Гудвин относительности (стр. 2 )

За дело спасения взялся голландец Хендрик Лоренц. Положив в основу постулат «неподвижного», не увлекаемого телами эфира, Лоренц выдвигает гипотезу о продольном сокращении размеров тел, движущихся в эфире. В заметке 1892 года, посвященной опыту Майкельсона, Лоренц, предполагая, что межмолекулярные силы носят исключительно электрический характер, находит коэффициент сокращения, который объясняет отрицательный результат. Сжатие продольного плеча интерферометра в точности компенсирует расхождение интерференционной картины. Словом, эфир существует, но он так влияет на движущееся в нем тело, что полностью аннулирует свое проявление.

Лоренц также вводит понятие местного времени в движущейся системе отсчета, темп хода которого отличается от темпа времени в покоящейся системе. Это первое отступление науки от привычных представлений об абсолютном Времени, текущем с одинаковой скоростью в движущихся и покоящихся телах. Сам автор, испуганный собственной смелостью, считал это всего лишь математической уловкой, упрощающей расчеты. Он оправдывал такое новшество тем, что уравнения электромагнитного поля при такой подстановке сохраняли одинаковый вид, как в покоящейся, так и в движущейся системах координат (становились ковариантны относительно преобразований).

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре обобщил выводы Лоренца, исправил математическую сторону, привел все к строгому виду, и впервые сформулировал всеобщий принцип относительности, согласно которому все физические процессы протекают одинаково в любых системах отсчета, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.

Пуанкаре публикует две основополагающие статьи под одним названием «О динамике электрона» – первая вышла в свет в 1905 году, раньше статьи Эйнштейна, вторая была сдана в редакцию в июне 1905, но вышла уже в 1906-м. В этих статьях изложены все основные результаты будущей теории относительности, подведены итоги десятилетнего труда физиков.

В истории открытия теории относительности при упоминании предшественников Эйнштейна приоритеты обычно отдаются Лоренцу и Пуанкаре. Но часто забывают, что еще в 1900 году вышла книга Джозефа Лармора «Эфир и материя». Эфир у Лармора (в отличие от лоренцевского) увлекался движущимся телом. Из этой посылки Лармор получил преобразования координат и времени в том виде, в котором они используются сейчас. Злая ирония судьбы – эти же преобразования Пуанкаре запишет только через пять лет и назовет их преобразованиями Лоренца.

Размышляя о скорости распространения световой волны в движущейся среде, Лармор выясняет: скорость света зависит от коэффициента преломления эфира и скорости его движения. Он находит формулу сложения этих скоростей, которая только через пять лет появится у Пуанкаре, а потом и у Эйнштейна! Исходя из этой формулы, Лармор объясняет опыт Физо, коэффициент увлечения Френеля и отрицательный результат опыта Майкельсона. Иными словами, Лармор, базируясь на гипотезе увлекаемого эфира, решил все основные проблемы оптики и электродинамики.

Итак, к моменту выхода в свет статьи Альберта Эйнштейна все результаты будущей теории относительности были уже известны научному миру. И при этом они были свободны от тех будущих парадоксов, которыми теория Эйнштейна и завоевала репутацию самой непонятной физической теории. Важно то, что теория Лоренца – Лармора – Пуанкаре была теорией эфира, а точнее, теорией относительности для света, являющегося поперечными волнами эфира – абсолютной системы отсчета.

ОЧЕНЬ ПРОСТАЯ ТЕОРИЯ

Публикация научной работы без ссылок на предшественников считается, по меньшей мере, нарушением научной этики. Статья Эйнштейна, опубликованная в «Анналах физики», удивляет в первую очередь тем, что автор не дал ни одной ссылки на работы своих предшественников. Потом Эйнштейн будет повторять, что он не знал о работах Лоренца, Пуанкаре и других ученых, исследовавших проблему. Не знал он и про опыты Майкельсона – Морли (хотя в предисловии к статье проговорился о неких «неудавшихся попытках обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды»).

Кажется, Гете говорил, что карлик, стоящий на плечах гиганта, видит дальше – но нет в нем биенья гигантского сердца. Эйнштейн, несмотря на его отрицание предшественников, действительно стоял на их плечах. Был ли он «карликом» – это уже этический вопрос, и не наша задача отвечать на него. Но он и в самом деле увидел то, чего еще не видели гиганты науки того времени.

Уже в предисловии к своей статье Эйнштейн сделал ошеломляющее утверждение: введение «светоносного эфира» абсолютно излишне. В шахматах неожиданный ход, начинающий головокружительную комбинацию (и еще неизвестно, как она закончится!), обозначается вопросительным и восклицательными знаками. Уничтожение эфира и стало таким неожиданным – и красивым! – ходом. Представьте, вы изучаете распространение волн на поверхности воды, и у вас что-то не складывается. К вам подходит человек и предлагает для решения всех проблем убрать из рассмотрения… воду! Да не беспокойтесь вы за ваши волны, – говорит он на ваши робкие возражения, – существует же улыбка Чеширского кота в его отсутствие! А сейчас я покажу, что без воды ваши проблемы с волнами решаются легко. Но для этого нужно ввести два постулата (постулат – допущение, принимаемое без доказательств).

1. Принцип относительности: во всех системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, все законы природы выглядят одинаково.

2. Принцип постоянства скорости света: свет в пустом пространстве распространяется с определенной скоростью С, не зависящей от скорости излучающего тела.

Принцип относительности понятен – он был, в общем, известен со времен Галилея (вспомните его рассуждение, что нельзя в каюте ровно плывущего корабля обнаружить движение, не посмотрев в иллюминатор). Но вот постулат о свете переворачивал мир с ног на голову! Во-первых, без эфира-носителя исчезло привычное право волны двигаться в среде со скоростью, независимой от скорости источника. А во-вторых, у скорости света возникло свойство быть независимой и от скорости наблюдателя: с какой бы скоростью вы ни двигались относительно световой волны, вы ее никогда не догоните – она будет иметь все ту же скорость С как относительно неподвижного источника, так и относительно движущегося наблюдателя. Этакий эффект недосягаемого горизонта! Что это за странная скорость, которую нельзя сложить с другой скоростью? Здравый смысл, основанный на опыте человечества и на физике Галилея, при столкновении с таким утверждением просто упал в обморок и до сих пор не пришел в себя. При этом мы не говорим, что это неправильное предположение. Во всяком случае, это очень интересный и неожиданный (особенно для того «дремучего» времени) постулат – примем его на веру и посмотрим, что из него вытекает. Тем более что именно отсюда начинает разворачиваться великое действо относительности.

Вначале Эйнштейн анализирует понятие одновременности. Одновременность нельзя игнорировать, особенно когда мы выбираем свет в качестве измерительного инструмента. Действительно, если один и тот же световой импульс в разных системах распространяется с разной суммарной скоростью, то прошлое и будущее могут поменяться местами – двигаясь мимо сцены с достаточно большой скоростью, вы увидите нелепицу: сначала упадет Ленский, и только потом выстрелит Онегин.

Таким образом, Эйнштейн основывает понятие одновременности на скорости света. Почему не на скорости звука или, как остроумно заметил один из критиков, не на скорости мальчика Васи в турпоходе? Это опасный путь – а вдруг, не дай Бог, существует еще большая скорость? Но, как мы увидим дальше, только такой выбор приводит к нужным результатам, то есть к преобразованиям Лоренца. Правда, есть какая-то неуверенность в обращении Эйнштейна с собственным постулатом о постоянстве скорости света. Иллюстрируя неодновременность событий в разных системах отсчета, Эйнштейн пишет в своей статье (обозначая скорость света как V): «Принимая во внимание принцип постоянства скорости света, находим tB – tA = rAB/(V – v) и t'A – tB = rAB/(V + v)». Но, судя по представленной в этих формулах классической схеме сложения скорости света и скорости системы координат, принцип постоянства скорости света как раз не принимается во внимание. Скорее всего, Эйнштейн еще полностью не отошел от эфирно-волновых представлений о свете, и не был уверен в том, что скорость света не зависит как от скорости источника, так и от скорости наблюдателя.

Несмотря на популярный характер данной работы, без элементарных уравнений нам не обойтись – они сэкономят время и, что более важно, продемонстрируют: на самом деле теория относительности очень проста и доступна школьнику. Имидж ее головоломной непонятности основан только на том, что сами эксперты, пишущие учебник за учебником, не понимают, как Эйнштейн получил свои знаменитые уравнения. Или, наоборот, понимают, и поэтому стараются «уберечь» от этого понимания тех, кто только начинает изучать относительность по Эйнштейну. И, по-своему, они правы – здесь именно тот случай, когда знание (такое знание) умножает печаль…

Если снять со статьи Эйнштейна леса длинных, запутанных и запутывающих рассуждений, то обнажится очень простая логика. Любому шестикласснику известны преобразования Галилея для нахождения координаты точки в системе, движущейся относительно наблюдателя со скоростью v:

x' = x – vt.

Т. е. координата точки в системе, удаляющейся от наблюдателя, отличается от координаты той же точки в системе наблюдателя на расстояние vt, пройденное на момент измерения. Как видим, время в обеих системах одинаково – это абсолютное время, текущее всегда и везде с одинаковой скоростью.

Но Эйнштейн измеряет расстояние до выделенной точки путем локации световым импульсом. Учитывая провозглашенное им постоянство скорости света, он вынужден положить для измеренных расстояний (мы пользуемся современными обозначениями):

x = ct;