Добавлен: 06.07.2023
Просмотров: 464
Скачиваний: 10
Введение
В мир с сокрушительной силой ворвалась теория относительности. Мне кажется, что ни до, ни после ни одна научная мысль, которой удавалось завладеть умами широких слоев публики, не производила равного по силе эффекта. (Поль Дирак (1977))
Созданная в первые годы ХХ века теория положила начало радикальному преобразованию ранее сложившихся физических представлений, легла в основу современной физики. Но, несмотря на столь значительное место этой теории во всей системе современных научных знаний, в традиционном изложении истории ее создания на долгие годы утвердился односторонний подход с несвойственными для точной науки весьма существенными пробелами. В сложившейся историографии оказался особенно недооценен период непосредственно предшествующий созданию, когда в поисках решения возникших противоречий были выдвинуты исходные положения новой физической теории.
Основная часть
Столь невнимательное отношение к периоду формирования исходных принципов фундаментальной теории нельзя объяснить потерей интереса ученых к историческим деталям возникновения новых научных концепций. В тот же период в физике формировались также исходные положения другой новой, еще более радикальной физической теории - квантовой механики. Но в описании истории создания этой теории начальный период развития исходных идей всегда высоко оценивался как важнейший этап отхода от господствующих тогда принципов классической механики.
Необычность выводов новой теории по самым, казалось бы, простым вопросам неизменно вызывала огромный интерес и за пределами научных кругов. Пожалуй, в широкой известности этой теории, в ее популярности, организованной, в основном, далекими от науки литераторами, и заключена одна из причин историографических отступлений от точного и объективного описания истории крупнейшего научного открытия XX века. Искажения истории состояли не только в полном забвении решающего вклада выдающегося французского ученого Анри Пуанкаре в начальный период формирования исходных идей новой теории, но и в недооценке его фундаментальных работ по созданию самой теории.
Редкой объективностью описания истории отличалась лишь обзорная статья 1921 г. в немецком издании энциклопедии математических наук, написанная будущим выдающимся теоретиком, двадцатилетним студентом Мюнхенского университета Вольфгангом Паули, изданная затем отдельной книгой. Статья начиналась кратким (всего на 5 стр.) историческим обзором, который до выхода в 1953 году книги Уиттекера оставался самым полным и объективным. Паули выделил для рассмотрения работы Хендрика Лоренца, Анри Пуанкаре и Альберта Эйнштейна, "в которых были установлены положения и развиты соображения, образующие фундамент теории". Действительно, имеются все основания считать этих авторов фундаментальных работ основными создателями теории, хотя имелось различие во вкладах каждого из них. Тем ни менее, несмотря на большой успех книги Паули, многие ученые в последующем игнорировали его историческую оценку и в своих научных публикациях продолжали придерживаться широко распространенной в популярной литературе версии об единственном создателе теории - Альберте Эйнштейне.
Возникновение исходных идей
Опыт дал множество фактов, которые допускают следующие обобщение: невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира. (Анри Пуанкаре (1895))
В описании истории специальной теории относительности до 1953 г., вообще отсутствовало упоминание о формулировке исходных идей теории в период, предшествующий ее созданию. Только отмечалось формальное использование "местного" времени в движущейся системе с началом отсчета времени, линейно возрастающим от пространственной координаты.
Новое слово в историю создания этой теории было внесено появлением второго тома исторического труда известного английского математика Эдмунда Уиттекера (1953г.). В нем впервые было обращено внимание на то, что знаменитый французский математик и физик-теоретик Анри Пуанкаре в 1899 г. в своих лекциях в Сорбонне высказал твердое убеждение в невозможности наблюдения в оптических опытах абсолютного движения в силу строгого выполнения принципа относительности для оптических явлений. Эту идею ученый высказал затем и в докладе на Международном физическом конгрессе в Париже в 1900г. В своей книге Эдмунд Уиттекер привел следующее весьма четкое предсказание новой механики из еще одного доклада Анри Пуанкаре: "На основе всех этих результатов должна появиться новая динамика, которая помимо всего прочего характеризовалась бы правилом, что ничто не может иметь скорость, превышающую скорость света" (1904г.)
Раздел книги Уиттекера, посвященный специальной относительности, вызвал оживленную дискуссию и, несомненно, пробудил интерес у многих ученых к самостоятельным историческим исследованиям периода, предшествовавшего созданию теории относительности. В результате не только более детально были изучены указанные Уиттекером работы Пуанкаре, но и спасено от забвения еще несколько его выступлений и появлений в печати. Выяснилось, что принцип эквивалентности ИСО для электромагнитных явлений был выдвинут Пуанкаре еще раньше в 1895 г.
В 1898 г. Пуанкаре в статье "Измерение времени", обсуждая проблему определения количественных характеристик времени, пришел к выводам об условной сущности понятия одновременности, представляющим не только исторический интерес, но и позволяющим уяснить ограниченность существующей трактовки пространственно-временного подхода специальной относительности. Пуанкаре отметил, что постулат постоянства скорости света "дал нам новое правило для поиска одновременности". Но в отношении используемого при этом предположения о независимости скорости света от направления распространения автор сделал следующее категорическое утверждение: "Это есть постулат, без которого нельзя было бы предпринять никакого измерения этой скорости. Данный постулат никогда нельзя проверить прямо на опыте".
Эти соображения дали ему полное основание закончить статью следующим выводом: "Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка естественных законов была бы настолько простой, насколько это возможно. Другими словами, все эти правила, все эти определения являются лишь плодом неосознанного соглашения".
Эти ценные идеи крупнейшего мыслителя, к сожалению, не были в достаточной степени в явном виде использованы при создании специальной теории, в отличие от его установки на строгое выполнение принципа эквивалентности ИСО для электромагнитных явлений. Не были осмыслены они в полной мере и позднее. Так, не было осознано, что в основе вывода об условной сущности одновременности разноместных событий лежит принципиальная невозможность измерения скорости света в одном направлении без принятия соглашения о соотношении скоростей физических процессов в противоположных направлениях.
Дальнейшее развитие идеи определения времени на основе постулата о постоянстве скорости света было дано Пуанкаре в 1900г. в статье "Теория Лоренца и принцип реакции". В этой работе впервые была дана физическая интерпретация введенного Лоренцем "местного" времени как времени, соответствующего показаниям часов, синхронизованных световым сигналом в предположении постоянства скорости света. Так, Пуанкаре в этой работе писал: "Я предполагаю, что наблюдатели, расположенные в различных точках, регулируют свои часы с помощью световых сигналов, что они подправляют эти сигналы на время передачи, игнорирую при этом поступательное движение, в котором они находятся, и считая вследствие этого, что сигналы распространяются одинаково быстро а обоих направлениях. Они ограничиваются тем, что проводят перекрестные наблюдения, посылая сигналы из А в В, затем - из В в А. Местное время t есть время, отмечаемое часами, отрегулированными таким образом". Эту работу по большей части проигнорировали историки и ученые, хотя его разъяснения сущности собственного времени в инерциальных системах были приняты наукой после того, как Эйнштейн в своей знаменитой работе 1905 г. повторил те же рассуждения, сохранив в них даже характерную для Пуанкаре операционалистскую подмену времени показаниями часов.
К данному периоду следует отнести и работы, в которых были получены новые преобразования пространственно-временных координат, занявшие затем центральное место в теории. В литературе широко распространено мнение, что впервые эти преобразования были приведены Лоренцем в работе 1904 г. Менее известен факт появления их в книге "Эфир и материя" английского физика-теоретика Джозефа Лармора в 1900 г. И уже совсем осталось не отмечено историками, что впервые Лоренц пришел к этим преобразованиям, получившим по предложению Пуанкаре название группы Лоренца, в работе 1899 г. В этой статье Лоренц добавил множитель г = (1 - н2/c2) - 1/2 к введенным им в 1895 г. преобразованиям. Только после добавления этого множителя новые преобразования стали строго удовлетворять требованиям (математической) группы и соответствовать инвариантности уравнений Максвелла.
Создание теории
Специальная теория относительности не является трудом одного человека, она возникла в результате совместных усилий группы великих исследователей - Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского. (Макс Борн (1959))
Таким образом, Анри Пуанкаре еще в конце прошлого столетия в ходе обсуждения проблемы выдвинул основные положения, необходимые для аксиоматического построения релятивистской теории. Он не только выдвинул принцип относительности, но и обратил внимание на необоснованность неявно существовавшего интуитивного представления об одновременности разноместных событий, т.е. на самый узловой момент, на основе пересмотра которого затем было достигнуто объединение, казалось бы, противоречащих друг другу исходных постулатов теории. Следовательно, крупнейшим математиком того времени Пуанкаре был сделан решающий вклад в открытие именно физических принципов построения релятивистской теории. Опубликованные в научной печати фундаментальные физические положения будущей теории завершили процесс идейной подготовки создания теории относительности и обеспечили тем самым необходимые условия для окончательного решения проблемы. Полагаю, что именно этой завершенностью идейной подготовки объясняется тот факт, что эта проблема, остро вставшая перед физиками, была решена в течение сравнительно короткого времени (в 1904-1905 годах) тремя выдающимися учеными: Хендриком Лоренцем, Анри Пуанкаре и Альбертом Эйнштейном.
Конечно, сам поиск радикального пути решения проблемы, в основе которого лежал отказ от принципов классической механики, и стал возможен только после того, как было преодолено догматическое отношение к научному наследию и, в частности, получила признание критика ньютоновской формулировки механики. Начиная с 1872 г. Эрнст Мах неоднократно выступал с критикой традиционной формулировки принципа инерции, включающей понятие абсолютного движения, которое отрицалось всем содержанием классической механики. Дальнейшему развитию формулировки механики были посвящены работы Эрнста Маха, Густава Кирхгофа, Густава Людвига Герца и др. Только глубокое понимание основ классической механики позволило отдельным исследователям уяснить ее непригодность для объяснения экспериментальных данных в новых областях физических явлений и выступить с программой коренных изменений господствующих тогда физических воззрений
Созданием новой релятивистской механики в те годы занимался прежде всего сам автор исходных постулатов теории относительности. В сентябре 1904 г. Пуанкаре представил доклад на Международный конгресс искусства и науки в Сент-Луисе, в котором четко обрисовал основные особенности новой механики. В частности, он вновь отстаивает “принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение. ”, и в конце доклада характеризует основные черты будущей механики: “Возможно даже, мы должны создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причем скорость света являлась бы непреодолимым пределом”. В этом же докладе, Пуанкаре несколько развивает данную им ранее интерпретацию местного времени на основе рассмотрения синхронизации часов световым сигналом, отмечая принципиальную невозможность обнаружить какое-либо несоответствие местного времени физическим явлениям в движущейся системе и тем самым установить абсолютное движение: “Часы, отрегулированные таким образом (Раздел II), не будут показывать истинное время. Они показывают так называемое местное время. Одни из них отстают. Это не имеет большого значения, поскольку у нас нет средств заметить это. Все явления, которые происходят, например, в пункте А, будут запаздывать, но все останется точно таким же, и наблюдатель не заметит этого, поскольку его часы отстают. Таким образом, как этого требует принцип относительности, у наблюдателя не будет никакой возможности узнать, находится ли он в покое или в абсолютном движении”
Также была представлена работа Джозефа Лармора, с которой судьба обошлась, пожалуй, наиболее несправедливо. В которой впервые были открыты новые преобразования пространственно-временных координат, отвечающие строгому выполнению принципа относительности в электродинамике. Эти преобразования в последующем были названы "преобразованиями Лоренца", хотя за два года до Лоренца и за восемь лет до Эйнштейна были представлены Лармором. На этот фундаментальный результат широко известной книги Лармора “Эфир и материя" первоначально вообще не было обращено внимания. В своих исследованиях, например, Поль Ланжевен (французский физик многое сделавший для распространения теории относительности во Франции, а также сформулировавший Парадокс близнецов) часто ссылался на эту книгу. Но только в работе 1905 г. он упоминает монографию Лармора в связи с проблемой невозможности обнаружения движения Земли. Причем он характеризует работу Лоренца 1904 г. как дальнейшее развитие собственных работ 1892 и 1895 гг. и работы Лармора, не замечая, что цитируемая работа Лармора уже содержала строгое решение проблемы электродинамики движущихся тел. Конечно, такая судьба работы первооткрывателя была предопределена весьма неполным и нечетким объяснением преобразований, признание которых было связано с радикальными изменениями сложившихся физических представлений. Найденное Лармором решение фундаментальной проблемы затерялось даже внутри самой монографии автора среди множества других рассмотренных вопросов.