь встретило, однако, явное сопротивление сторонников ортодоксальной трактовки теории, о котором уже было рассказано в начале данной статьи.
Мы, однако, дополним этот рассказ некоторыми сведениями о событиях, связанных с публикацией моей статьи в УФН [16]. Она была опублико­вана в качестве дискуссионной и поэтому сопровождалась кратким (всего — 3 стр.) послесловием четырех авторитетных авторов (Б.Б. Кадомцев, Л.В. Келдыш, И.Ю. Кобзарев, Р.З. Сагдеев), в котором сама возможность описания релятивистской теории в галилеевых координатах признавалась достаточно очевидной, "поскольку любые явления можно описывать в любых координатах" (см. с. 660 в [16]). Но вслед за этим правильным утверждением авторы приводят слова, которые непосредственно доказывали, что речь должна идти, по крайней мере, о не осознанной ими очевидности: "Что касается времени t٭, то оно не только не соответствует обычной синхронизации в К', но и вообще не соответствует времени, измеренному покоящимися в К' часами, из-за фактора γ" (там же). На самом же деле здесь речь должна идти не о ходе часов, а всего-навсего о выборе соответствующих шкал на циферблате часов. И поэтому мои оппоненты продемонстрировали коллективное непонимание обсуждаемой проблемы.63 А поскольку трое из авторов послесловия являлись членами Академии наук СССР, то они тем самым наглядно продемонстрировали достаточно широкую распространен­ность среди физиков недопонимания возможности использования преобразований Галилея в случае околосветовых скоростей движения. Здесь мы имеем дело с серьезным пробелом в образовании большинства физиков, а не просто с неудачным выступлением четырех ученых, недостаточно разобравшихся в обсуждаемом вопросе. Мы уже упоминали в конце раздела 2 настоящей статьи о бесславных публикациях в солидных физических журналах ложно обоснованных антинаучных предложений измерить скорость распространения света в одном направлении. А исходной посылкой для этих недоразумений, как подчеркивалось в моей статье [17], была все та же односторонность изложения в большинстве монографий сущности происшедшей замены преобразований Галилея на новые преобразования Лоренца. Кстати, широкому распространению непонимания этого аспекта теории содействовало, помимо полного забвения ранних статей Пуанкаре, некритическое повторение многими авторами монографий взглядов другого, более популярного автора — создателя "специальной теории относительности". Так, например, в 1910 г. в большой статье, посвященной принципу относительности и его следствиям, Эйнштейн писал, выделив слова курсивом: "Итак, мы не имеем права априори предположить, что можно выверить часы двух групп таким образом, что обе координаты времени элементарного события были бы одинаковы, иными словами, чтобы t было равно t'. Предположить это значило бы ввести произвольную гипотезу. Вплоть до настоящего времени эта гипотеза вводилась в кинематике" [59]. На самом же деле никакого запрета на использование группы Галилея не существует, поскольку ей соответствует строго однозначное исчисление координат происшедших в физическом мире событий. Поэтому можно представить себе параллельные исчисления координат событий по двум шкалам, соответствующим группе Лоренца и группе Галилея. И то, что такие простые истины пришлось доказывать на седьмом десятилетии существования теории, свидетельствует о закоренелом недоразумении, которое, к сожалению, существенно ограничивало понимание самой ее сущности. Ведь мы предлагаем воспользоваться исчислением координат событий по двум параллельным шкалам, нанесенным на одних и тех же масштабных линейках и циферблатах часов, не ради простой демонстрации реализации разных условных соглашений, а с целью выявления различия в ходе процессов, происходящих в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчета. 63После опубликования моей статьи в УФН и особенно после выхода английской версии этого журнала я получил много писем, и в некоторых ио них выражалось удивление по поводу попытки авторов послесловия представить новый подход к трактовке теории достаточно очевидным делом. Позднее академик А.А. Логунов разобрался в сути моего расхождения с авторами послесловия и затем в своей книге [58] поддержал развитый в моей статье подход. Как я уже отмечал в примечании 33, моя статья в УФН способствовала выпуску на итальянском языке моей книжки на ту же тему.
Действительно, мы применили разные шкалы на линейках и циферблатах. И только это позволило нам перейти от анизотропного описания скоростей к изотропному, поскольку используемые шкалы циферблатов в этом случае отличались расположением нулевого отсчета, соответствующих разным определениям одновременности. В первом случае для установления единиц измерения, соответствующих К٭(х٭,t٭= t), достаточно при синхронизации часов световым сигналом учитывать различие скорости его распространения вдоль оси х٭ (uс٭(0) = с–v ) и в обратном направлении uс٭(π) = с+v. Во втором случае при рассмотрении той же процедуры синхронизации часов световым сигналом мы приписываем свету во всех направлениях скорость с, что и соответствует введению так называемых собственных координат в данной системе отсчета. Переходу от одной системы арифметизации единиц измерения к другой и соответствует смена используемых условных соглашений об анизотропном или изотропном описании скоростей физических процессов в данной инерциальной системе отсчета.
Заметим при этом, что синхронизация часов световым сигналом рассматривалась как выделенная только в силу принятого исходного постулата о независимости скорости света от движения его источника, что непосредственно давало нам информацию о скоростях распространения одного и того же светового сигнала сразу в двух движущихся относительно друг друга инерциальных системах координат. Причем эта информация о скоростях светового сигнала в разных системах отсчета получалась, конечно, непосредственно на основе преобразований Галилея. Так, если в одной системе принималось изотропное описание скоростей, то в другой системе тому же световому сигналу приписывалась скорость с–v вдоль оси х٭ и с+v в противоположном направлении. А затем уже вводятся собственные координаты (x',t') в этой системе отсчета из условия превращения известных скоростей распространения света с–v и с+v постоянную величину с. Фактически же, исходя из этого условия, получают сразу соотношения, связывающие полученные координаты (х', t') с собственными координатами (x, t) исходной системы отсчета, минуя при этом сами вспомогательные координаты (х٭,t٭= t), которые соответствуют использованным в этом расчете скоростям с–v и с+v.64 64Именно такой подход был использован в первой работе Эйнштейна [6]. На с. 143 в сборнике [1] можно увидеть непосредственное использование скоростей с — v и с + v в этой работе.
Наша же цель состоит в том, чтобы явно задержаться на рассмотрении этого вспомогательного этапа перехода к преобразованиям Лоренца. Как мы уже показали, именно на этом этапе еще в рамках прежних представлений о пространственно-временной метрике удается получить кинематические условия соотношения скоростей (А) выполнения принципа относительности при одновременном предположении о существовании в природе процесса (имеется в виду процесс распространения света в вакууме), скорость распространения которого не зависит от движения его источника. Но если эти кинематические соотношения скоростей (А) вдоль оси относительного движения двух инерциальных систем отсчета установлены, то для дальнейшего рассмотрения синхронизации часов во второй системе отсчета, условно называемой движущейся, может быть взят любой физический процесс, воспроизведенный в данной системе отсчета. Так, для установления в движущейся системе масштабных шкал линеек и циферблатов (х٭, t), соответствующих преобразованиям Галилея, нужно рассмотреть синхронизацию часов любым процессом, воспроизведенным в данной системе, и выбором шкал измерения обеспечить получение скоростей вдоль оси х٭ и в противоположном направлении в строгом соответствии с соотношениями (А). При этом следует побеспокоиться, чтобы источник сигналов, выбранных для синхронизации часом, был взят покоящимся относительно данной системы. Собственные же координаты (х', t') в той же инерциальной системе отсчета устанавливаются при рассмотрении той же самой процедуры синхронизации часов, но при этом выбор масштабных шкал делается из условия получения величины скорости процесса, равной ui для любых направлений. Устанавливая тем самым связь собственных координат (х', t') сначала с координатами (х٭, t) в той же инерциальной системы, мы затем легко переходим к собственным координатам (х, t) исходной системы отсчета, учитывая, что эти последние связаны с координатами (х٭, t) преобразованиями Галилея. Такой последовательный вывод преобразовании Лоренца через преобразования Галилея был дан нами в работах [57] и [16].
В результате такого подхода становится предельно ясно, что принцип относительности в механике околосветовых скоростей выполняется на совершенно новой основе кинематического подобия происходящих относительно различных систем отсчета физических процессов. Не замечать этого и трактовать принцип относительности как тождественность физических процессов в разных инерциальных системах отсчета — это значит грубо упрощать само содержание теории. В скольких монографиях написано такое, например, искажающее действительность утверждение, что теория распространила действие механического принципа относительности Галилея-Ньютона на новую область электродинамики ! На самом же деле эта теория открыла совершенно иную форму относительности, которая скрыто существовала в созданных Максвеллом уравнениях, развитых затем Лоренцем для микроскопических явлений, и распространила этот новый принцип на механику и на все остальные физические явления, провозгласив обязательность лоренц-инвариантности всех уравнений, описывающих явления при больших скоростях движения. Именно лоренц-инвариантности как раз и соответствует отмеченное нами подобие всех кинематических характеристик физических процессов, тогда как полная тождественность кинематических соотношений отвечает инвариантности уравнений относительно преобразований Галилея и содержанию принципа относительности Галилея-Ньютона в механике и его варианту обобщения на электродинамику, предложенному Герцем. Так что приведенное выше утверждение, встречающееся во многих монографиях по "теории относительности", о распространении механического принципа относительности на электродинамику справедливо не для самой теории, а лишь для электродинамики, развитой Герцем, которая противоречит экспериментальным фактам. Принципиальное отличие принципа относительности релятивистской теории от принципа относительности Галилея глубоко понимал Пуанкаре, который писал по этому поводу: "В чем же заключается переворот, происшедший под влиянием новейших успехов физики? Принцип относительности в его прежней форме должен быть отвергнут, он заменяется принципом относительности Лоренца. Именно преобразования "группы Лоренца" не изменяют дифференциальных уравнений динамики." ([46], с. 429). Так что выделенность группы Лоренца продиктована инвариантностью относительно этой группы самих процессов, происходящих в физическом мире, а не какими-то запретами на использование группы Галилея при высоких скоростях движения. В этой области физики не выполняется принцип Галилея, но это вовсе не означает невозможность использования масштабных шкал линеек и циферблатов, соответствующих группе Галилея. При использовании преобразований Галилея в области физики высоких скоростей мы просто обнаруживаем теоретически и экспериментально факт неинвариантности процессов относительно этой группы. Именно с такой неинвариантностью процесса распространения света и столкнулась физика в конце прошлого века. Неоправданным здесь оказался лишь теоретический вывод, сделанный из факта неинвариантности распространения света, а именно, вывод о возможности экспериментального обнаружения движения Земли относительно светоносной среды. Теперь нам ясна недостаточность чисто теоретического основания для такого вывода: ведь в случае одинакового для всех физических процессов нарушения их инвариантности относительно группы Галилея не возникнет никаких наблюдаемых эффектов от этого нарушения в силу подобия кинематических отношений. И поэтому встает, естественно, вопрос о нахождении другой группы преобразований, соответствующей инвариантности уравнений физических процессов, и о новой форме выполнения принципа относительности для всех физических явлений. Весьма важно, что исторически именно на этом пути постепенно удалось не только найти новый принцип, но и осмыслить, что для полного устранения физических оснований для представлений об абсолютном движении, необходимо, чтобы этот новый принцип был всеобщим, единым для всех физических явлений. Основой для такого единства может быть только Лоренц-инвариантность самих материальных взаимодействий, имеющих по современным представлениям совершенно различную природу. Проблему объяснения этого единства обсуждал Пуанкаре в конце вводной части палермской статьи, предрекая возможность неожиданного в своей простоте решение этой загадки. Даже задним числом не бесполезно обсуждать пути более последовательного развития научного прогресса. Очень часто в своем развитии теоретическая физика использует предыдущие завоевания абстрактной математики. Например, обобщенной теории гравитации потребовался особый вариант неевклидовой геометрии, созданной Риманом в прошлом веке. И это можно считать нормальным путем развития теоретической науки. Но необходимая для так называемой специальной теории относительности простейшая алгебра подобия кинематических отношений для случая существования предельной скорости оказалась не проанализирована на предыдущих этапах развития науки. А ведь этот вопрос мог быть поставлен еще в те далекие времена, когда Ремер экспериментально установил конечность скорости распространения света в космическом пространстве. Если составить порядковый ряд абсолютных величин скоростей существующих в природе физических процессов и1 < и2 < ... < ип = с, где с есть конечная по величине предельная скорость передачи действия, то с этим порядковым рядом возможно провести несколько подобных преобразований, оставляющих неизменными отношения между всеми членами ряда. Например, такой операцией подобия будет простое умножение каждого члена этого ряда на одно и то же число G ≠ 1. Такое простейшее преобразование порядкового ряда скоростей рассматривал Пуанкаре, обсуждая неоднозначность и условность самих величин этого ряда и подчеркивая важность установления инвариантных отношений между его членами. Сейчас принято называть это масштабной инвариантностью кинематических соотношений. Более глубокое содержание имеет аналогичное преобразование, при котором постоянный множитель для всех членов ряда зависит от точки в пространстве, например, G(r), где r — радиус в сферической системе координат. Здесь мы имеем сохранение кинематических отношений во всех точках пространства, но при сравнении кинематик в точках с разными r1 и r2 должно обнаружиться изменение числа G(r) как относительное общее изменение скоростей физических процессов. Именно с такого рода подобным преобразованием скоростей процессов физика встретилась в случае явления гравитационного смещения всех частот излучения атомов в поле тяготения отдельной звезды. А более простой теории, получившей название специальной теории относительности, соответствует подобие в "движущейся" системе отсчета, которое на примере того же порядкового ряда скоростей выражается множителем G(θ, ui), зависящем от угла θ٭ направления распространения процесса и от величины скорости этого процесса в случае изотропного описания, т.е. от величины скорости ui аналогичного процесса в исходной системе, где изначально было принято изотропное описание скоростей процессов. Фактически этот множитель G(θ, ui), характеризующий универсальную анизотропию скоростей, был приведен в наших работах [57] и [16] как выражающий сущность всеобщего принципа относительности. Надо полагать, отсутствие предварительной проработки вопроса о подобных преобразованиях в мире скоростей способствовало тому, что при создании ортодоксальной трактовки теории лежащее в ее основе кинематическое по­добие было так легко подменено тождественностью кинематики в различных инерциальных системах отсчета. Но все же вызывает немалое удивление некритичность научной общественности, оставившей без всякой критики на много десятилетий такое изложение теории. Казалось бы, в самой нетождественности собственных времен t' ≠ t различных инерциальных систем, отличающихся введенными критериями одновременности в этих системах отсчета, заключена неправомерность толкования принципа относительности как тождественности протекания в них физических процессов. Ведь совпадений уравнений, описывающих соответствующие физических процессы в различных инерциальных системах, вовсе недостаточно для вывода о тождественности, раз для кинематического описания процессов требуется вводить несовпадающие по одновременности собственные времена. Метрика Пуанкаре-Минковского непосредственно учитывает эти общие кинематические свойства относительного изменения в сравниваемых инерциальных системах отсчета. Но эти кинематические свойства, выражаемые в метрических соотношениях, порождены, конечно, соответствующими общими свойствами динамики, учетом ослабления взаимодействия материальных объектов при приближении их относительной скорости движения к скорости света. Эта взаимосвязь динамики взаимодействия с метрическим аспектом позволяет в теоретическом построении получить динамику из ранее найденной метрики пространства-времени. Но это обстоятельство не может служить обоснованием для обращения самой логики существующих причинных связей. Примат динамики в этой взаимосвязи свойств различных сторон явлений составляет крайне важную черту понимания всей проблемы, идущую непосредственно от крупнейшего математика и механика Пуанкаре. В последовательном изложении этой трактовки теории и состояла основная цель настоящей статьи. Заключительные выводы. Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы: 1. Механика околосветовых скоростей явилась естественным завершением классической механики, ее обобщением на основе учета всеобщего закона возрастания инерциальной массы физических объектов с увеличением скорости относительного движения. В основе всеобщности закона изменения массы лежит существование в природе единой предельной скорости передачи взаимодействий. 2. Отступление от законов классической механики при больших скоростях движения приводит к нарушению галилеевой формы принципа относительности, утверждающего тождественность кинематических соотношений, возникающих в различных движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчета. Эти отступления выражаются в неинвариантности законов механики относительно преобразований Галилея, отклонения от требований которой имеют всеобщий характер для всех физических явлений. В результате этого в природе осуществляется принцип относительности на основе кинематического подобия процессов, воспроизводимых в эквивалентных условиях относительно различных инерциальных систем. 3. Факт относительного различия в ходе соответствующих процессов в движущихся относительно друг друга инерциальных системах приводит к несовпадающим собственным одновременностям в этих системах. Для разъяснения сущности этого различия в ходе физических процессов целесообразно в одной из инерциальных систем рассмотреть описание скоростей физических процессов, использующее формально вводимые пространственно-временные координаты, которые связаны с координатами другой инерциальной системы преобразованиями Галилея. Такой подход позволяет показать, что относительность одновременности состоит в том, что все физические процессы в направлении относительного движения систем происходят в одной системе медленнее, чем в другой и, соответственно, быстрее в противоположном направлении. Этот факт относительного различия в ходе процессов представляет собой безусловное свойство, принадлежащее, по терминологии Пуанкаре, к "объективным инвариантам". 4. Самими законами физики, их инвариантностью относительно преобразований Лоренца предопределена структура геометрии пространства-времени физического мира. Распространение новых законов на механические явления входит в число исходных посылок, определяющих выделенность группы Лоренца в физическом мире. Революционные преобразования физических воззрений никогда не происходят гладко. Отказ от устоявшихся представлений — всегда болезненный процесс. Однако по мере развития познания, вместе с проникновением в суть новых научных концепций происходит постепенно и некоторое сглаживание резких скачков на основе выяснения органической связи, существующей между новым подходом и прежними представлениями. Наведением мостов между разными уровнями познания чаще всего приходится заниматься новым поколениям ученых, значительно позднее появления самой физической теории. Процесс развития более глубокого понимания фундаментальной теории растягивается на многие десятилетия и развивается по нескольким направлениям. Одно из них представлено выяснением связи с прежними физическими воззрениями, с уточнением подлинной новизны отдельных положений теории. Другое направление решает задачу выяснения рамок обоснованного применения данной теории. Это направление уточнения интерпретации теории окончательно завершается лишь созданием более общей теории. Однако, если первая физическая теория уже включила в себя определенные общие свойства физических объектов, то следующая более общая теория, не отвергая ранее найденных общих физических свойств, добавляет к ним новые общие свойства, не учтенные прежней теорией. Так, обобщенная теория тяготения дополнительно учла общие свойства движения материи, обусловленные существованием универсальных сил тяготения, включив в себя и ранее установленные общие свойства, обусловленные универсальным законом возрастания инерциальной массы с увеличением скорости относительного движения физических объектов. Эти общие вопросы познания сущности физических законов мы затронули здесь в надежде убедить читателей в том, что творческая деятельность по дальнейшему развитию и совершенствованию понимания теорий, составляющих фундамент современной физической науки, представляет собой важнейшую и интереснейшую область научного исследования. Я надеюсь, что проведенный в этой статье подробный анализ и критическое рассмотрение простейшей из современных физических теорий поможет читателям осознать существование еще более значительных возможностей плодотворной деятельности по дальнейшему развитию интерпретаций других современных физических теорий, прежде всего, теории тяготения и квантовой механики. Правда, для плодотворной деятельности в этой области физики важно освободиться от предубеждения о том, что задача физика завершается установлением строгих математических соотношений, описывающих экспериментальные факты в соответствующей области физических явлений. На самом же деле с установления строгих теоретических закономерностей лишь начинается само Проникновение в суть глубоких научных истин, со­ставляющих существо подлинно научного познания природы.◦ ◦ ◦
Автор отдает себе отчет в трудностях восприятия нового изложения научных истин, не совпадающего с традиционной их трактовкой. Поэтому в настоящей статье большое внимание было уделено освещению прямой связи представленного толкования теории как со многими уже забытыми утверждениями основного создателя теории, знаменитого французского ученого А. Пуанкаре, так и с развитием этого толкования в последние десятилетия в собственных работах и с отдельными положениями нового рассмотрения проблемы, проведенного в трудах А.А. Логунова, которому я искренне благодарен за постоянный интерес и ценные советы. Я искренне признателен за большую помощь в работе над данной статьей Ю.И. Иваньшину, В.В. Нестеренко, С.А. Савчукову и В.Ю. Колоскову.
◦ ◦ ◦