Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Можно поэтому думать, что логическая упорядоченность рассуждений в статье появилась позже, а ход рассуждений был, все же, связан именно с поиском такого «запрещающего» принципа. И действительно: в преобразования Лорентца, самостоятельно выведенные Эйнштейном из принципа инвариантности уравнений электродинамики Максвелла, входит квадратный корень от разности квадратов скорости света и скорости движения источника. Если верить этим формулам, если принять, в отличие от Лорентца и Пуанкаре, что они не являются формальными упражнениями в математических преобразованиях, а отражают физические явления, то скорость, большая скорости света, должна приводить к мнимым величинам времени, длины и т. д. А как их интерпретировать?

И тут можно попробовать просто — по некоторой аналогии с термодинамикой — их запретить, т. е. проверить возможность введения такого принципа: скорость, большая скорости света, невозможна.

Но с уравнениями Максвелла этот принцип согласуется только в случае отсутствия эфира, неподвижного или увлекаемого — однако именно ненужность, или точнее, не-необходимость, эфира Эйнштейн доказывает в своей квантовой теории. Так что здесь противоречий нет. Нужно теперь проверить кинематику, т. е. механику, — с нее логически и начинается статья. И здесь также не встречается противоречий — следовательно, можно провозгласить основным принцип : свет в пустоте распространяется с постоянной скоростью и эта скорость является предельно допустимой.

Основная новизна этой статьи содержится в ее части, относящейся к механике, но название «К электродинамике движущихся тел» отражает, по-видимому, ход мыслей автора, что и может оправдать наши попытки психологического анализа.

При этом, однако, очень важно такое замечание: в теории Фитцджеральда-Лорентца, при тех же математических выражениях, неявно принималось, что сокращение длины тела вдоль направления движения должно быть связано с каким-то изменением действия молекулярных сил (поэтому сам Лорентц отнюдь не считал, что его преобразования адекватны теории относительности Эйнштейна), а Пуанкаре говорил о возможной необходимости каких-то новых гипотез, т. е. опять-таки о каком-то изменении состояния или структуры движущегося тела. Следовательно, по их воззрениям, наблюдатель, который находится на движущемся теле, мог бы заметить эффекты сокращения и поэтому обнаружить, что он движется относительно некоей абсолютной системы отсчета: инерциальные системы отсчета при таком подходе не равноправны.

Но не так у Эйнштейна — как он сам писал в 1911 г. в связи с бесчисленными вопросами: «Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако оно реально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом».

* * *

Итак, мы видим, что построение в 1905 г. теории относительности не было единичным, пусть даже гениальным прозрением. Для его осуществления необходимо было совершить последовательную серию исследований и открытий, каждое из которых, взятое по-отдельности, могло обессмертить имя автора:

1) убедиться в атомарной структуре материи;

2) пересмотреть закон равнораспределения энергии по степеням свободы;

3) показать (или, во всяком случае, предположить) возможность распространения света в виде частиц-квантов, фотонов;

4) полностью отказаться на этом основании от концепции эфира, одним ударом разрубить этот многовековой гордиев узел;

5) предложить общий «запрещающий» принцип (типа принципов термодинамики);

6) объединить принципы относительности в механике и в электродинамике.

Такая цепочка гениальных открытий, совершенных одним человеком за один год, не имеет даже приблизительных аналогов в истории науки: Эйнштейн последовательно прошел по всем этим ступеням, и поэтому создание им теории относительности вовсе не явилось некоторым одиночным, хоть и гениальным открытием. Но ни Лоренц, ни Пуанкаре осуществить такую программу не могли — психологически они так и не освободились от концепций эфира. Именно поэтому о них можно и должно говорить как о предшественниках Эйнштейна, но лавры творца теории относительности принадлежат ему и только ему.

В первой же статье по этой теме Эйнштейн принимает два постулата:

1. Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета.

2. В любой инерциальной системе отсчета скорость света одинакова вне зависимости от движения того тела, которое этот свет испускает. (Этот постулат иногда формулируется как невозможность скорости, большей скорости света в пустоте.)

Из этих постулатов сразу же следуют правила преобразования систем координат, включающие сокращение длины в направлении движения и замедление хода времени, т. е. преобразования Лорентца (Лорентц не понял математической, так называемой групповой природы этих преобразований — ее выявили независимо Пуанкаре и Эйнштейн).

С общенаучной точки зрения чрезвычайно важным оказалось утверждение СТО об относительности понятия «одновременности»: те события, которые представляются одновременными одному наблюдателю, могут казаться разновременными другому — из-за конечности скорости распространения информации, сигнала становится невозможным установить «истинную» последовательность близких по времени событий в пространственно разделенных точках.

Трудность усвоения новых понятий хорошо иллюстрируется анекдотом, популярным в ту эпоху — Артуру Эддингтону, автору наиболее серьезной книги по теории относительности, задают вопрос: «Сэр, говорят, что Вы один из трех людей в мире, понимающих эту теорию?» Эддингтон морщит лоб и спрашивает: «А кто же третий?» Однако сейчас основы теории относительности часто включаются в школьные программы и никаких особых сложностей они уже не вызывают.

Из этих преобразований следует, что сокращения длины и замедление времени зависят от квадрата отношения скорости движения к скорости света, которая равна примерно 300 тыс. км/с. Поэтому для используемых нами двигателей и скоростей, ими развиваемых, всеми такими изменениями можно пренебречь.

Тем не менее, все выводы Эйнштейна удалось проверить в эксперименте. Для особо неверующих точные атомные часы помещали на самолет и чуть ли не неделями держали в полете — отставание часов (это микросекунды, скорость самолета мала в сравнении со скоростью света) точно соответствовало теории. Для физиков достаточны и более простые способы проверки: частица мюон (или мю-мезон) живет, в среднем, две миллионные доли секунды и распадается на электрон или позитрон и два нейтрино, однако те мюоны, которые рождены солнечными космическими лучами в верхних слоях атмосферы, успевают все же долететь до поверхности Земли — распадаются они «по собственным часам», а из-за их скорости, близкой к световой, за это же время, прошедшее по их часам, на Земле проходит в несколько раз больший промежуток времени, и поэтому их можно наблюдать, а рассчитывая их скорости, сравнивают это время с рассчитываемым по формуле лоренцевского сокращения, т. е. в соответствии с СТО.