О работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна 1905 г.

Анри Пуанкаре, выдвинувший еще в конце прошлого столетия основные физические принципы СТО, в 1905 г. закончил свой фундаментальный труд, содержащий строгое математическое построение новой физической теории. Краткую статью об этой работе [27], озаглавленную “О динамике электрона”, он опубликовал в сообщениях Французской академии от 5 июня 1905 г. Свою работу Пуанкаре рассматривал только как более строгое математическое развитие физической теории, созданной за год до этого Лоренцем. В самом начале своей основной статьи [28] он писал: “Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет, по-видимому, общий закон природы; мы, естественно, приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и принять без оговорок”*. Вслед за этим Пуанкаре отмечает, что Лоренцу в работе 1904 г. удалось достигнуть полного соответствия с постулатом относительности, и следующими словами характеризует свое фундаментальное исследование: “Важность вопроса побудила меня снова заняться им; результаты, полученные мною, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц. Я стремился только дополнить и видоизменить их в некоторых деталях. Некоторые имеющиеся расхождения, как мы увидим дальше, не играют существенной роли”**.

Конечно, представление о скромности великого ученого будет достаточно полным, если мы, даже не уясняя значения сделанных им дополнений, обратим внимание на отсутствие ссылок на свои более ранние работы, заложившие основы новой теории и оказавшие непосредственное влияние на творчество Лоренца. Но не только

Свое исследование Пуанкаре представил в виде обширного математического трактата [28], в котором, в отличие от прошлых своих работ по этой проблеме, он уже не прибегает к обоснованию и объяснению основных положений теории на таких простейших примерах физических измерений, как рассмотрение синхронизации часов световым сигналом. Это обстоятельство, как и публикация статьи в математическом журнале*, имело прямое отношение к тому, что работа Пуанкаре долгое время не получала должной оценки. Во всяком случае, его фундаментальное исследование, к сожалению, не оказало заметного влияния на взгляды ученых в период формирования признания теории относительности.

Эйнштейна не обсуждается вопрос о независимости получаемых результатов от выбора физического процесса для синхронизации часов и даже не ставится вопрос о том, в какой мере использованное равенство скоростей распространения сигнала в противополож-?ных направлениях продиктовано экспериментальными фактами. Но именно этот вполне естественный для иллюстративных целей упрощенный вариант рассмотрения и определил успех эйнштейнов-I ского объяснения относительности одновременности. Труднее объ-

1 яснить, как могло случиться, что перечисленные выше вопросы, имеющие большое гносеологическое значение, остались не выясненными в полной мере при дальнейшем развитии теории.

В литературе неоднократно обсуждался вопрос о том, в какой мере предложенное Эйнштейном построение теории относительности, на долю которого выпал максимальный успех признания, было независимо от более ранних работ, и в частности от работы Лоренца 1904 г. Формальное решение этого вопроса прежде всего осложнено отсутствием в статье Эйнштейна каких-либо литературных ссылок*. В этом отношении можно только констатировать, что в работе Эйнштейна нарушена традиция написания научного трактата, согласно которой автор должен сравнивать предлагаемое им новое решение проблемы с более ранними попытками ее решения, указав на пункты соответствия и различия. Правда, есть все основания объяснять такой стиль написания статьи тем, что Эйнштейн считал себя по сравнению с читателем менее информированным в предыстории рассматриваемой проблемы и поэтому все известные ему из научной литературы положения характеризовал как общеизвестные. Показательно, например, что о таких новых тогда понятиях, использованных в работах Абрагама [30] и Лоренца [20], как “продольная” и “поперечная” масса движущегося электрона, Эйнштейн говорит как о понятиях, основанных на обычном приеме рассуждений. Надо полагать, по этой же причине, используя принцип относительности в качестве исходного для построения электродинамики движущихся тел, он лишь в общих словах говорит о неудавшихся попытках „обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды”", не сопровождая их ссылками на конкретные эксперименты, давшие отрицательный результат по обнаружению эффектов первого и второго порядка относительно vie.

Вместе с тем давно следовало бы обратить внимание на непосредственную связь аксиоматического пути построения теории, избранного Эйнштейном, с идеями и конкретными установками, изложенными в более ранних и широко известных работах Пуанкаре. Исходные принципы, принятые Эйнштейном для построения теории, точно совпадают с постулатами, задолго до этого выдвинутыми Пуанкаре. Такое совпадение, как и уже отмеченное нами совпадение в деталях объяснения понятия одновременности и равноправности собственных времен на примере синхронизации часов световым сиг-* налом, не может быть случайным.

Этот вывод, сделанный нами на основании сопоставления исходных положений работы Эйнштейна с ранними публикациями Пуанкаре, подтверждается непосредственно и фактами, известными из биографии Эйнштейна. Из книги К. Зелига [31], отличающейся подробным и достоверным описанием бернского периода жизни Эйнштейна, мы узнаем, что Эйнштейн со своими друзьями М. Со-ловиным и К- Габихтом штудировали книгу А. Пуанкаре “Наука и гипотеза” (стр. 48). Подробно этот вопрос обсуждается в статье Дж. Кесуани [32]*. Напомним только, 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 работу 1898 г. [14], посвященную их обоснованию. Восприняв эти радикально новые идеи, Эйнштейн вряд ли мог не обратиться к изучению работы 1898 года и последующих публикаций Пуанкаре по этим проблемам. Во всяком случае, отсутствуют какие-либо конкретные сведения, дающие основания исключить это весьма естественное предположение**. В то же время сопоставление фактического содержания работ, имеющее решающее значение для выяснения поставленного вопроса, вскрывает очевидную связь работы Эйнштейна не только с идеями, изложенными в книге Пуанкаре “Наука и гипотеза”, но и с конкретным обоснованием относительности одновременности, данным Пуанкаре при объяснении физической интерпретации понятия местного времени в работе [17] 1900 г. и в его докладе на Международном конгрессе в Сент-Луисе

** Следует заметить, что в качестве обоснования противоположного вывода нельзя выдвигать ответ Эйнштейна К- Зелигу, опубликованный в книге [31]. Эйнштейн отмечает, что он “знал только фундаментальный труд Лоренца, написанный в 1895 г., но не был знаком с его более поздней работой и со связанным с ней исследованием Пуанкаре” (стр. 60). Таким образом, в этом ответе на вопрос К- Зелига упоминается лишь основная работа Пуанкаре “О динамике электрона”, написанная им в 1905 г., и ничего не говорится о ранних публикациях Пуанкаре, содержащих исходные идеи теории относительности.

в 1904 г. [18]. Установление этой связи говорит о преемственности идей, подтверждает общий закон развития научного познания, согласно которому новых вершин в теоретическом обобщении опытных данных можно достигнуть лишь опираясь на достижения предшественников. Конечно, воспринять и развить ранее высказанные идеи сможет лишь критический ум, способный выделить их как правильные из многочисленных и разнообразных попыток решения проблемы. Истории науки хорошо известно о влиянии предшественников на творчество Ньютона, заложившего основы научного естествознания. Весьма подробно известны и все последовательные этапы формирования квантовых идей.

чение эфира в опыте Физо и невозможность обнаружения движения Земли по наблюдению эффектов второго порядка относительно vie в опыте Майкельсона — Морли и опыте Трутона — Нобля) и предсказывали те же обсуждавшиеся в работах Лармора и Лоренца новые эффекты (возрастание массы от скорости движения, замедление времени, дающее вклад второго порядка в эффект Доплера). Огромное принципиальное значение этой работы Эйнштейна состояло в новом обосновании универсальности упомянутых эффектов и в установлении их обратимости.

Как мы уже отмечали выше, только универсальность, всеобщность предсказываемых свойств делает теорию относительности теорией новых физических свойств пространства и времени, выходящей за рамки собственно электродинамики. Необходимого обобщения полученных для электродинамики результатов Лармор достигал, приписывая всем физическим явлениям электромагнитную природу. Лоренц в работе 1904 г. вводил необходимое обобщение путем распространения конкретных результатов, полученных первоначально для электродинамических систем, на все другие явления. В работе же Эйнштейна это обобщение было изначально заложено в самих исходных принципах, определяющих новые свойства пространства и времени*. И в частности, на это обстоятельство он обратил внимание, заканчивая вводную часть статьи следующими словами: “Развиваемая теория опирается, как всякая другая электродинамика, на кинематику твердых тел, так как суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами. Недостаточное понимание этого обстоятельства — корень трудностей, преодолевать которые приходится теперь электродинамике движущихся тел”**.

В работах Лармора и Лоренца вообще не было обращено внимание на относительность всех предсказываемых эффектов в смысле их обратимости для рассматриваемых систем отсчета, хотя полученные ими правильные соотношения и удовлетворяли этому условию. В работе Эйнштейна всего в одной фразе был вскрыт обратимый характер этих эффектов: “Ясно, что те же результаты получаются для тел, которые находятся в покое в покоящейся системе, но рассматриваются из равномерно движущейся системы”***. Этот важнейший аспект понимания физического содержания теории не был подчеркнут с такой определенностью и в параллельной работе Пуанкаре****. Именно уяснение обратимости релятивистских зф-

**** Проведенные Пуанкаре фундаментальные исследования групповых свойств преобразований Лоренца непосредственно включали, конечно, учет этих свойств обращения преобразований координат. Однако обратимость конкретных неклассических эффектов отдельно не обсуждалась в работе Пуанкаре.

В следующей статье [34], опубликованной в том же 1905 г., Эйнштейн дополняет свое исследование установлением связи между массой и энергией*. Рассматривая частный случай излучения телом плоских волн в противоположных направлениях, он дает строгое доказательство соотношения между энергией и массой излучения, впервые введенного в качестве предположения Пуанкаре в работе [17] 1900 г. Этот важнейший результат, полученный для лучистой энергии, Эйнштейн затем, исходя из общих соображений, распространяет на общий случай, делая следующий фундаментальный вывод: “Масса тела есть мера содержания энергии в этом теле...”** Именно это, содержащееся в работе [34] обобщение, дает основание называть соотношение между энергией и массой именем Эйнштейна. И только в этой второй статье, приняв данное обобщение, Эйнштейн фактически выходит за пределы предсказаний своих предшественников.

Вполне возможно, что этот важнейший результат был получен Эйнштейном как непосредственное развитие опубликованных в 1900 г. идей Пуанкаре [17]. Это предположение оправдывает приведенная в следующей статье [37] Эйнштейна ссылка на работу Пуанкаре “Закон сохранения движения центра тяжести и инерция энергии”. В вводной части этой статьи [17] Эйнштейн фактически признал приоритет Пуанкаре в постановке данного вопроса: “Мы показали, что изменение энергии на величину АЕ должно соответствовать эквивалентному изменению массы на величину AEIV², где V — скорость света.

* Несколько раньше в работах 1904 и 1905 гг. австрийский ученый Га-зенёрль показал, что электромагнитное излучение, заключенное в замкнутой плоскости, обладает инерциальной массой. Однако для соотношения между энергией и массой он получил неверное значение: (3/8)с² — в первой работе [35] и (3/4)<;² — в следующей работе [36].

Итак, основной вклад Эйнштейна состоял в объединении ранее обсуждавшихся принципов в стройную теоретическую схему и в существенном развитии интерпретации новой теории, в котором известные из более ранних работ Пуанкаре наглядные объяснения понятия одновременности разноместных событий и физического смысла местного времени совмещались с принципиально новой постановкой вопроса об обратимости предсказываемых релятивистских эффектов. Именно эти преимущества работы Эйнштейна значительно ускорили признание научной общественностью новой физической теории с необычными, казалось бы, парадоксальными выводами. Однако, высоко оценивая значение вклада Эйнштейна, не следует тем не менее считать всеобъемлющей созданную им интерпретацию физического содержания теории. Работа Эйнштейна вовсе не перекрывала всех аспектов объяснения теории, имеющихся в предшествующей работе Лоренца и параллельной работе Пуанкаре. И даже вместе взятые эти работы Лоренца, Эйнштейна и Пуанкаре не исключали необходимость дальнейшего развития как основного содержания СТО, так и объяснения важнейших вопросов этой теории.

О некоторых невыясненных сторонах лоренцевского квазиклассического пути построения теории речь пойдет в одном из следующих разделов. Что же касается основной работы Пуанкаре [28], то она содержала совершенно не затронутый Эйнштейном важнейший аспект исследования инвариантов новой теории. Доказательство' того, что преобразования Лоренца образуют группу в многообразии четырех измерений и исследование ее инвариантов представляли собой развитие математического аппарата, способствующего значительному углублению понимания физического содержания теории. Так, только преобразования, составляющие группу, удовлетворяют необходимому требованию однозначности получаемых физических величин. Установление инвариантов показывало, что в новой теории имеются свои неизменные физические величины.

По этой причине никак нельзя согласиться с последней частью * утверждения Б. Г. Кузнецова: “Формализм четырехмерных преобразований, изложенных в статье Пуанкаре, опередил математические построения Эйнштейна и даже Минковского. Но в первую очередь он опередил физические построения самого Пуанкаре” [38, стр. 285]. Даже если не учитывать предшествовавшего вклада "Пуанкаре в обоснование основных физических принципов СТО и данного им наглядного объяснения физического смысла местного 'времени и ограничиться рассмотрением только основной его работы, то и в этом случае нетрудно выяснить большую глубину проникновения в суть физической проблемы. Он отлично понимал принципиальную необходимость обобщения полученных для электродинамики результатов. Этот важнейший аспект понимания физического смысла новой теории пространства и времени представлен в работе Пуанкаре более конкретно, чем у Эйнштейна. Так, в отличие от Эйнштейна само отрицание возможности обнаружения абсолютного движения Земли он непосредственно связывал с требованием приведения в соответствие с новой метрикой известных тогда, кроме электромагнитных, гравитационных взаимодействий. Поэтому в той же работе [28] он сделал первую попытку изменения закона тяготения Ньютона, придав ему лоренц-инвариантный вид. Можно ли после этого считать, что Пуанкаре недостаточно осознавал радикальность преобразований основных физических представлений, вносимых новой теорией. Скорее всего, он просто не подчеркивал это обстоятельство, чтобы не отпугивать от новой теории многих исследователей, склонных лишь к постепенному преобразованию укоренившихся воззрений.

Нужно заметить, что представлять Эйнштейна единственным создателем СТО, как это делают многие авторы, столь же несправедливо, как и приписывать, например, создание квантовой механики одному М. Борну, впервые давшему правильную физическую интерпретацию волновой функции, пренебрегая фундаментальным вкладом самого первооткрывателя основного уравнения квантовой механики. Нелепость такой точки зрения в данном случае более очевидна только потому, что признание основополагающих работ по квантовой механике складывалось без каких-либо отступлений от нормального пути, когда каждый следующий шаг в развитии новой механики лишь подчеркивал принципиальное значение ранее высказанных новаторских идей.

Сопоставление с квантовой механикой полезно также и для установления аналогии в развитии решающих идей периода, непосредственно предшествующего созданию новой физической теории пространства и времени. Аналогом работ Планка, Эйнштейна, Бора и де Бройля в квантовой механике, в теории относительности, очевидно, следует считать работы Лоренца 1892 и 1895 гг. [2, 3] и работы Пуанкаре 1895, 1898—1900 гг. [8, 14, 15, 17]. Значение работ, давших правильное направление всем остальным исследованиям, так велико, что годом рождения квантовой механики многие считают, например, 1900 г., когда М. Планк опубликовал свою работу о квантах энергии. Не следует недооценивать значения аналогичных работ и при рассмотрении истории создания СТО. Нельзя представлять дело так, будто бы идеи СТО носились в воздухе.