Музыкальный киоск
Евреи всех стран, объединяйтесь!
Добро пожаловать на сайт Jewniverse - Yiddish Shteytl
    Поиск   искать в  

 РегистрацияГлавная | Добавить новость | Ваш профиль | Разделы | Наш Самиздат | Уроки идиш | Старый форум | Новый форум | Кулинария | Jewniverse-Yiddish Shtetl in English | RED  

Help Jewniverse Yiddish Shtetl
Поддержка сайта, к сожалению, требует не только сил и энергии, но и денег. Если у Вас, вдруг, где-то завалялось немного лишних денег - поддержите портал



OZON.ru

OZON.ru

Самая популярная новость
Сегодня новостей пока не было.

Главное меню
· Home
· Sections
· Stories Archive
· Submit News
· Surveys
· Zina

Поиск



Опрос
Что Вы ждете от внешней и внутренней политики России в ближайшие 4 года?

Тишину и покой
Переход к капиталистической системе планирования
Полный возврат к командно-административному плану
Жуткий синтез плана и капитала
Новый российский путь. Свой собственный
Очередную революцию
Никаких катастрофических сценариев не будет



Результаты
Опросы

Голосов 944

Новости Jewish.ru

Наша кнопка












Погода





Новости от Israland

Курс валют



Новости России

Поиск на сайте Русский стол


Обмен баннерами


Российская газета


Еврейская музыка и песни на идиш

  
Марк Е.Перельман. Год Эйнштейна - 2005.

Отправлено от Anonymous - Thursday, October 14 @ 00:00:00 MSD

Science
Почему именно Эйнштейн является автором теории относительности?

(Попытка историко-психологического анализа)


Всякий великий человек является единственным в своем роде. В историческом шествии ученых у каждого из них своя определенная задача и свое определенное место. Дж.К.Максвелл (в статье «Фарадей»)

В эпоху поздней античности отмечали не год рождения или смерти великого человека, а год его акме ("вершины"), наивысшего достижения. Восстанавливая, по-видимому, эту традицию Всемирный союз научных обществ объявляет 2005 год "Годом Эйнштейна" в честь столетия публикации трех статей, ставших краеугольными камнями науки ХХ века (случайно, конечно, этот год совпадает с 50-летием кончины великого ученого). И поскольку Эйнштейн, в глазах мирового сообщества, в первую очередь – творец теории относительности, то именно её столетие является основой планируемых торжеств.

Но вглядимся в историю науки внимательней. «Преобразования Лоренца», «группа Пуанкаре» – с них начинается изучение теории относительности (сюда можно добавить еще «сокращение Фицджеральда», «связь энергии и массы» по Хазенёрлю и/или Хевисайду, роль Гроссмана и Гильберта в построении уравнений тяготения). Так почему же автором теории относительности (специальной, СТО, и уж, конечно, общей, ОТО) считается только Эйнштейн?

Отметим сразу же, что хотя все они, кроме Фицджеральда, дожили до широкой публикации работ Эйнштейна и даже начала его прославления, никто из них не высказывал – во всяком случае, публично – сомнений в его авторстве. Попытки пересмотра вопросов приоритета начались в Германии с ростом радикализма и антисемитизма после Первой Мировой войны и являются посейчас «горячей» темой вненаучных публикаций. Так, поиск в интернете по набору слов "priority Einstein relativity" и его русскому эквиваленту "приоритет Эйнштейн релятивизм" дает свыше 10 тысяч ссылок, во множестве из которых авторство «присуждается» Лоренцу, Пуанкаре, а то и кому-нибудь еще!

Множество из этих публикаций вызвано тем, что Эйнштейн, самый великий ученый ХХ века или, общее, всей истории современной науки, является как бы символом гения еврейского народа и потому излюбленной мишенью антисемитов всех направлений, еще одна группа статей обусловлена элементарным невежеством авторов, но есть среди них и статьи людей, искренне заблуждающихся, недостаточно разобравшихся в истории развития науки, в психологических предпосылках научного творчества. Им, в первую очередь, и адресован предлагаемый очерк.

* * *

Итак, целый ряд формул и утверждений, легших в основу СТО (специальной или частной теории относительности) носит имена других ученых. Как это соотнести с утверждением о единоличном авторстве Эйнштейна?

Неизбежен и такой вопрос: Нобелевской премией 1921 года была отмечена не теория относительности Эйнштейна, а его «заслуги в области теоретической физики и, в особенности, открытие закона фотоэлектрического эффекта». До того, начиная с 1910 г., его кандидатура почти ежегодно выдвигалась на эту премию, причем в первые годы почти исключительно за СТО, а с 1917 г. и за создание ОТО (в числе физиков, выдвигавших на премию работы Эйнштейна по ОТО, был, кстати, и сам великий Лоренц). Ведь в это время Эйнштейн находился на вершине всемирной славы, и если бы он сам по-иному оценивал степень важности своих работ, то Комитет вынужден был бы переоформить формулу премии. Значит ли его согласие принять премию с такой формулировкой, что он и сам ставил во главу углу свои работы по фотоэффекту?

Попробуем разобраться во всех этих проблемах, но для этого нужно не только сравнивать даты публикации тех или иных статей (историки-нефизики обычно задаются лишь вопросами: «Знал ли Эйнштейн работу Пуанкаре 1904 г.?», «Какая из статей Лоренца на него повлияла?» или «Как он относился к результатам экспериментов Майкельсона-Морли?»), но и психологические особенности ученых: а могли ли вообще Г.А.Лоренц, крупнейший физик-теоретик своего поколения, или А.Пуанкаре, гениальный математик и философ, сформулировать основные положения СТО? А если не могли, то почему? Чем могли отличаться особенности мышления Эйнштейна от особенностей мышления других великих ученых того времени?


Нам представляется, что проблема эта – в первую очередь психологическая, и именно с таких позиций ее и следует пытаться рассмотреть. И при этом нужно опираться, по возможности, на слова самого Эйнштейна, и хотя он нигде прямо об этом не пишет, в его статьях есть сведения, которые могут стать ключом к такому подходу.
И дело здесь, как представляется, в особенностях работы подсознания: у каждого человека, в том числе и у ученого, к определенному возрасту вырабатывается – в подсознании! – некое общее видение мира и определенный стиль мышления, остающиеся, по-видимому, в основном неизменными на всю последующую жизнь и не позволяющие, вообще говоря, выйти за определенный тип представлений.

Роль подсознания в научном открытии подчеркивали именно те ученые, о которых нам должно говорить. Так Анри Пуанкаре описывает, как он приходил к своим открытиям 1
«Случаи внезапного озарения, мгновенного завершения длительной подсознательной работы мозга, конечно, поразительны. Роль этой подсознательной деятельности интеллекта в математическом открытии можно считать, по-видимому, бесспорной». А затем он несколько уточняет: «Внезапное вдохновение никогда не могло бы прийти без многих дней предшествующих целенаправленных усилий, казавшихся в то время совершенно бесплодными и направленными по неправильному пути».
Эйнштейн пишет почти так же:

«Что значит, в сущности "думать"?.. Для меня не подлежит сомнению, что наше мышление протекает в основном минуя символы (слова), и к тому же бессознательно».

Поэтому нужно попытаться выявить те структуры подсознания, в рамках которых и могли создаваться концепты будущей парадигмы науки. Их, в случае Эйнштейна, он сам и очерчивает.

Об определяющей роли психологической (точнее, подсознательной) убежденности говорит и такой факт истории СТО. К 1905 году были выдвинуты две теории массы электрона: Лоренц рассматривал динамическую модель, сжимающуюся при движении в соответствии с его преобразованиями, а М.Абрахам – модель твердого шарика. В 1909 г. В.Кауфман, опытный экспериментатор, показал, казалось бы, что модель Абрахама предпочтительней: «Результаты измерений несовместимы с постулатом Лоренца-Эйнштейна». Лоренц заколебался, у него возникли сомнения в правильности теории, но Эйнштейн остался непоколебимым – внутренняя убежденность была для него важнее, и дальнейшие эксперименты 1912-16 годов подтвердили справедливость СТО 2
Попытаемся поэтому начать с особенностей внутреннего мира Эйнштейна.


Истоки мировоззрения Эйнштейна


Основные этапы формирования мировоззрения Эйнштейна, отмечаемые им в автобиографии, написанной к 1949 г. 3 (СС-4, стр. 259-293), можно описать так:

Отход от религиозности и веры авторитетам в 12 лет:

«Следствием этого было прямо-таки фантастическое свободомыслие... Такие переживания породили недоверие ко всякого рода авторитетам и скептическое отношение к верованиям и убеждениям, жившим в окружающей меня социальной среде. Этот скептицизм никогда меня уже не оставлял, хотя и потерял свою остроту впоследствии, когда я стал лучше разбираться в причинной связи явлений».

Увлеченность математикой и ее логикой:

«В возрасте 12 лет я пережил еще одно чудо совсем другого рода: источником его была книжечка по эвклидовой геометрии... Там были утверждения..., которые хотя и не были сами по себе очевидны, но могли быть доказаны с уверенностью, исключавшей как будто всякие сомнения. Эта ясность и уверенность произвели на меня неописуемое впечатление. Меня не беспокоило то, что аксиомы должны быть приняты без доказательств. Вообще мне было вполне достаточно, если я мог в своих доказательствах опираться на такие положения, справедливость которых представлялась мне бесспорной».

Отметим, что именно в этом возрасте могут или даже должны формироваться в подсознании человека стиль мышления и шкала относительных ценностей 4 .

Отношение к науке:

«... на мое счастье, мне попались книги, в которых обращалось не слишком много внимания на логическую строгость, зато хорошо была выделена главная мысль... Мне посчастливилось также получить понятие о главнейших результатах и методах естественных наук по очень хорошему популярному изданию, в котором изложение почти везде ограничивалось качественной стороной вопроса...»

Проблемы теории познания

Можно думать, что интерес Эйнштейна к наиболее сложным проблемам мироздания пробудился еще в ранней юности, когда он отошел от традиций (ранее даже пытался сочинять и распевать гимны на иврите) и в возрасте около 13-14 лет начал читать со студентом Максом Талмудом (Талми), который был старше него на 10 лет, научно-популярные и философские книги, особенно, «Критику чистого разума» Канта. Много позже он писал:
«Наука без теории познания (насколько это вообще мыслимо) становится примитивной и путанной» 5 .

И не может быть, чтобы его не заставили глубоко задуматься декларированные Кантом ограничения возможностей чистого разума – четыре антиномии (т.е. взаимнопротиворечивые суждения, которые логически нельзя ни доказать, ни опровергнуть): 1). Ограничен ли мир в пространстве и во времени или бесконечен; 2). Состоит ли мир из неких простых (неделимых) частиц или он бесконечно делим; 3). Существуют ли законы природы, которыми все можно объяснить, или есть нечто вне таких законов; 4). Существует ли в мире или над миром некое высшее существо.

Развитие физики на основе общей теории относительности фактически разрешили первую антиномию – и именно на основе разума: Вселенная возникла в результате Большого Взрыва около 15 млрд. лет тому назад и имеет ограниченные пространственные размеры. Вторая антиномия уже несколько раз, как будто, разрешалась: казалось, что весь мир состоит из неизменных атомов, затем их место заняло несколько элементарных частиц, сейчас есть другие претенденты, но проблема не кажется столь острой, как во времена Канта.

Что касается третьей антиномии, то догмат мировоззрения физика составляет незыблемая вера во всеобщее царствие причинности – иначе занятия наукой совершенно бессмысленны.
Итак, мир прост и поэтому он познаваем, Эйнштейн даже пишет:
«Главное достоинство теории заключается не столько в подтверждении ее частных следствий, сколько в существенном упрощении теоретического базиса всей физики в целом».

Четвертая антиномия – интимный вопрос для каждого человека и к его научным занятиям, во всяком случае, в физике, отношения не имеет.
Свое кредо мыслителя Эйнштейн формулирует так:
«Хотя системы понятий сами по себе логически совершенно произвольны, но их связывает то, что они, во-первых, должны допускать, возможно, надежное (интуитивное) и полное сопоставление с совокупностью ощущений, во-вторых, они должны стремиться обойтись наименьшим числом логически независимых элементов (основных понятий и аксиом), т.е. таких понятий, для которых не дается определений, и таких предложений, для которых не дается доказательств».

И можно считать, что заключает он его словами:

«... главное в жизни человека моего склада заключается в том, что он думает и как он думает...».

Направленность поисков Эйнштейна ясно видна уже в ранней молодости. Так, в письме М.Гроссману от 14 апреля 1901 (ему исполнилось 22 года!) года он пишет:

"Удивительное чувство осознавать единство комплекса проявлений, которые согласно непосредственному чувственному опыту кажутся различными вещами", а много позже, 24 января 1938 года, в письме к К.Ланцошу замечает:

"Физическая истина логически проста, т.е. она обладает единством, содержащимся в ее основе".

В те же годы он говорит своему ассистенту Э.Штраусу:

"Что меня действительно интересует, так это то, мог ли бы Бог создать мир по-другому, т.е. оставляет ли необходимость логической простоты место для какой-нибудь свободы?"

Проблемы физики к началу ХХ века

Каково было состояние физики к тому времени, когда Эйнштейн начал ее изучение?
Со времен Галилея ясно, что если человек находится в каюте равномерно движущегося корабля и не может выглянуть наружу, то он не может определить, движется ли корабль по инерции или стоит на месте: мячик на горизонтальном столе остается неподвижным, а силы действуют так же, как на берегу. Математически это означает, что уравнения Ньютона не меняются при переходе к равномерно движущемуся наблюдателю.

Ясно, что таким же свойством должны были бы обладать и уравнения электродинамики Максвелла – но они при таких преобразованиях меняются (связано это с тем, что сила по Ньютону определяется через ускорение, а в электродинамике, в магнитном поле, согласно Лоренцу, она зависит и от скорости). Логически имеются две возможности исправить этот их недостаток: либо изменить сами уравнения, либо принять какие-то особые правила перехода от неподвижного наблюдателя к движущемуся.

В. Фойгт (1850-1919), известный своими работами по электродинамике, по физике кристаллов и др., принимает вторую точку зрения – в уравнениях Максвелла он уверен, и в 1887 г. выводит первые такие правила преобразования длины и времени, но считает их формальными и не видит в них никакого физического смысла. Работа Фойгта долго оставалась вне поля зрения специалистов, а он сам никогда не претендовал на приоритет.

В 1889 г. появляется краткая, в несколько строк и безо всяких формул, заметка Дж.Ф. Фитцджеральда (1851-1901): опыт Майкельсона-Морли можно объяснить, если принять, что все тела сокращаются в направлении своего движения. Но идею эту он дальше не разрабатывает, а своему другу О.Хевисайду пишет: «Я совершенно не боюсь допустить ошибку и поэтому предлагаю самые сырые идеи в надежде, что они заставят задуматься других, и тем будут способствовать движению вперед».

В 1894 г. Х.А.Лоренц соглашается с идеей Фитцджеральда:

«Я думал об этих опытах долго и безуспешно и наконец представил только одну возможность для выхода из создавшегося положения».

Он продолжает развивать идею таких преобразований, которые приводили бы к сокращению размеров тел в направлении их движения. Окончательный результат он получил к 1899 г. (эти формулы Пуанкаре назвал преобразованиями Лоренца, а сокращение длины называется сокращением Фитцджеральда-Лоренца).

Выступая с обзором достижений физики ХIХ века и остающихся проблем лорд Кельвин, как известно, упомянул о «двух облачках» на горизонте науки: проблеме излучения «черного тела» и опыте Майкельсона-Морли. Обе они, по сути дела, упирались в гораздо более широкую и принципиальную концепцию эфира (вопрос реальности существования атомов или всего лишь удобства атомарной гипотезы казался тогда менее острым).

Историю концепции эфира можно начинать с Аристотеля («Природа не терпит пустоты») или с Декарта (пространство заполнено вихрями). Опыты Э.Торричелли с барометром, а затем О. фон Герике с распространением звука решили, казалось бы, эту проблему. Но она возникла вновь после доказательства конечности скорости распространения света.

Теория света Ньютона как истечения неких малых частиц не нуждалась, вообще говоря, в среде (сам он, правда, в вопросах 21 и 22 в конце «Оптики» высказывает сомнения в возможности распространения света в пустом пространстве, равно как и в дальнодействии сил тяготения). Однако, после победы в начале ХIХ века волновой теории Гюйгенса-Юнга-Френеля необходимость среды, в которой могли бы распространяться волны, стала вполне очевидной. Ну а открытие поляризации света, т.е. поперечности световых колебаний, заставляла принять для этой среды, всемирного эфира, модель абсолютно твердого тела, которое, однако, не влияет на движения небесных тел. Проблемы всё накапливались: континуальная или зернистая структура эфира; обладает ли он бесконечной теплоемкостью (этого требует закон равнораспределения энергии при учете бесконечного числа степеней свободы); как могут в твердом теле распространяться поперечные колебания при отсутствии продольных; если плотность эфира в прозрачных средах больше, чем между ними, то будут ли они – и в какой степени – увлекать его за собой при движении? Список этот можно продолжить, но он от этого не станет ясней.

Опыты Майкельсона-Морли (доказано, что скорость света на зависит от скорости движения Земли) всего лишь добавляют еще один штрих в такой список, но вовсе не являются, при всей своей наглядности и звучности, самым убедительным аргументом (кстати, идею их проведения высказывал еще Максвелл). Поэтому вполне возможно, что Эйнштейн и не слыхал о них вплоть до завершения своей работы.
Проблемам эфира, построению различных его моделей посвящено громадное количество статей второй половины ХIХ века - начала ХХ века: можно сказать, что эта проблема – основная в фундаментальной науке того времени. И упиралась она вся в волновую теорию света: если свет распространяется в виде волн, то они не могут возникать вне какой-то среды!
Как подошел к проблеме эфира Лоренц?

По теории Максвелла-Герца эфир должен полностью увлекаться движением тел, т.к. материя непрерывно заполняет все пространство и различные тела в этом отношении однотипны. Но по Лоренцу только эфир является той субстанцией, которая непрерывно заполняет все пространство, все же остальные субстанции, в том числе и электрическая, имеют атомарное строение и могут двигаться в эфире без сопротивления. Таким образом, эфир терял у Лоренца все остальные физические свойства, кроме способности передавать поперечные электромагнитные волны.

И от этой концепции Лоренц не отказывается: он повторяет ее в лекциях 1910 г., не ссылаясь при этом на квантовую теорию распространения света Эйнштейна, а затем на Первом Сольвеевском конгрессе 1911 г. в присутствии Планка и Эйнштейна, которые, по-видимому, не решаются возразить патриарху. И в то же время он всячески поддерживает самого Эйнштейна: в его возрасте уже трудно или даже невозможно отказаться от привычных концепций, им же самым выработанных и выстраданных.
Пуанкаре стоит на позициях операционализма. В «Науке и гипотезе» он пишет:

«Для нас не так важно существует ли эфир в действительности – пусть это решают метафизики; для нас важно то обстоятельство, что все происходит так, как если бы он существовал, и что эта гипотеза удобна для истолкования явлений». И тут же сам себе противоречит: «...гипотеза эфира, без сомнения, когда-нибудь будет отвергнута как бесполезная».

При этом Пуанкаре с одной стороны критикует Максвелла за отказ от «решительного выбора» той или иной механистической модели в качестве основного принципа, а с другой стороны сам же замечает, что

«если некоторое явление допускает какое-либо одно полное механистическое истолкование, то оно допускает и бесчисленное множество других, которые одинаково хорошо будут объяснять все особенности, обнаруживаемые опытом».

(Формально такой вывод следует из возможности преобразований Лежандра функции действия.) В позднейших добавлениях к «Науке и гипотезе», в главе «Конец материи», он все еще остается на позиции необходимости эфира:

«... свет – это не материя, которая перемещается, это – возмущение, совершающее свой путь сквозь относительно неподвижную субстанцию, подобно тому, как это делает волна на поверхности океана».

В следующей своей книге, в «Ценности науки», Пуанкаре более подробно описывает принцип относительности. Здесь он замечает, что «если Лоренц преодолел трудности, то только путем нагромождения гипотез». Попутно он рассматривает такой пример: если два неподвижных в некоей системе заряда движутся вместе с этой системой равномерно и прямолинейно, то возникающие конвекционные силы должны изменить величину их взаимодействия. Формулы Лоренца показывают, что такое добавочное взаимодействие полностью компенсируется сокращением продольных размеров, если взаимодействие передается со скоростью света. Но ведь могут быть и иные взаимодействия, передающиеся с большей скоростью?

Вот тут и становится ясно, сколь далек был Пуанкаре от физики, насколько формален, при всей кажущейся общности, его способ размышления: принять, что преобразования Лоренца отражают реальность природы, а потому их сингулярность при приближении скорости движения к скорости света – реальна, этого он не мог. Поэтому же он далее пишет, что преобразования Лоренца можно будет заменить более «простой и естественной гипотезой» типа разной скорости эфира в разных направлениях или т.п.
В своем последнем выступлении по этим проблемам, в лекции «Новая механика» (28 апреля 1909 г., Гёттинген, книга «Последние мысли») Пуанкаре при обсуждении принципа относительности 6 снова обращается к эфиру:

«Изменение величины или направления скорости электрона сопровождается изменением электромагнитной энергии эфира ... . Инерция эфира возрастает вместе со скоростью и становится бесконечно большой, когда скорость электрона приближается к скорости света».

Проблемой квантов Пуанкаре всерьез заинтересовался, видимо, только после Сольвеевского конгресса: единственная его работа в этом направлении, уточнение вывода распределения Планка, датирована 1912 г. (в том же году он скончался в возрасте 58 лет).

Последовательность исследований Эйнштейна

Интерес Эйнштейна к электродинамике и к проблеме эфира пробудился очень рано. Первую попытку разрешить эти проблемы он предпринимает еще в юности: в 16 лет пишет наивный трактат о состоянии эфира в магнитном поле. Чуть позже, как он отмечает в автобиографических заметках (СС-4, стр. 259-293),

«у меня возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным! Это был первый мысленный эксперимент, который относился к специальной теории относительности»

Можно предположить, что эти мысли возникли у него при чтении чрезвычайно популярных в то время книг К.Фламмариона (1842-1925), известного астронома и популяризатора. В одной из них автор, сам глубоко верующий, описывает как после смерти человека его душа, покинувшая тело, летит (по-видимому, в рай) со скоростью, большей скорости света. Душа нагоняет и обгоняет световые волны и поэтому видит все произошедшее в обратном, по времени, порядке: гроб выкапывают, вносят его, пятясь, в дом, вскрывают, покойник встает, оживает и т.д. (Запустите киноленту наоборот...)

Таким образом, если двигаться быстрее света, то можно как бы поменять местами причины и их следствия! Это означало бы, что третья антиномия Канта имеет право на существования, а принцип причинности – основная аксиома науки! – может нарушаться.
Этот наглядный пример показывает, что начинать «спасение» принципа причинности нужно с оптики, но при этом, как Эйнштейн пишет, становится ясным, что проблема шире и касается более общей теории:

«То, что оптика нашла себе место в теории электромагнетизма ... – это было для меня как откровение»

И главным достижением науки он признает введение понятия поля – в статье памяти Фарадея пишет, что самой оригинальной и плодотворной идеей Фарадея была концепция поля, электрического и магнитного:

«Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».

Это та идея, исследование которой позже станет основным в его поисках, в построении ОТО, но пока самостоятельная работа Эйнштейна начинается с иной области, с молекулярно-кинетическлй теории капиллярности и разности потенциалов в растворах. Связано это, возможно, с интересами его преподавателя Г.Ф.Вебера (1843-1912) и влиянием соответствующих исследований в институтской лаборатории. Однако эти, вполне рядовые изыскания приводят все же к тому, что образцом для него становится

«...классическая термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута»

В ходе освоения ее понятий Эйнштейн

«не будучи знакомым с появившимися ранее исследованиями Больцмана и Гиббса, ... развил статистическую механику и основанную на ней молекулярно-кинетическую теорию термодинамики»

При этом его построения все же отличаются от теории предшественников. Так уже в конце статьи 1904 года [СС-3, 67] говорится о том, что флуктуации энергии излучения в объеме порядка длины волны должны быть того же порядка, что и сама энергия излучения: отсюда один шаг к рассмотрению потока излучения как потока частиц.
В автобиографии Эйнштейн пишет:

«... в эти годы ... главным моим вопросом был следующий. Какие общие выводы позволяет сделать формула излучения относительно электромагнитной основы физики?»

Но представляется, что раньше была обдумана, хотя чуть позже опубликована статья о броуновском движении:

«Не зная, что наблюдения над "броуновским движением" давно известны, я открыл, что атомистическая теория приводит к существованию доступного наблюдению движения взвешенных микроскопических частиц»

Эти слова излишне скромны. Ведь само существование атомов еще не доказано и ряд видных ученых (В.Оствальд, Э.Мах и др.) в нем сомневаются – атомарная гипотеза кажется в те годы излишним усложнением теории. Есть, правда, электроны, обнаруженные Дж.Дж.Томсоном, но это еще не доказывает пределов делимости веществ. Фактически именно исследование броуновского движения (аналогичную теорию практически одновременно выдвигает М.Смолуховский) дало неопровержимое доказательство существования атомов. Статья эта [СС-3, 108] заканчивается эмоционально, не принятым в научной литературе призывом:

«Если бы какому-либо исследователю удалось вскоре ответить на поднятые здесь важные для теории теплоты вопросы!»

Теории броуновского движения посвящен и ряд работ Эйнштейна на протяжении последующих трех лет, но концептуально важна эта, первая. По-видимому, еще до ее завершения и отсылки в печать, внутренне убедившись в существовании атомов, т.е. в невозможности бесконечной делимости вещества, можно обдумать проблему их взаимодействия с излучением. И этот шаг совершается в статье «Об одной точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» [СС-3, 92], которую сам Эйнштейн считал наиболее революционной из своих работ.
Во введении скромно говорится:

«я излагаю ход мыслей и факты, натолкнувшие меня на этот путь в надежде, что предлагаемая здесь точка зрения, возможно, принесет пользу и другим исследователям в их изысканиях».

Ход мыслей таков: состояние любого тела описывается пусть большим, но конечным числом величин, связанных с числом атомов и электронов, а вот энергия пучка света представляется непрерывно распределенной в пространстве волной, а потому и бесконечно делимой – два этих представления интуитивно не связываются друг с другом. Волновое представление правильно описывает явления дифракции, дисперсии и т.п., но, возможно, лишь потому, что обычно рассматриваются усредненные характеристики. Поэтому можно предположить, что энергия света также представляется конечным числом локализованных (не очень удачный термин) в пространстве неделимых квантов энергии и при этом модифицировать закон равнораспределения энергии по степеням свободы. Тогда, по аналогии, «свободно движущееся зеркало ... должно совершать в пространстве, заполненном излучением, нечто вроде броуновского движения».
Но для того, чтобы флуктуации давления привели к нужному, из термодинамики, значению энергии (сравниваются, что не совсем законно, выражения энтропии по Вину и Больцману), необходимо предположить,

«что планковым квантам приходится приписывать своего рода непосредственную реальность; следовательно, в отношении энергии излучение должно обладать своего рода молекулярной структурой, что, конечно, противоречит теории Максвелла»

При этом, что знаменательно, Эйнштейн единственный раз употребляет слово «эфир», говоря, что

«в нашей картине не может быть и речи о каком-либо однозначном распределении энергии между эфиром и веществом»

Далее понятие эфира ему не требуется. Зато тут есть ряд экспериментальных фактов, которые можно представить как подтверждение такой точки зрения. Первым из них является доказанное М.Планком в 1900 г. квантовое поглощение излучения, но Планк остановился только на актах поглощения света, хотя его ход рассуждения можно бы продолжить. Так, Дж.Г.Стокс еще в 1852 г. установил, что при люминесценции (последующем высвечивании некоторых, ранее облученных веществ) длина волны излучения всегда выше длины волны облучающего света. Введением концепции квантов – не только при поглощении, по Планку, но и при излучении света – Эйнштейн сразу же объясняет правило Стокса: в слабом световом потоке квант, поглощенный одним электроном, может испуститься только с такой же или меньшей энергией, т.е. с такой же или большей, согласно формуле Планка, длиной волны 7 .

Еще перед этим рассматривается проблема внешнего фотоэффекта: Ф.Ленард в 1899 г. показал, что при нем высвобождаются электроны, энергия которых не зависит от интенсивности света, но прямо пропорциональна его частоте 8 . Гипотеза квантов Эйнштейна дает простое объяснение законам фотоэффекта и, аналогично, явлениям катодолюминесценции и ионизации газов ультрафиолетом. Потому чаще всего эта статья цитируется как теория этих явлений, хотя ее физическое значение много выше: самым главным для дальнейшего был фактический отказ автора от концепции светоносного эфира, возможность объяснения ряда световых явлений без необходимости введения этакого «эфирного» костыля.

Статья Эйнштейна вызвала яростное сопротивление физиков: говоря о распространении света в виде потока фотонов, он тем самым покушается на уравнения Максвелла, требовавшие волн и только волн, а волна, по самому своему определению, не может быть локализована, т.е. не может сосредоточиться в очень малом объеме – она распространяется по всему пространству! Такой шаг Эйнштейна не сравним по своей дерзости даже с гипотезой Планка, который всего лишь говорил о поглощении порциями, но акт поглощения не описывается, вообще говоря, уравнениями Максвелла и поэтому все же интуитивно допускалось, что там может быть нечто необычное.

* * *

Теперь можно перейти к созданию теории относительности, к статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» всё в том же знаменитом 17-ом томе «Анналов физики» [СС-1, 7]. Восстановить точно историю ее создания невозможно – так в 1922 году, в Японии, отвечая на многочисленные вопросы, Эйнштейн говорит:
«Трудно сказать, как я пришел к теории относительности, поскольку многие скрытые факторы влияют на человеческое мышление и, кроме того, воздействие их различно».
А в автобиографии он пишет:

«Открытие не является делом логического мышления, даже если конечный продукт связан с логической формой»,

и при этом, что психологически очень важно, замечает:

«... я приходил к заключению, что только открытие общего формального принципа может привести нас к надежным результатам. Образцом представлялась мне термодинамика. Там общий принцип дан в предложении: законы природы таковы, что построить вечный двигатель (первого и второго рода) невозможно. Но как же найти общий принцип, подобный этому?»

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 Лоренца, самостоятельно выведенных Эйнштейном из принципа инвариантности уравнений Максвелла, входит квадратный корень от разности квадратов скорости света и скорости движения источника. Поэтому, если верить этим формулам, если принять, в отличие от Лоренца 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 9?

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 – 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-Лоренца, 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 Лоренц 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 отсчёта: 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»

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 10 .

Психологически интересно отметить, что уже в этой статье свет рассматривается дуалистически: с одной стороны – это волны теории Максвелла, с другой, основываясь на идее квантов, Эйнштейн тут же объясняет известный эффект Х.Доплера (1803-1853), согласно которому частота света (или звука) повышается, когда источник движется навстречу наблюдателю, и уменьшается, когда источник удаляется 11 . И действительно, поскольку скорость кванта света при любом движении источника постоянна, то добавление или уменьшение его энергии (за счет кинетической энергии источника) ведет, согласно формуле Планка, к изменению частоты.

С публикацией этой статьи научная "изоляция" Эйнштейна, скромного эксперта Патентного бюро, кончилась – посетивший его первым Макс фон Лауэ позднее вспоминал: «Встретивший меня молодой человек произвел очень неожиданное впечатление. Я не мог поверить, что разговариваю с создателем теории относительности». Далее он пишет, что единственная комната, где живут Эйнштейны, завешана детскими пеленками, а он сам пишет, согнувшись у кухонного стола, и одновременно покачивает кроватку с ребенком...

Первым теорию Эйнштейна приветствовал Макс Планк, он же дал ей название и первым продолжил ее развитие. Наибольший, вероятно, вклад в ее описание внес известный математик Герман Минковский 12 он переписал результаты Эйнштейна в математически более совершенной форме (через тензоры), показал их геометрический смысл, ему, в частности, принадлежат вошедшие во всеобщее пользование термины "световой конус", "мировая линия" и т.д. Поэтому описание СТО как геометрии пространства-времени часто называют геометрией Минковского.

Заключение

Итак, мы видим, что построение в 1905 году 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 (отсюда следует, что Нобелевский комитет вовсе не был неправ в своей формулировке заслуг Эйнштейна);
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 ее творца принадлежат ему и только ему.

Эйнштейну предстояло еще совершить немало гениальных открытий, выстроить, фактически в одиночку, величественный храм общей теории относительности, но даже на этом фоне 1905 год выделяется как год его акме, его вершины и вершины науки, точнее – ее головокружительного подъёма на новую ступень.

Примечания


1 Высказывания Пуанкаре здесь и ниже цитируются по книге: А.Пуанкаре. «О науке». М.: Наука, 1983.
2 Наиболее авторитетная биография Эйнштейна, на которую мы во многом опираемся: А.Пайс. «Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна». М.: Наука, 1989; добавочные сведения в книгах: Б.Хофман. «Альберт Эйнштейн, творец и бунтарь». М.: Прогресс, 1983; К.Зелиг. «Альберт Эйнштейн». М.: Атомиздат, 1966. (Все трое много общались с Эйнштейном, Пайс и Хофман – известные физики.)
3 Наиболее полное собрание сочинений Эйнштейна в 35 томах издается совместно Еврейским университетом в Иерусалиме (университет формально был открыт лекцией Эйнштейна в 1925 г., в нем, по завещанию Эйнштейна, хранится часть его архива) и Институтом перспективных исследований в Принстоне, США, где Эйнштейн работал с 1933 г. до конца жизни. На русском языке издано в 1965-67 г.г. одно из самых полных собраний его научных работ в 4 томах (цитируются как СС-номер тома и страница), вышло также 13 выпусков «Эйнштейновских сборников» Эйнштейновского комитета АН СССР; их дополняет сборник: А.Эйнштейн «О сионизме. Речи, письма, статьи». Иерусалим, 1991.
4 Это положение, вместе с определением такого возраста – в районе 12-14 лет – выработано на основе анализа автобиографий и биографий ученых (в основном физиков) и политиков в статье: М.Е.Перельман. Наука в СССР, № 1, 1991 (английский перевод: Science in the USSR, № 2, 1991).
5 Эйнштейн нередко обсуждал философские проблемы с Бертраном Расселом и Куртом Гёделем, когда все они жили в Принстоне. Помимо Канта он штудировал Платона, Б.Спинозу, Д.Юма, Дж.С.Милля.
6 Отличия построений Пуанкаре от СТО Эйнштейна наиболее подробно проанализированы в работах I. Pierseaux. Physica Scripta, 68, C59 (2003).
7 Рассуждения здесь не слишком строги, они были уточнены в последующих статьях при рассмотрении импульса квантов. Однако уже в этой статье рассмотренны возможности таких процессов, которые в будущем были названы антистоксовыми, а также возможность поглощения нескольких квантов с последующим испусканием одного, т.е. процесса сложения частот, основы развиваемой с 60-ых годов физики многофотонных процессов.
8 Нобелевской премии за эти открытия Ленард удостоен, по прихоти истории, именно в 1905 г., но вне зависимости от их объяснения. По-видимому, выявление именно этого унизительного обстоятельства – он сам не понял сути своих открытий – стало психологической подоплекой всего дальнейщего его поведения: он становится основным, в Германии, хулителем Эйнштейна и активным нацистом и антисемитом.
9 С конца 60-ых годов теоретически рассматривается возможность существования таких частиц, «тахионов», скорость которых всегда больше скорости света. Никаких, однако, фактов в пользу их существования не найдено.
10 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.
11. За несколько десятилетий до того Э.Мах, пытаясь объяснить этот принцип некоему научному собранию, привел своих оппонентов на железнодорожный вокзал и уговорил машиниста проехаться взад и вперед с включенным гудком. Оппоненты были посрамлены: частота звука заметно менялась. Сейчас эффект Доплера используется полицией для определения скорости автомобилей по изменению частоты отраженного радиолуча.
12. Любопытно отметить, что Г. Минковский (1864-1909) преподавал Эйнштейну математику в Швейцарском политехникуме. Он был невысокого мнения о своем студенте и изумлялся его последующим научным достижениям. Сам Эйнштейн в автобиографии кается в том, что уделял в юные годы недостаточное внимание математике.


Еврейская Старина

 
Повествующие Линки
· Больше про Science
· Новость от Irena


Самая читаемая статья: Science:
160 лет назад родился Илья Ильич Мечников


Article Rating
Average Score: 0
Голосов: 0

Please take a second and vote for this article:

Excellent
Very Good
Good
Regular
Bad



опции

 Напечатать текущую страницу  Напечатать текущую страницу

 Отправить статью другу  Отправить статью другу