Инвариантной величиной является скорость света в вакууме. Частицы с нулевой массой

Причина СТО - инвариантность скорости света

Аннотация

В основу СТО Эйнштейн положил два принципа. Однако, для того чтобы получить преобразования Лоренца и все релятивистские следствия из них, достаточно только одного принципа (постулата) - инвариантности скорости света. Этот принцип является единственным, необходимым и достаточным условием для их вывода, а также для провозглашения принципа относительности и равноправия всех инерциальных систем отсчета. Получение преобразований Лоренца из принципа относительности возможно, но при обязательном учёте принципа постоянства скорости света.

Вывод СТО из принципа постоянства скорости света

Все "парадоксальные" выводы специальной теории относительности является следствием всего двух постулатов. Мы принимаем эти постулаты за истинные утверждения, поэтому и все выводы, полученные корректными логическими и математическими преобразованиями, мы обязаны признать такими же истинными. Действительно, мы же не ставим под сомнение истинность математических и формальных логических преобразований? Разумеется, если в них нет математических или логических ошибок. Но в специальной теории относительности таких ошибок нет - это доказано за столетие множеством исследователей. Эйнштейн в своей основополагающей работе так сформулировал эти постулаты (он называл их принципами):

"Дальнейшие соображения опираются на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света. Мы формулируем оба принципа следующим образом:
1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся.
2. Каждый луч света движется в "покоящейся" системе координат с определенной скоростью V, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом".

Со временем эти принципы стали формулировать иначе, коротко:
1. Все физические законы имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта.
2. Скорость света является максимальной скоростью, и она одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.

В самих постулатах (принципах) никаких противоречий со здравым смыслом не видно. Парадоксально выглядят логические следствия из них - преобразования Лоренца и те эффекты, которые из них следуют. Уравнения Лоренца появились раньше специальной теории относительности Эйнштейна. В теории относительности они получили серьёзную теоретическую основу. Из этих преобразований следовало, что движущиеся часы отстают, а предметы сжимаются. Оказалось, что одновременность относительна: события, одновременные для одного наблюдателя, для другого происходят в разное время. В целом специальная теория относительности Эйнштейна - это выводы, математические следствия из фактически единственного, довольно странного утверждения: фотон движется с одной и той же световой скоростью относительной любой подвижной или неподвижной системы отсчёта. Если мы движемся и измеряем скорость фотона, пролетающего мимо нас, то получаем скорость света. Точно также неподвижный наблюдатель, измеряя скорость этого же фотона, получает ту же скорость света. И мимо движущегося наблюдателя и мимо неподвижного фотон движется с одной и той же скоростью - световой.

Все эти странности получены как корректные математические выводы, поэтому СТО по своей сути является теорией математической, имеет все её признаки: методология вывода, исходные постулаты. Хотя в основу СТО Эйнштейн положил два постулата (принципа), можно сказать, что СТО фактически базируется на единственном постулате: о неизменности скорости света во всех ИСО - принципе постоянства (инвариантности) скорости света. Покажем это - выведем преобразования Лоренца и основные следствия из них, используя для этого только одно предположение: скорость света "c" всегда одна и та же, независимо от того, движется ИСО или покоится. Иначе можно сказать, что скорость любого фотона равна скорости света, где бы она ни была измерена: в движущейся или в покоящейся ИСО. Это самое общее определение принципа постоянства скорости света. Оно не включает в себя упоминаний об источнике этого фотона и о состоянии движения источника (или приёмника), являющихся излишними. Заявление о предельности скорости света также является производным от принципа постоянства скорости света, его следствием: если скорость света неизменна во всех ИСО, то она автоматически становится максимально возможной скоростью. Назовём этот принцип постоянства скорости света основой теории, а все полученные с его использованием выражения - следствием этого принципа (постулата), следствиями, выводами теории.

Для вывода рассмотрим платформу длиной L, которую пересекает фотон, испущенный неизвестным источником и/или просто пролетающий мимо. Как принято в СТО будем рассматривать две инерциальные системы отсчета - неподвижную К и подвижную К". Фотон для наблюдателей на платформе пролетит через неё за время t 0 = L/c. Сохраним систему обозначений, близкую к принятой в СТО:

L" - длина платформы в инерциальной системе отсчета K";
L - длина платформы в инерциальной системе K;
t" - интервал времени (время), за которое фотон пролетает через платформу и возвращается обратно в системе K";
t - интервал времени (время), за которое фотон пролетает через платформу и возвращается обратно в системе K.

Наблюдатель в движущейся системе K" считает её покоящейся и вычисляет, что фотон преодолеет платформу за время t"= 2L"/c (путь туда и обратно).

Напротив, внешний наблюдатель видит: свет в одном случае догоняет зеркало на противоположном конце платформы, а в другом летит навстречу мишени:

Рис.1 Полет фотона с точки зрения внешнего наблюдателя. Часы внешнего (неподвижного) наблюдателя покажут время t, а часы на платформе (подвижные) покажут время t".

Мы получили показания двух часов: движущихся с платформой - t" и неподвижных, мимо которых движется платформа - t. Очевидно, эти показания различаются. Чтобы узнать, как изменилось "время в полёте" фотона через движущуюся платформу при рассмотрении его в разных ИСО, вычислим отношение этих показаний:

Время t" - это время (интервал времени) пролёта фотона через платформу для наблюдателя, находящегося на этой платформе, а L" - это длина платформы для этого наблюдателя. Очевидно, что наблюдатель ничего не заметил после разгона платформы, для него ничего не произошло, он, вообще говоря, мог и не знать, что платформа движется. Поэтому эти две величины - исходные, не сократившиеся, те, которые были известны до начала эксперимента. А что же за величины t и L? Наблюдателя, который видит движение платформы, мы считаем неподвижным. Следовательно, он видит платформу длиной L и время t, за которое фотон пролетел через платформу туда и обратно. Мы знаем, что на платформе часы стали идти медленнее, то есть время t", прошедшее на платформе, меньше времени, прошедшего в неподвижной системе отсчета t. Аналогично делаем вывод: в неподвижной системе длина платформы видится укороченной до величины L, против исходной длины L". Однако, в соответствии с принятым постулатом о постоянстве скорости света, мы должны признать, что если путь для света изменился, то время в пути у фотона также изменилось. И изменилось оно в ту же сторону, что и длина платформы - уменьшилось, причём ровно во столько же, во сколько сократилась платформа, ведь эти три величины связаны формулой: t 0 = L/с, то есть:

Таким образом, стержень, имеющий длину L" в той инерциальной системе, где он покоится, имеет длину в той инерциальной системе, относительно которой он движется со скоростью v в продольном направлении . Подставляем (8) в (7) и находим такое же выражение для времени:

Таким образом, движущиеся часы начинают отставать, ход их замедляется в отношении , хотя с точки зрения той инерциальной системы, которая движется вместе с часами, в часах не произошло абсолютно никаких изменений .

Здесь наблюдательный читатель заметит "противоречие", известное как "парадокс штриха". Это надуманный, формальный парадокс, так сказать, парадокс буквы, но не духа. В нашем случае мы сами выбрали обозначения времён. Как обозначать так называемое "внутреннее время ИСО", является в достаточной мере произволом.

Из уравнений (8) и (9) явно следует предельность скорости света "с" - никакая ИСО не может двигаться со скоростью v > c, поскольку в этом случае подкоренное выражение становится отрицательным. Также в рассмотренной методике вывода приведённых уравнений просматривается принцип относительности: все выкладки мы могли вести, поменяв рассматриваемые ИСО местами, и получить точно такой же результат.

Выведем из провозглашенного выше постулата (принципа) остальные следствия рассматриваемой теории. Для этого нам необходимо показать явным образом две системы отсчета К и К":

Рис.2 В неподвижной инерциальной системе отсчета К часы имеют координату x, а в подвижной инерциальной системы отсчета К" по истечении времени t - координату x".

К инерциальной системе отсчета K привязаны координатные оси XYZ, а к подвижной системе K" - координатные оси X"Y"Z". На рисунке оси Z и Z" не показаны. В начальный момент времени t=t"=0 начала координат неподвижной системы K и движущейся системы K" (положение I) совпадают. По прошествии времени t в неподвижной системе K подвижная система K" удалилась (положение II), и расстояние между началами координат двух систем отсчета стало vt. Произведём преобразование координат неподвижной системы K в координаты движущейся системы K". Из рисунка видно, что координата часов с точки зрения системы К" равна:

Это уравнение показывает, какую координату в системе K" будут иметь неподвижные часы, имеющие координату x в неподвижной системе К через время t движения со скоростью v .

Рассмотрим, какое время будут показывать движущиеся часы. Нам известно, что при движении они отстают от неподвижных. Видимо, чем дольше и быстрее часы движутся, тем больше они отстают. Понятно, что при этом часы удаляются от неподвижных на какое-то расстояние. Интересно, на какое? Чтобы выяснить это, рассмотрим рисунок:

Рис.3 По истечении времени t движущиеся часы переместятся в точку с координатой x и будут показывать время t", которое будет меньше времени t в неподвижной системе отсчета К.

Движущаяся система K" переместилась из положения I в момент времени t=t"=0 в положение II. Часы при этом показывают время t и t" соответственно, координата движущихся часов с точки зрения неподвижной системы K равна x . Преобразуем уравнение (9) следующим образом:

Таким образом, по прошествии времени t движущиеся со скоростью v часы удалятся на расстояние x и будут показывать время t", и мы получаем все классические уравнения преобразований Лоренца (два последних добавляем из очевидных соображений - движения только по оси X):

Мы видим, что t" 1 не равно t" 2 , то есть, два события, одновременные относительно K, оказываются разновременными относительно K". Это расхождение во времени тем больше, чем далее отстоят друг от друга с точки зрения системы K места, где они произошли:

Итак, получив уравнения, в точности совпадающие с уравнениями преобразований Лоренца в СТО, мы показали, что преобразования Лоренца и основные следствия из них можно вывести, используя единственное предположение: скорость света "c " всегда одна и та же, независимо от того, движется ИСО или покоится. Следовательно, это предположение, постулат является единственным необходимым и достаточным условием для появления преобразований Лоренца и всех следствий из них. Поэтому есть достаточные основания считать, что математика кинематического раздела СТО является элементарной математической задачей для школьников старших классов вида "Из пункта А в пункт Б выехал поезд...".

Вывод СТО из принципа относительности

Выше было показано, что для вывода всех лоренц-следствий СТО достаточно одного (второго) постулата - о постоянстве скорости света. Но существует и противоположный подход: для получения этих же следствий достаточно другого (первого) постулата - принципа относительности (равноправия всех ИСО). Причём утверждается, что принцип постоянства скорости света вообще является излишним. Однако, в процессе вывода СТО из принципа относительности неизбежно появляется параметр, который играет в уравнениях Лоренца ту же роль, что и скорость света. То есть, принципы постоянства скорости света и относительности являются всё-таки взаимосвязанными.

Покажем это, воспользовавшись в немалой степени методикой С.Степанова . Запишем результирующие уравнения преобразований времени и координаты между двумя инерциальными системами отсчета в следующем виде:

Будем считать, что в начальный момент времени t=t" =0 начала координат систем совпадают x=x" =0. Координата начала подвижной системы отсчета описывается уравнением x=vt . Подставляем x" =0 и x=vt в первое уравнение и получаем:

Для определения введённых параметров γ и σ, исходя из принципа относительности (первый постулат СТО) - равноправия всех инерциальных систем отсчета, рассмотрим три такие произвольные ИСО - K 1 , K 2 и K 3 .

Установим, что система K 2 движется относительно K 1 со скоростью v 1 , система K 3 - относительно K 2 со скоростью v 2 и система K 1 - относительно K 3 со скоростью v 3 :

Рис.4 Три системы отсчета, движущиеся друг относительно друга.

Пометим координату x и время t цифровыми индексами, соответствующими номерам систем, к которым они относятся, и запишем преобразования для каждой из них:

Полученные уравнения должны иметь (и имеют) такой же вид, что и уравнения системы (9). Это значит, что, как и в системе уравнений (9) в этой системе коэффициенты при первых слагаемых в уравнениях - один и тот же коэффициент:

Из этого равенства следует, что следующие отношения имеют одно и то же значение для всех систем отсчёта, независимо от скорости их движения:

Очевидно, что в скобках стоят величины с размерностью времени. Отсюда следует, что квадрат размерности константы "c" равен квадрату размерности скорости, а сама величина "с" имеет, соответственно, размерность скорости:

Подставим в это уравнение значения штрихованных величин из исходной системы (9):

Имея два этих уравнения, можно легко вывести все остальные следствия преобразований Лоренца, как это было показано в предыдущем разделе.

Анализ принципов СТО

Итак, мы вывели явный вид уравнений (6) преобразования между двумя инерциальными системами отсчёта и получили уравнения Лоренца (14), в которые мы были вынуждены ввести некую константу с , значение которой нам, строго говоря, неизвестно. Дотошный читатель, наверное, уже давно держит в голове мысль: когда же, наконец, и каким образом автор статьи объявит эту константу скоростью света. По мнению ряда авторов, вопрос этот не простой. Например, С.Степанов считает (у него эта константа α является обратной величиной к нашей константе - с), что "функциональная форма преобразования между наблюдателями двух инерциальных систем отсчёта полностью определяется с точностью до константы α. Выяснение её значения и знака - это уже вопрос экспериментальный. Фундаментальная константа α могла оказаться и нулевой, однако в нашем Мире она больше нуля" .

На сайте библиотеки Физического факультета СПбГУ С.Н.Манида (у него величина g также является обратной величиной к нашей константе с): "вводит некоторую постоянную величину, размерность которой - обратный квадрат скорости. Эта величина одинакова во всех системах отсчета, и ее численное значение не может быть выведено из каких-либо общих принципов. Экспериментальное значение этой величины g=c -2 , где c - скорость света в вакууме" .
"мы вывели соотношения из принципа относительности и получили следствием постоянство скорости c во всех инерциальных системах отсчета. Важно отметить принципиальное отличие данного подхода к выводу преобразований Лоренца от общепринятого. Постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета - это экспериментальный факт, установленный с определенной степенью точности. Приведенный выше вывод не опирается на этот факт, из него следует только существование скорости, одинаковой во всех инерциальных системах отсчета" .

На одном из форумов в интернете опубликован анализ статьи Фейгенбаума, посвященной, в частности, выводу соотношений СТО из принципа относительности. Там сказано:
"Чтобы вывести "специальную теорию относительности" (СТО) постулат постоянства скорости света не нужен.
Это значит, что возможно, что скорость света не постоянна (если она меньше фундаментальной константы C). Формулы СТО - логически не зависят от постулата постоянства скорости света. Фейгенбаум пишет, что СТО можно было бы открыть ещё во времена Галилея. Всё, что для этого нужно, это - принцип равноправности равномерно движущихся относительно друг друга систем (принцип относительности Галилея) и изотропия пространства" .

Проводится анализ самой константы, аналога скорости света:

"Ясно только, что подход Фейгенбаума кардинально меняет всё наше понимание того, что такое релятивистские эффекты. Фундаментальная константа, стоящая в релятивистских формулах не обязательно равна скорости света. Только опыт может определить её значение. Если скорость света меньше этой константы, то фотоны должны иметь массу и, как любые массивные частицы, испытывать гравитационное притяжение, что, возможно, объясняет явление искривления лучей вблизи массивных тел" .

Приведённые соображение резонны, однако... Как бы там ни было, но использование для вывода СТО только принципа относительности неизбежно вынуждает нас, требует помимо нашей воли ввести некую константу, сильно напоминающую скорость света в преобразованиях Лоренца в "стандартной" (эйнштейновской) СТО. То есть, принцип относительности сам по себе всё-таки недостаточен для получения релятивистских эффектов. В обязательном порядке ему необходим помощник - светоподобная константа. Попробуем предположить, что эта константа - не скорость света. Но она имеет размерность скорости и, следовательно, это скорость чего-то. Но чего? Рассмотрим, какими свойствами она обладает.

В СТО Эйнштейна есть раздел, в котором он анализирует уравнения Максвелла и приходит к выводу, что они инвариантны относительно преобразований Лоренца. У Эйнштейна преобразования Лоренца основаны как на принципе относительности, так и на постулате о постоянстве скорости света. Следовательно, если относительно этих преобразований уравнения Максвелла инвариантны, то принцип относительности в трактовке Эйнштейна имеет силу, справедлив. Тогда возникает вопрос: если принцип относительности соблюдается в виде инвариантности уравнений Максвелла по отношению к преобразованиям Лоренца, то как они могут быть одновременно инвариантны относительно других псевдо-Лоренцевых преобразований, в которых присутствует не скорость света, а какая-то другая константа? Как можно представить себе, что существуют два различающихся принципа относительности? Один из них - это принцип относительности, на который ссылается Эйнштейн при выводе уравнений Лоренца, содержащих скорость света как инвариант. Второй - это принцип относительности Фейгенбаума, Манида и Степанова, из которого выведены те же преобразования Лоренца, но содержащие некую константу, подобную скорости света, но не равную ей. В этом случае возможны только два вывода: либо уравнения Лоренца-Эйнштейна не соответствуют принципу относительности, либо найденная светоподобная константа - это скорость света.

Далее. Из основного уравнения (14) Лоренца мы видим, что скорость света - это максимально возможная скорость. Никакая система отсчёта не может двигаться с этой или большей скоростью, поскольку в знаменателе появляется ноль или квадратный корень из отрицательного числа:

Но точно такое же уравнение появляется и при выводе преобразований из принципа относительности, но уже не со скоростью света, а с другой аналогичной константой. То есть в этом случае ни одна система отсчета не может двигаться уже с другой скоростью, с другим максимумом. Очевидно, что эта "другая" скорость не может быть меньше скорости света, если она претендует на звание максимально возможной скорости, поскольку скорость света достоверно измерена. Значит, она может быть только больше скорости света (равенство отождествляет их). Следовательно, в этом случае скорость света - не максимально возможная скорость. Теряют смысл устоявшиеся понятия лоренц-инвариантности, светоподобных и времяподобных интервалов, световой конус Хокинга, радиус Шварцшильда и др. Но Эйнштейн получил максимально возможную скорость, используя как принцип постоянства скорости света, так и принцип относительности. И вновь получается, что принцип относительности Эйнштейна и принцип относительности Степанова - Маниды - Фейгенбаума - это два разных принципа относительности, поскольку они дают разные значения максимально возможной скорости. Два разных принципа относительности для одной теории - это полный абсурд. Вывод уравнений Лоренца на основании одного только постулата о постоянстве скорости света также противоречит уравнениям, выведенным на основании принципа относительности "второго рода" (с трактовками Фейгенбауми и др.). То есть эти два принципа - постоянства скорости света и "новой" относительности - оказываются в этом случае несовместимыми. Постоянство скорости света противоречит принципу относительности ("второго рода"). Другими словами, в принципе относительности "второго рода" скорость света не является инвариантом, и системы отсчёта становятся неравноправными, поскольку протекание физических процессов в них зависит от скорости их движения: скорость света можно складывать со скоростью движения системы.

Все эти абсурдные следствия снимаются, если принять значение константы, равное скорости света. Тогда неизбежно следует: для вывода всех следствий СТО, преобразований Лоренца, как минимум, невозможно обойтись без постулата о постоянстве скорости света и, как максимум, для их вывода вообще необходимо и достаточно только одного этого постулата - только он не приводит к привотолкам по поводу неясной констатны. Сам по себе постулат об инварианте скорости света включает в себя основной элемент принципа относительности - одинаковое протекание физических явлений, зависимых от скорости света. А это, в соответствии с известным мнением Лоренца - едва ли не все явления природы. Такой принцип относительности оказывается в определённом смысле следствием инвариантности скорости света, зависимым от него, что, видимо, отвергает трактовку принципа относительности Фейгенбаумом и его единомышленниками.

Учитывая серьёзность доводов процитированных авторов, можно сказать, что объективно они являются наиболее сильными опровержениями специальной теории относительности Эйнштейна, рубящими, что называется, теорию под самый корень, отвергающими её на самом фундаментальном уровне - теоретическом, в противовес доводам традиционных альтернативщиков, анти-СТО-в с их бесчисленными мысленными экспериментами.

Два постулата у Эйнштейна неразрывны, не существуют один без другого. Принцип относительности порождает принцип постоянства скорости света. Фраза симметрична неспроста: с одной стороны, использование принципа относительности приводит к появлению принципа постоянства скорости света, а с другой - использование принципа постоянства скорости света означает провозглашение и использование принципа относительности. Кто кого порождает? Каждый - каждого! Действительно, принцип относительности как принцип равноправия всех инерциальных систем отсчёта провозглашает, что во всех этих системах существует одна и та же максимальная скорость, один и тот же инвариант скорости, один и тот же вид уравнений Максвелла, а при выводе уравнений Лоренца неизбежно "порождает" одну и ту же константу скорости для всех систем, причём эта константа неизбежно проявляется как скорость света. С другой стороны, принцип постоянства скорости света означает не что иное, как равноправие всех систем по отношению к этой скорости, что является, по меньшей мере, частью принципа относительности. Вывод уравнений Лоренца из принципа постоянства скорости света даёт однозначно такой же их вид, что и при выводе на основе принципа относительности. А это означает, что принцип относительности един для обоих подходов, что существует лишь одни принцип относительности - это принцип, который как неотъемлемую часть содержит в себе принцип постоянства скорости света, равноправия, так и сам является прямым следствием принципа постоянства скорости света.

Литература

1. Манида С.Н., Преобразования Лоренца. Глава 2 - Вывод преобразований Лоренца из принципа относительности //Лекции для школьников. Библиотека Физического факультета СПбГУ,
URL: http://www.phys.spbu.ru/library/schoollectures/manida-lor/chapter2

2. Степанов С.С., Релятивистский мир,
URL: http://synset.com/ru/Преобразования_Лоренца , (дата обращения: 19.11.2011).

3. Форум "СОЦИНТЕГРУМ", Логические основания теории относительности,
URL: http://www.socintegrum.ru/forum/viewtopic.php?f=17&t=575 , (дата обращения: 19.11.2011).

4. Путенихин П.В., Причина СТО - инвариантность скорости света. - Самиздат, 2011, URL:
http://zhurnal.lib.ru/p/putenihin_p_w/prichina.shtml , (дата обращения: 19.11.2011);
http://econf.rae.ru/article/6379 , (дата обращения: 22.11.2011);
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11542.html , (дата обращения 25.11.2011).

5. Рашевский П.К., Риманова геометрия и тензорный анализ. - М., "Наука", 1967.

30.09.11 - 22.11.11

В данной статье на основе фотонной концепции раскрывается физическая сущность понятия свет, на основании которой показывается несостоятельность второго постулата А. Эйнштейна о постоянстве скорости света.

Введение. Предположение о постоянстве скорости света было выдвинуто Альбертом Эйнштейном в качестве второго постулата его знаменитой специальной теории относительности (СТО): “Любой луч света движется в “неподвижной” системе отсчёта с определённой скоростью c , независимо от того, испущен ли луч неподвижным или движущимся телом. ”

Обоснованию этого постулата в течение последнего столетия было посвящено множество астрономических наблюдений и экспериментальных исследований . Многократно на протяжении этого времени постулат подвергался сомнениям со ссылками на недостаточную точность измерений, что, как правило, было связано с малой скоростью v движения источника по отношению к скорости света c и, кроме того, указывалось, что постулат противоречит классическому закону сложения скоростей .

Тем не менее, в среде профессионалов споры вокруг СТО прекратились уже более полувека назад. Но и по сей день редакции физических журналов постоянно осаждают любители, предлагающие варианты пересмотра СТО и, в частности, второго постулата, утверждающего постоянство скорости света для всех инерциальных систем отсчёта .

Проблема в том, что постоянство скорости света мистифицировано так же, как постоянная Планка и постоянная тонкой структуры. Оно является таинственной загадкой для физики, которая второе столетие не может объяснить, почему скорость света не зависит от скорости источника света и скорости наблюдателя, относительно чего свет распространяется с постоянной скоростью (иначе говоря, относительно чего отсчитывается постоянная скорость света), и каким образом свет распространяется с постоянной скоростью. К тому же, наряду с открытием постоянства скорости света, выяснилось, что не существует эфира – вещества, считавшегося носителем световых волн в межзвёздном пространстве. И распространение волн света при отсутствии их носителя – в вакууме – ставит физику в тупик.

Отсутствие ответов на выше поставленные вопросы начинает играть важную роль в ряде отраслей физики, в частности, в астрономии : радиолокационное определение астрономической единицы и некоторых астрономических постоянных путём радионаблюдений искусственных космических тел тесно связано с точными измерениями скорости света. Хотя скорость света c в настоящее время надёжно известна с точностью до шестого знака, однако, погрешность величины скорости света является единственным крупным источником ошибок радиолокационных измерений, если результат их необходимо получить с точностью до километров.

В электродинамике и метрологии : Электродинамика дала возможность установить вторую, независимую от закона Кулона, систему мер. Можно, например, в качестве единицы силы тока выбрать такой ток, который, протекая в длинном проводнике на расстоянии одного сантиметра от второго такого же проводника с таким же током, действует на единицу длины последнего с силой в одну дину. Эта электромагнитная единица такова, что равная ей сила тока в течение единицы времени дает конденсатору единицу количества электричества. Это с необходимостью привело к вопросу об отношении к электростатической единице, определенной законом Кулона. Из соответствующих формул увидели, что это отношение имеет размерность скорости. Его значение измерил в 1852 г. Вильгельм Вебер с удивительным результатом: это есть скорость света, равная 3 10 10 см/сек. Джемс Клерк Максвелл проверил этот результат в 1868-1869 гг. с более высокой точностью, так как это имело основополагающее значение для электромагнитной теории света. В дальнейшем определение этого отношения было так усовершенствовано, что и сейчас считается точным измерением скорости света.

Однако, в 30-е годы ХХ ст. Н. П. Кастериным было показано , что уравнения Максвелла по точности своих результатов “не в состоянии обнять все явления электромагнетизма, известные в настоящее время. Современная теоретическая физика пытается достигнуть этой цели путем надстроек в виде релятивистской, квантовой и волновой механики, изменяя, обобщая и даже извращая основы классической механики и физики, но допуская tacito consensu, что уравнения Максвелла абсолютно точны. С нашей точки зрения уравнения электромагнитного поля Максвелла только первые приближения, и их недостаточность в настоящее время происходит оттого, что точность современных измерений в электродинамике неизмеримо возросла по сравнению с временами Фарадея, Максвелла, Герца, со времени их установления .”

В результате проведенного исследования им был сделан вывод о том, что “обобщенные уравнения электромагнитного поля отличаются от уравнений Максвелла не только тем, что они нелинейны, но и тем, что скорость света c внутри поля переменна .”

На ограниченность уравнений Максвелла, обусловленных допущением постоянства скорости света, также указал В. А. Ацюковский в работе : “электрическое поле имеет продольное, а не поперечное распространение, что никак не вытекает из известных уравнений Максвелла ”. Такой характер электрического поля обусловлен неравномерным распределением носителей электрического заряда (фотонов), т.е. их разной скоростью движения.

Из выше изложенного следует, что, несмотря на не прекращающиеся доказательства постоянства скорости света сторонниками квантово-релятивистской концепции, решение этой проблемы далеко от завершения и имеет современный актуальный характер.

Философский аспект проблемы. Пренебрежительное отношение части исследователей к достижениям философии приводит к появлению ложных научных концепций, на базе которых появляются следующие поколения недееспособных научных и технических проектов . Одной из таких проблем стало постоянство скорости света.

Современное отношение сторонников квантово-релятивистской концепции к философии отражено в интервью вице-президента РАН Г. А. Месяца, данному корреспонденту Российской философской газеты Сергею Шаракшанэ:

“-Геннадий Андреевич, вам в профессиональной деятельности ученого

философия помогала?

— Наше поколение особое, и жили мы при особой философии, никакой другой

философии не было. Если говорить честно, конечно, она нам, ученым, была не нужна и

ничего не давала .”

Доминирующая последнее столетие квантово-релятивистская концепция сформировала определенный тип мышления в физике — абстрактное:

“В отличие от физики XVIII и XIX вв., пытающейся понять внутреннюю суть явлений и сводящей сложные явления к поведению элементов, участвующих в этих явлениях, физика ХХ в. фактически сняла эти цели. Целями развития некоторых областей физики стало подразумеваться создание внутренне непротиворечивого описания с помощью все более усложняющегося математического аппарата.”

С точки зрения мыслительной деятельности человека абстрактное мышление представляет собой высшую ступень. В диалектической логике понятие абстракция часто употребляется в негативном смысле: как нечто одностороннее, неразвитое, слишком оторванное от жизни, в отличие от конкретного .

Абстрактное мышление не может быть у всех одинаково. Как его отсутствие, так и чрезмерное увлечение может вызвать определенные проблемы. Решение этой задачи в физике дает философия.

В этой связи следует вспомнить работу Гегеля Г. «Кто мыслит абстрактно?» и блестящую статью-комментарий советского философа Э.В. Ильенкова.

Э.В. Ильенков:

“– Так кто же мыслит абстрактно?

– Необразованный человек, а вовсе не просвещенный .”

“Такой «образованный читатель» – не редкость и в наши дни. Обитая в уютном мирке шаблонных представлений, с которыми он сросся, как с собственной кожей, он всегда испытывает раздражение, когда наука показывает ему, что вещи на самом-то деле совсем не таковы, какими они ему кажутся. Себя он всегда считает поборником «здравого смысла», а в философской диалектике не видит ничего, кроме злокозненной наклонности «выворачивать наизнанку» обычные, «общепринятые» значения слов. В диалектическом мышлении он видит одно лишь «неоднозначное и нестрогое употребление терминов», искусство жонглировать словами с противоположным значением – софистику двусмысленности.”

“И если принять все это во внимание, то сразу же начинает выглядеть по-иному и проблема «абстракции». «Абстрактное» как таковое (как «общее», как «одинаковое», зафиксированное в слове, в виде «общепринятого значения термина» или в серии таких терминов) само по себе ни хорошо, ни плохо. Как таковое оно с одинаковой легкостью может выражать и ум, и глупость. В одном случае «абстрактное» оказывается могущественнейшим средством анализа конкретной действительности, а в другом – непроницаемой ширмой, загораживающей эту же самую действительность. В одном случае оно оказывается формой понимания вещей, а в другом – средством умерщвления интеллекта, средством его порабощения словесными штампами. И эту двойственную, диалектически-коварную природу «абстрактного» надо всегда учитывать, надо всегда иметь в виду, чтобы не попасть в неожиданную ловушку…

В этом и заключается смысл гегелевского фельетона, изящно-иронического изложения весьма и весьма серьезных философско-логических истин. “

В современной физике за непроницаемой ширмой стоят такие фундаментальные понятия как электрический заряд, электрическое и магнитное поля, постоянная Планка и постоянная тонкой структуры и т. д. Постоянство скорости света также относится к этой категории.

Фотонная концепция света. Раскрыть проблему постоянства скорости света невозможно без вскрытия физической сущности понятия свет. Согласно современным представлениям:

2) Свет в широком смысле — то же, что оптическое излучение.

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитные волны , длины которых заключены в диапазоне с условными границами от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~3 х 10 17 — 3 х 10 11 Гц). К оптическому излучению помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения (обычно называемого светом) относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение .

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ — электромагнитные колебания , распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ – взаимосвязанные колебания электрического (E) и магнитного (Н) полей, составляющих единое электромагнитное поле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ – физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными частицами вещества, а также с частицами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты.

ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ – физические системы, обладающие бесконечно большим числом степеней свободы.

ФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - объект физических исследований , такое множество взаимосвязанных элементов, отделенных от окружающей среды , что взаимодействует с ней, как целое.

Таким образом, последовательно раскрывая выше указанные представления современной физики о свете можно сделать следующий вывод: свет это некоторое множество взаимосвязанных элементов, отделенных от окружающей среды , которые взаимодействует с ней, как целое.

Такова логика абстрактного мышления при вскрытии физической сущности понятия свет на основе современных представлений физики. Очевидна абсурдность такого представления о свете.

Исторически представления о свете складывались как поток частиц, однако, в конце XVII века на основе развития теории представлений о свете возникли две концепции – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).

Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы, испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. Ньютон изложил теорию света на абстрактном уровне, не вникая в физическую сущность световых корпускул и среды, в которой они летят. Его теория осталась фактически необоснованной и поэтому стала легко доступной для критики. Тем не менее, в течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая. Однако в начале XIX в. французскому физику О.Ж. Френелю удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие.

Возрождению корпускулярной ньютоновской теории света в начале ХХ столетия способствовала концепция фотона, заложенная работами Дж. Стони (электрон),

Ф. Эренгафта (субэлектрон), М. Планка (квант), а также работами в области теории фотоэффекта (Г. Герц, А. Г. Столетов, А. Эйнштейн).

В 1905 г. А. Эйнштейн выдвинул идею, обобщавшую гипотезу квантов М. Планка, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласно теории Эйнштейна, свет с частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых E = h· ν . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме (с ). Квант электромагнитного излучения получил название фотон.

Неспособность физики ХХ столетия разобраться с сущностью фотона привела ее к созданию мифов о корпускулярно-волновом дуализме и постоянстве скорости света. Несмотря на то, что концепция фотона все еще находится на стадии доказательства , именно она позволяет решить выше указанные проблемы, связанные с постоянством скорости света.

Согласно корпускулярной теории света и гипотезы квантов М. Планка очевидно, что свет представляет собой поток фотонов, а согласно эфиродинамической концепции , средой существования фотонов является эфир. Поток фотонов совместно с эфиром образуют фотонный газ. На основании этого можно дать следующее определение:

Свет это поток фотонного газа, частицы (фотоны) которого образуют излучение, длины волн которых заключены в диапазоне с условными границами от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~ 3 ·10 17 — 3·10 11 Гц), предназначенный для переноса энергии.

Фотон это элементарная частица, представляющая собой замкнутый тороидальный вихрь уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым движением внутри него, осуществляющая поступательно-циклоидальное движение (по винтовой траектории), обусловленное гироскопическими моментами собственного вращения и вращения по круговой траектории и предназначенная для переноса энергии.

Фотон это элементарная частица обладающая двойным гироскопическим эффектом, которые обуславливают высокую стабильность его параметров, в частности, постоянство скорости прямолинейного движения.

Фотон это понятие, которое относится к множеству элементарных частиц, основным свойством которых является зависимость их параметров от длины волны, например, скорость фотонов (ν) зависит только от длины волны (λ) , ν = f (λ).

Длина волны фотона, в отличие от электромагнитной волны, это период движения по поступательно-циклоидальной траектории.

Таким образом, скорость отдельно взятого фотона (λ = const ) это величина постоянная, не зависящая от системы пространственных координат и системы отсчёта времени, т. е. от систем отсчета.

Эта особенность фотонов была положена А. Эйнштейном в основу второго постулата. Несостоятельность второго постулата Эйнштейна заключается в том, что луч света представляет собой поток фотонного газа, частицы-фотоны которого, согласно зависимости ν= f (λ), движутся с разными скоростями. Доказательством того, что фотоны в луче света имеют разные длины волн, а значит и скорости, служит известное еще Ньютону явление дисперсии света . Экспериментальным доказательством зависимости скорости от длины волны фотона являются работы в области лазерной генерации частоты. Например, по данным, приведенным в работе , показано, что установленная постоянная скорости света в вакууме, равная 299792458 ±1,2 м/с , это ничто иное как скорость фотонов длиной волны 3,39 мкм. Там же показано, что фотоны, имеющие длину волны меньше 3,39 мкм движутся с большей скоростью, т. е. больше скорости света. Согласно эфиродинамической концепции предельным значением скорости фотонов (гамма-фотонов) является вторая звуковая скорость эфира, гипотетическое значение которой равно 3·10 8 м/с.

Особенностью данного параметра фотонов (ν = f (λ) ) является то, что в области существования фотонов в диапазоне длин волн от ед. пм до десятых долей мм изменение скорости прямолинейного движения составляет порядка 0,1%, а в оптическом еще меньше. Т. е. скорость прямолинейного движения фотонов носит квазипостоянный характер.

Существующие способы измерения скорости света не учитывают зависимости скорости фотонов от длины волны, а оперируют некоторой интегральной, т. е. обобщенной характеристикой в области оптического излучения, которая для данного диапазона волн всегда будет постоянной или ее изменение будет находиться за пределами погрешности измерений . С этой точки зрения эти способы измерения являются некорректными и не могут служить доказательством постоянства скорости света.

Не достигнув результата в доказательстве постоянства скорости света в оптическом диапазоне сегодня для сохранения позиций СТО используются новые способы. В частности, в работе сообщается о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино. Там же делается обоснование и вывод: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели, т. е. нейтрино не может двигаться со сверхсветовой скоростью.

Таким образом, наглядно демонстрируется незыблемость позиций СТО.

“Фокус” данного мероприятия заключается в том, что нейтрино, как элементарной частицы, в природе не существует, а потому и результат этого эксперимента носит чисто виртуальный характер, т. е. представляет собой очередную ширму.

Выводы. Основой квантово-релятивистской концепции физики ХХ столетия стало создание внутренне непротиворечивого описания физических явлений с помощью все более усложняющегося математического аппарата, с точки зрения философии являющегося абстрактным мышлением. Опыт использования абстрактного мышления показывает его противоречивость: В одном случае «абстрактное» оказывается могущественнейшим средством анализа конкретной действительности, а в другом – непроницаемой ширмой, загораживающей эту же самую действительность.

) и является воплощением лоренц-инвариантности электродинамики. Более обобщенно можно говорить, что максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света , должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта.

Данное утверждение очень непривычно для нашего повседневного опыта. Мы понимаем, что скорости (и расстояния) меняются при переходе от покоящейся системы к движущейся, при этом интуитивно полагая, что время абсолютно. Однако принцип инвариантности скорости света и абсолютность времени несовместимы. Если максимально возможная скорость инвариантна, то время идёт различным образом для наблюдателей, движущихся друг относительно друга. Кроме этого, события одновременные в одной системе отсчёта, будут неодновременны в другой.

Инвариантность скорости света в лаборатории покоящейся относительно поверхности Земли, твёрдо установлена экспериментально. Интерес представляет поиск возможных небольших отклонений от этого закона .

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Принцип инвариантности скорости света" в других словарях:

Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А.Эйнштейном, частная в 1905, общая в 1915. В современной физике частная… … Энциклопедия Кольера

Начинающим · Сообщество · Порталы · Награды · Проекты · Запросы · Оценивание География · История · Общество · Персоналии · Религия · Спорт · Техника · Наука · Искусство · Философия … Википедия

Классическая электродинамика … Википедия

Преобразованиями Лоренца в физике, в частности в специальной теории относительности (СТО), называются преобразования, которым подвергаются пространственно временные координаты (x,y,z,t) каждого события при переходе от одной инерциальной системы… … Википедия

Преобразованиями Лоренца в физике, в частности в специальной теории относительности (СТО), называются преобразования, которым подвергаются пространственно временные координаты (x,y,z,t) каждого события при переходе от одной инерциальной системы… … Википедия

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики . Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения… … Википедия

Преобразования Лоренца линейные (или аффинные) преобразования векторного (соответственно, аффинного) псевдоевклидова пространства, сохраняющее длины или, что эквивалентно, скалярное произведение векторов. Преобразования Лоренца… … Википедия

Альберт Эйнштейн (1879 1955) был известным специалистом по теоретической физике, который наиболее известен как разработчик общей и специальной теорий относительности. Он также внёс большой вклад в развитие статистической механики, особенно… … Википедия

ТЕОРИЯ - (1) система научных идей и принципов, обобщающих практический опыт, отражающих объективные природные закономерности и положения, которые образуют (см.) или раздел какой либо науки, а также совокупность правил в области какого либо знания млн.… … Большая политехническая энциклопедия

Уравнение Ньютона гласит:

\(\displaystyle F=ma\)

Сила равна массе, умноженной на ускорение. Ускорение это вторая от координаты по времени, поэтому данное уравнение на самом деле дифференциальное:

\(\displaystyle m\frac{d^{2}x(t)}{dt^{2}}=F\)

Оно позволяет узнать поведение механической системы и в отсутствии сил, при F =0. Для этого достаточно решить дифференциальное уравнение:

\(\displaystyle \frac{d^{2}x(t)}{dt^{2}}=0\)

Его решение, траектория движения x (t ), выглядит как:

\(\displaystyle x(t)=x_{0}+v_{0}t\)

Это уравнение прямой линии. Начальная координата \(\displaystyle x_{0}\) и начальная скорость \(\displaystyle v_{0}\) являются начальными условиями. Они произвольны и никак не влияют на поведение системы как целого. Их нельзя определить экспериментально. Скорость \(\displaystyle v_{0}\) можно принять равной нулю и считать систему покоящейся. А можно и не принимать и считать движущийся по прямой с постоянной скоростью. Эти две ситуации неотличимы.

Никакими механическими опытами нельзя определить движется система или покоится.

Это и есть принцип относительности Галилея (relativity — относительность). Земля движется вокруг Солнца, оно в свою очередь вокруг центра Млечного Пути, галактика тоже куда-то движется. Мы этого не замечаем и не глядя на движения звезд на небесной сфере не можем определить эти скорости. А глядя можем определить только относительные скорости.

В конце девятнадцатого века предпринимались попытки измерить эту абсолютную скорость движения Земли с помощью оптических опытов.

Если кратковременно зажечь лампочку посередине быстро движущейся ракеты, то импульс света немного быстрее достигнет ее задней части и чуть позднее носовой. В одном случае ракета движется навстречу лучу, а в другом в ту же сторону. У находящихся в ракете измеренная скорость распространения света должна оказаться разной для этих двух направлений. Такая была логика. И ее попытались использовать для измерения абсолютной скорости движения Земли, найдя скорость распространения света в двух перпендикулярных направлениях.

Результат оказался отрицательным. Свет во все стороны распространяется с одинаковой скоростью вне зависимости движется система или покоится. Принцип относительности Эйнштейна это небольшое обобщение принципа относительности Галилея:

Никакими опытами нельзя определить движется система или покоится.

В том числе и оптическими. Постоянство скорости света является следствием принципа относительности. В противном случае мы могли бы использовать свет для определения своей абсолютной скорости.

Но если допустить постоянство скорости света для всех наблюдателей, то получается человек на Земле увидит, что луч света быстрее достигает конца ракеты, а люди в ракете увидят, что носовая и задняя часть освещаются одновременно. Как такое возможно? Скорость это расстояние деленное на время. Если не меняется скорость, то что-то происходит с расстояниями и временем. Даже из приведенного мысленного эксперимента ясно, что понятие «одновременно » на самом деле относительно!

Представим себе двух физиков, у каждого из которых лаборатория, снабженная всеми мыслимыми физическими аппаратами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого - в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все аппараты для изучения всех существующих в природе законов - один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, - найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависит от переносного движения систем отсчета.
Эйнштейн

Эйнштейну было шестнадцать лет, когда он впервые задумался о том, с какой скоростью свет распространяется в различных, движущихся одна относительно другой системах отсчета. Тогда же, в Аарау, и впоследствии, в Цюрихе, за десять лет до создания теории относительности, Эйнштейн, стремясь нагляднее представить движение системы отсчета, мысленно рисовал движущиеся вместе с каким-то телом, прикрепленные к этому телу измерительные стержни, а также часы. Стержни и часы позволяют измерить положение каждого тела в каждое мгновение и определить его скорость. Таким образом, система отсчета рисовалась Эйнштейну в виде реального тела, к которому прикреплено начало координат, бесконечные координатные оси и множество сколь угодно длинных стержней, так что любое тело, где бы оно ни находилось в данный момент, совпадает по своему положению с определенными отметками на измерительных стержнях, т.е. имеет определенные координаты, причем "данный момент" один и тот же в каждой точке, ориентированной при помощи стержней, - мы можем сверить все находящиеся в этих точках часы. Чтобы не смешивать измерения, сделанные по отношению к данной системе отсчета, с другими, отнесенными к иной системе отсчета, Эйнштейн представил себе человека, который движется вместе с системой и не видит никаких других систем. Он наблюдает только, совместились ли тела с отметками на измерительных стержнях данной системы отсчета. Этот "наблюдатель" фигурирует почти во всех изложениях теории относительности, но можно было бы обойтись и без него; он представляет собой столь же воображаемую фигуру, как и координатные оси и измерительные стержни, прибитые к движущемуся тепу и образующие движущуюся вместе с ним систему отсчета (систему отсчета, в которой это тело неподвижно). "Наблюдатели" так же мало затушевывают объективный смысл теории относительности, как выражение "если вы протянете веревку от Земли до Солнца..." ставит объективный факт - определенное расстояние между небесными телами - в зависимость от реальных или воображаемых измерений. Когда воображение рисует "наблюдателя", то появляется несколько неясный образ человека, привязанного к летящим в пространстве измерительным стержням и способного одновременно измерять положения тел при помощи этих бесчисленных и бесконечных по величине стержней. Этот образ может быть заменен менее точным, но более представимым образом пассажира в купе поезда с задернутыми занавесками на окнах или в каюте корабля (этой каютой пользовался, как мы помним, Галилей для демонстрации классического принципа относительности).

Представим себе корабль, движущийся с той же скоростью, что и волны на поверхности моря. Для находящегося на корабле "наблюдателя", т.е. для человека, который может измерить скорости только по отношению к кораблю, волны покажутся неподвижными. Не замечая ни неба, ни берегов, "наблюдатель" увидит как бы застывшую поверхность моря, он ничего не будет знать о движении волн - ведь они неподвижны по отношению к кораблю. Такие субъективные впечатления "наблюдателя" лишь условное выражение объективного факта: волны действительно неподвижны по отношению к системе отсчета, в которой неподвижен корабль (к системе, "привязанной" к кораблю).

Эйнштейна заинтересовал вопрос, сохранится ли неподвижность волн по отношению к кораблю (к системе отсчета, "привязанной" к кораблю, и к находящемуся на нем "наблюдателю"), если это будут не волны на водной поверхности, а электромагнитные волны, т.е. свет. Свет пробегает вдоль Земли со скоростью, приблизительно равной 300 000 километров в секунду. Пусть корабль движется по морю с такой же скоростью. Для "наблюдателя" на корабле свет имеет тогда нулевую скорость. Но в этом случае оптические процессы на корабле резко изменятся, например вспышка фонаря не осветит экрана, находящегося на носу корабля. Электромагнитное поле станет аналогичным застывшей поверхности моря, окружающей корабль, оно окажется переменным в пространстве, т.е. в пространство будут чередоваться гребни и впадины, но они не будут сдвигаться с течением времени. Такое изменение оптических процессов позволит "наблюдателю" зарегистрировать абсолютным образом движение системы. Вооруженный оптическими инструментами "наблюдатель" сможет отличить движущийся корабль от неподвижного. Но это противоречит теории Максвелла, в которой свет всегда представляет собой движущиеся электромагнитные волны. Противоречит это и интуитивному убеждению в невозможности зарегистрировать равномерное и прямолинейное движение при помощи внутренних эффектов в движущейся системе.

Об указанном парадоксе, овладевшем его мыслями в шестнадцать лет в Аарау, Эйнштейн говорит:

"Парадокс заключается в следующем. Если бы я стал двигаться вслед за лучом света со скоростью с (скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли. В самом деле, как же первый наблюдатель может знать или установить, что он находится в состоянии быстрого равномерного движения?"

По существу, указанный парадокс является конфликтом между двумя идеями классической механики, перенесенными в новую область электродинамических процессов.

Первая из них представляет собой классическое правило сложения скоростей. Если человек идет по коридору вагона со скоростью 5 километров в час относительно вагона, а вагон движется со скоростью 50 километров в час относительно Земли, то человек движется относительно Земли со скоростью 50 + 5 = 55 километров в час, когда он идет по направлению движения поезда, и со скоростью 50-5 = 45 километров в час, когда он идет в обратном направлении. Если человек в коридоре вагона движется относительно Земли со скоростью 55 километров в час, а поезд со скоростью 50 километров в час, то скорость человека относительно поезда 55-50 = 5 километров в час. Если волны движутся относительно берега со скоростью 30 километров в час, а корабль также со скоростью 30 километров в час, то волны движутся относительно корабля со скоростью 30-30 = 0 километров в час, т.е. они остаются неподвижными. Что же произойдет в случае электромагнитных волн? Сохранится ли здесь столь очевидное правило сложения скоростей?

Классическое правило сложения скоростей соответствует преобразованию координат от одной системы осей к другой системе, движущейся относительно первой без ускорения. Если при таком преобразовании мы сохраняем понятие одновременности, т.е. можем считать одновременными два события не только при их регистрации в одной системе координат, но и во всякой другой инерциальной системе, то преобразования называются галилеевыми. Кроме того, при галилеевых преобразованиях пространственное расстояние между двумя точками - разность между их координатами в одной инерциальной системе отсчета - всегда равно их расстоянию в другой инерциальной системе.

Вторая идея - принцип относительности. Находясь на корабле, движущемся равномерно и прямолинейно, нельзя обнаружить его движение какими-либо внутренними механическими эффектами. Распространяется ли этот принцип на оптические эффекты? Нельзя ли обнаружить абсолютное движение системы по вызванным этим движением оптическим или, что то же самое, электродинамическим эффектам? Интуиция (довольно явным образом связанная с классическим принципом относительности) говорит, что абсолютное движение нельзя обнаружить какими бы то ни было наблюдениями. Но если свет распространяется с определенной скоростью относительно каждой из движущихся инерциальных систем, то эта скорость изменится при переходе от одной системы к другой. Это вытекает из классического правила сложения скоростей. Говоря математическим языком, величина скорости света не будет инвариантной по отношению к галилеевым преобразованиям. Это нарушает принцип относительности, вернее, не позволяет распространить принцип относительности на оптические процессы. Таким образом, электродинамика разрушила связь двух, казалось бы, очевидных положений классической физики - правила сложения скоростей и принципа относительности. Более того, эти два положения применительно к электродинамике оказались несовместимыми. Непротиворечивая картина мира могла быть только парадоксальной, "безумной", т.е. отказывающейся от привычного и поэтому "очевидного" положения. От какого именно - от правила сложения скоростей или от принципа относительности, - это должен был решить эксперимент.

В 1882 г. Майкельсон произвел решающий эксперимент. Он пользовался прибором, который называется интерферометром и позволяет обнаруживать очень небольшие различия в скорости света. В нем имеются две трубки, по которым пробегают лучи света. Одна трубка была направлена вдоль движения земной поверхности и находящегося на ней прибора, другая трубка находилась в поперечном положении. Движение Земли в мировом эфире должно было сказаться в увеличении скорости света, когда последний проходит по продольной к движению Земли трубке навстречу этому движению, и в уменьшении скорости, когда свет догоняет Землю. Измерить скорость света при прохождении по трубке от одного конца до другого невозможно. Удается измерить время, необходимое свету для движения по трубке туда и обратно. Пусть свет направлен по движению Земли. Тогда он придет к противоположному концу продольной трубки с запозданием, а обратный путь проделает с опережением. Но опережение на обратном пути не полностью компенсирует запоздание, и в целом получается небольшое запоздание. Свет пройдет туда и обратно в продольной трубке за большее время, чем туда и обратно по поперечной трубке. Сравнив скорость света в продольной и поперечной трубках, мы обнаружим это запоздание, если движение Земли оказывает влияние на скорость света относительно Земли.

Земля движется в мировом пространстве со скоростью около 30 километров в секунду, и изменение скорости света должно было оказаться величиной, которую интерферометр Майкельсона обязательно обнаружил бы. Однако скорость света оказалась независящей от движения Земли в эфире; опыт дал отрицательный результат. Можно было предположить, что прибор Майкельсона увлекает при своем движении эфир, так что трубка интерферометра и весь прибор в целом не движется относительно эфира. Но такое предположение было опровергнуто другими оптическими экспериментами.

В самом конце прошлого столетия Вильям Томсон говорил, что наука, наконец, вошла в гавань, разрешила все коренные вопросы и может теперь только уточнять детали. Но он упомянул о двух нерешенных проблемах. Одна из них состояла в некоторых затруднениях теории излучения - они-то и привели в 1900 г. Макса Планка к идее квантов. Второй нерешенной проблемой Томсон считал результаты опыта Майкельсона. За вычетом указанных проблем, по его мнению, науке ничто не угрожает и она может считать себя гарантированной от пересмотра своих коренных теоретических устоев. И как это часто бывает, не успели метеорологи объявить о наступлении ясной погоды, как грянул гром. Он грянул именно из тех тучек, о которых говорил Томсон. Результаты опыта Майкельсона и множество аналогичных опытов опрокинули, казалось бы, самые очевидные представления о мире. В 1905 г. инженер бернского патентного бюро заявил, что свет действительно распространяется с одной и той же скоростью относительно всех тел, движущихся с постоянной скоростью одно относительно другого - встречающихся, отстающих одно от другого, перегоняющих одно другое.

Чтобы подчеркнуть всю парадоксальность этого утверждения, нарисуем следующую картину. С палубы быстро движущегося корабля бросаются в воду два человека, плавающие с одной и той же быстротой. Один из них плывет от носа к корме, т.е. навстречу кораблю, другой от кормы к носу, догоняя корабль. Казалось бы, очевидно, что пловцы затратят различное время: тот, кто плывет по воде навстречу кораблю, достигнет кормы скорее, чем второй пловец - носа корабля. И вот вопреки очевидности пловцы проходят этот путь в одно и то же время, т.е. с одной и той же скоростью. Разница в скорости показала бы, что корабль движется. Если такой разницы нет, то о движении корабля можно судить только по изменению его расстояния от берега или от другого корабля, движение его относительно; с тем же правом можно сказать, что берег движется относительно корабля. Свет ведет себя, как эти пловцы. Оптические процессы в теле не дают внутренних критериев движения, не дают основания говорить об абсолютном движении. Свет распространяется с одной и тон же скоростью относительно различных, движущихся одно относительно другого, тел. Мы уже говорили недавно о системах отсчета - воображаемых измерительных стержнях, с помощью которых можно измерить скорость, в частности скорость света. Основную посылку теории относительности Эйнштейна выражают словами "скорость света одна и та же во всех системах отсчета, движущихся одна относительно другой без ускорения".

Мы можем прикрепить систему отсчета к кораблю и считать неподвижными стоящие на палубе предметы; можем прикрепить ее к берегу и зарегистрировать движение этих предметов с уплывающим кораблем; можем прикрепить систему отсчета к Земле, к Солнцу, к Сириусу, и каждый раз у нас получится другая картина покоящихся и движущихся тел во Вселенной. Но переход от одной системы отсчета к другой ничего не меняет в ходе внутренних процессов в теле. В одной системе тело неподвижно, в другой оно движется, по эти определения "неподвижно" и "движется" относительны, они имеют смысл только по отношению к некоторой системе отсчета; движение тела выражается в изменении расстояний от других тел - и только, а покой выражается в неизменности таких расстояний - и только. Внутренних различий, различий в ходе внутренних процессов нет, в том числе нет различий в скорости света.

Так была дискредитирована идея привилегированной абсолютной системы отсчета, убеждение, что в некоторой абсолютной системе отсчета при регистрации движения и при измерении скорости мы получаем "истинные" данные, а в других системах отсчета движение и покой представляют собой лишь кажущиеся состояния. Так была завершена коперниканская революция, отнявшая у Земли ее абсолютную неподвижность, а у системы отсчета, в которой Земля неподвижна, - ее привилегированный характер. Когда Коперник и Галилей показали людям, что движение тел, каким оно представляется при наблюдении с Земли и при измерении в системе отсчета, привязанной к Земле, не имеет абсолютного характера, дальнейшее развитие идеи относительности уже не могло никого поразить. Но ликвидация последней линии укреплений, защищавших абсолютное движение, потребовала признания самой парадоксальной картины, какую только можно представить, - картины движения света с одной и той же скоростью в системах, которые сами движутся одна относительно другой.

Признание парадоксальности новой картины мира - исходный пункт анализа ее воздействия на характер научного мышления. Но парадоксальные утверждения Эйнштейна не вызвали бы такого широкого резонанса, если бы они не были так тесно логически и исторически связаны с "классическим идеалом" и с предыдущими переворотами в науке, освобождавшими ее от антропоцентрических абсолютов.

Убеждение, что человек, прохаживающийся по палубе корабля, движется с различной скоростью относительно этого корабля, относительно встречного корабля, относительно берега и т.д., было незыблемым. Весьма естественным казалось убеждение, что и свет распространяется с различной скоростью в движущихся одна по отношению к другой системах. Но без того чтобы разрушить это убеждение, нельзя было окончательно ликвидировать антропоцентрические призраки в науке и завершить освобождение науки от этих призраков, начатое в новое время Коперником и Галилеем. По сравнению с гелиоцентризмом новая революция против абсолютного движения принесла людям еще более парадоксальные представления. В XVI-XVII вв. движение приписали телу, которое до того считалось неподвижным, но само движение понимали так же, как и раньше. В этом отношении неевклидова геометрия с ее треугольниками, у которых сумма углов не равна двум прямым углам, с перпендикулярами к прямой, расходящимися по мере удаления от нее или сходящимися в некоторой точке, была более парадоксальной. Но здесь речь шла о геометрических теоремах, которые могли казаться и часто казались свободными творениями мысли, выводящей их логически непротиворечивым образом из произвольных, в том числе парадоксальных, допущений. "Безумие" теории Эйнштейна одного порядка с "безумием" неевклидовой геометрии. Даже сейчас трудно представить себе одну и ту же скорость по отношению к движущимся одна относительно другой системам. Не менее трудно было представить себе соотношения неевклидовой геометрии. Но здесь налицо очень существенное различие. Безумный монолог не вызывает удивления. Удивительной будет безумная действительность, отступление от привычного в реальных явлениях и в достоверно отражающих эти явления понятиях. Мысль о произвольных допущениях, которую можно выразить столь частой фразой: "Чего только не придумают!", в случае теории относительности полностью исключена. Она исключена всей суммой экспериментов, лежащих в основе теории относительности. У Эйнштейна речь явно идет не о парадоксальных теоремах, а о парадоксальной реальности. Движение, само движение, противоречит и очевидности в смысле непосредственно наблюдаемого поведения окружающих тел и той, как казалось, априорной, логической, присущей разуму очевидности, которая свойственна геометрическим аксиомам. Эйнштейн отбросил в принципе и первую и вторую "очевидность" - и эмпирическую очевидность наблюдаемых явлений, и априорную очевидность геометрических аксиом.

Но несмотря на свою парадоксальность, теория относительности производит впечатление чего-то глубоко конструктивного, причем завершающего то здание, которое начали строить с самого возникновения современной науки.

Созданная в XVII в. классическая картина мира основана не только на "очевидном" правиле: если тело движется с одной скоростью относительно одной системы, оно должно двигаться с иной скоростью относительно другой системы, движущейся относительно первой. Классическая картина мира рассматривает его как совокупность тел, движущихся одно относительно другого. Эфир, заполняющий мировое пространство, выходит за рамки первоначальной классической картины мира. И теперь мы возвращаемся к ней, правда, пожертвовав для этого "очевидным" правилом сложения скоростей. В этом смысле сама структура теории относительности весьма парадоксальна. С одной стороны, "безумная" идея - движение с постоянной, одной и той же скоростью по отношению к различным движущимся одна относительно другой системам. С другой стороны, устоявшаяся за много веков (начиная с Демокрита!) картина Вселенной, где нет ничего, кроме тел, движущихся одно относительно другого.

По отношению к этой картине классическая физика производила впечатление недостроенного здания. Тела движутся не только одно относительно другого, но и в абсолютном смысле в неподвижном эфире, позволяющем определить скорости тел по отношению к чему-то абсолютно неподвижному, т.е. определить абсолютные скорости тел. Движение в эфире должно воздействовать на скорость распространения света сквозь движущуюся среду, и, таким образом, оптика становится опорой абсолютного движения, которое устранено из мира прямолинейно и равномерно смещающихся материальных тел. Теория Эйнштейна, отказавшись от классического правила сложения скоростей, смогла подчинить принципу относительности все процессы, происходящие в равномерно и прямолинейно движущихся системах. Все эти процессы - не только механические, но и оптические - не изменяются под влиянием движения систем. Движение систем не вызывает каких-либо внутренних эффектов, сводится к изменению взаимного расположения тел в природе.

Близость этого вывода теории Эйнштейна к классическому принципу относительности облегчала ее усвоение и придавала убедительную достоверность этой теории, включая "безумный" тезис о постоянной и неизменной скорости света в движущихся различным образом и смещающихся одна относительно другой системах. Впечатление "достройки" классической картины мира переносило на новую теорию ореол достоверности. Этим ореолом были окружены и правило сложения скоростей, и классический принцип относительности. Задача состояла в том, чтобы определить, подчинятся ли, во-первых, принципу относительности и, во-вторых, классическому правилу сложения скоростей не только механические, по и оптические процессы. Оказалось, что оптические процессы подчиняются принципу относительности и не подчиняются правилу сложения скоростей. Таким образом, достройка принципа относительности потребовала перестройки классической кинематики, т.е. картины перемещения тел в пространстве. Вскоре оказалось, что такая достройка требует перестройки и классической динамики, т.е. учения о силах и связанных с ними ускорениях. Связь теории относительности с классической физикой состоит не только в достройке классической физики. Когда тела движутся медленно, по сравнению со скоростью света, мы можем рассматривать скорость света как бесконечную. Тогда мы приходим к соотношениям старой, классической механики. Последняя оказывается приближенным описанием действительности. Теория относительности переходит в такую приближенную теорию, когда определенная величина - отношение скорости движущегося тела к скорости света - стремится к нулю или, что то же самое, отношение скорости света к скорости тела стремится к бесконечности. Подобное соотношение между двумя теориями - одна переходит в другую, когда некоторый параметр стремится к нулю или к бесконечности, - существовало в математике. Если на поверхности сферы начертить треугольник, то сумма его углов будет больше двух прямых углов, иначе говоря, здесь будут царить соотношения неевклидовой геометрии. Когда радиус сферы неограниченно растет, эти соотношения неограниченно стремятся к евклидовым, и мы можем сказать, что на поверхности сферы бесконечного радиуса неевклидова геометрия уступает место евклидовой.

Но отсюда еще не следует однозначная физическая теория, переходящая в иную при бесконечном значении некоторого параметра. В физике XIX в. существовало несколько сходное, но все же иное соотношение между теориями. В учении о движении молекул необратимые процессы появляются, когда число молекул становится достаточно большим, и законы необратимых процессов становятся все более точными по мере увеличения этого числа. Но основная проблема учения о теплоте и состоит в связи обратимых процессов в системах с небольшим числом молекул и необратимых процессов в больших статистических ансамблях. Уже это представление о различных теориях, законных, т.е. достаточно точно описывающих действительность, при различных масштабах явлений, ломает схемы Маха и Пуанкаре. Если макроскопические закономерности термодинамики наталкиваются на неожиданные, "удивительные" явления при переходе к молекулярным масштабам, то что остается от априорной, либо условной, трактовки термодинамики? И что остается от представления о "чистом описании", если теория, служившая эталоном такого описания, - термодинамика - переходит в теорию, где фигурируют непосредственно не наблюдаемые молекулы и их движения?

В учении о теплоте различие между макроскопической термодинамикой и механикой молекул не имеет парадоксального характера. Термодинамические законы надстраиваются на законах механики частиц и не колеблют их. Тот факт, что в больших ансамблях действуют статистические законы, не противоречит тому факту, что в мире отдельных молекул действуют абсолютно строгим и точным образом законы ньютоновой механики. В теории относительности появляется иная оценка классической механики. Дело не в том, что объяснение явлений природы не может свестись к решению простых механических задач. Дело в том, что старые законы механики оказываются неточными, строго говоря, всегда неверными. Поэтому здесь уже нельзя говорить о двух равноправных взглядах на физические явления. Здесь речь идет о выборе нового исходного образа картины мира. Вопрос идет не о сводимости или несводимости сложных закономерностей к исходному, самому простому и элементарному закону, а о том, каков именно этот закон. Если он отличается от ранее известного "очевидного" закона, то парадоксальная ситуация не может быть устранена разделом сфер влияния. Вместо равноправных аспектов появляется их иерархия.

В теории относительности учет конечной скорости света и неизменности этой величины во всех инерциальных системах представляет собой более глубокое, общее и точное воззрение. В теории относительности, подчеркнем это еще раз, речь идет о парадоксальности самых глубоких, точных и достоверных законов бытия. Мысль должна переработать не собственные апории, а то достоверное "чудо", которое лежит в основе "надличного" мира. Именно такое соотношение между теорией относительности и ньютоновой механикой позволяет дать обоснование последней, объяснить, почему при определенных значениях скорости движущихся тел наблюдения не противоречат ньютоновой механике. Тем самым все эксперименты И все данные практики, подтверждающие классическую механику Ньютона, становятся подтверждением новой механики Эйнштейна.

Ореол достоверности - именно он сделал теорию относительности самой удивительной теорией в истории физики. Впечатление, которое она оказала на широкие круги, объясняется прежде всего тем, что теория была непреложно достоверной и вместе с тем казалась совершенно парадоксальной. Это и вызывало интерес, подчас мучительный и всегда жгучий.

Парадоксы Зенона независимо от их логического анализа всегда считались затруднениями мысли, а не парадоксами бытия; ведь каждый понимал, что Ахиллес догонит черепаху. Парадоксы неевклидовой геометрии стали парадоксами бытия только после теории относительности. Признание достоверной, объективной, реальной парадоксальности самого бытия было связано с философскими концепциями Эйнштейна, работавшими на теорию относительности, т.е. стержневыми концепциями, перераставшими из личного мировоззрения в область идейных предпосылок теории относительности. Для Эйнштейна восприятие парадоксальных явлений - доказательство объективной природы мира, аргумент против априорного происхождения сведений о мире. За восприятиями находится объективная сущность вещей, она-то и раскрывается все больше и больше при последовательном столкновении логических конструкций с восприятиями и при вызванном этими столкновениями развитии конструкции. Классическая физика, достоверным образом описывающая мир, столкнулась с "удивительным", т.е. не укладывающимся в привычную логическую конструкцию фактом постоянства скорости света в различных, движущихся одна относительно другой системах. Привычная логическая конструкция охватывала и концепцию времени, текущего единым потоком во всем бесконечном пространстве, и ряд других фундаментальных основ классической картины мира. И вот Эйнштейн шаг за шагом создает новую универсальную конструкцию. Задача его в основном позитивная. Негативная сторона дела, т.е. разрушение старой картины мира, сводится к тому, что эта старая картина отныне трактуется как менее точное по сравнению с новой приближение к действительности. Каждая из таких картин ограничена определенными условиями, каждая может столкнуться и с течением времени столкнется с "удивительным" и путем "бегства от удивительного" перейдет в более общую и точную картину.

Лоренц пытался сохранить существование эфира и отнесенного к нему абсолютного движения, несмотря на результаты опыта Майкельсона. Он хотел объяснить наблюдаемую в интерферометре независимость скорости света от движения Земли, предположив, что все тела при движении относительно эфира сокращаются в своих продольных размерах. Такое сокращение Лоренц выводил из законов электродинамики, считая все тела состоящими из элементарных электрических зарядов. Движение относительно эфира вызывает силы, сдвигающие друг к другу заряды, движущиеся в эфире один за другим в направлении движения тела. Никакие электродинамические явления не требовали для своего объяснения такой гипотезы, и она была введена ad hoc специально для объяснения одного факта - отрицательного результата опыта Майкельсона и аналогичных опытов. Никакие прямые наблюдения не доказывали продольного сокращения тел при их движении в эфире. Но Лоренца это не могло смутить. Ведь линейка, которой мы измеряем в продольном направлении движущееся тело, также движется и также сокращается. Поэтому прямое измерение не может обнаружить лоренцево сокращение.

Гипотеза продольного сокращения объясняет результаты Майкельсона, не затрагивая основ классической механики. Свет распространяется в продольной трубке интерферометра медленнее, чем в поперечной, но продольная трубка сократилась и поэтому свету понадобилось то же время, что и для прохождения по поперечному плечу. Таким образом, постоянство скорости света теряет свой парадоксальный характер. Оно оказывается феноменологическим результатом взаимной компенсации двух чисто классических процессов. Один из них - замедление света благодаря движению интерферометра по отношению к эфиру, благодаря тому, что свет вынужден догонять интерферометр. Второй процесс - сокращение плеча интерферометра ровно настолько, чтобы замедленный луч прошел через трубку интерферометра в течение неизменного интервала времени. Продольное сокращение, о котором говорит Лоренц, такое же классическое явление, как сокращение отсыревшей веревки. Разница состоит в том, что сокращение отсыревшей веревки можно обнаружить при помощи сухой веревки, а лоренцево сокращение нельзя обнаружить, так как в этом случае уже не может быть "сухой веревки" - несокращающегося при движении масштаба. Нетрудно видеть, что гипотеза Лоренца в очень малой степени удовлетворяет требованиям, которые Эйнштейн предъявлял научной теории. Гипотеза сокращения не сталкивается с какими-либо противоречащими ей фактами, но она не обладает "естественностью" и другими критериями "внутреннего совершенства". Именно в этом уязвимое место теории Лоренца. Она выдвинута ad hoc, она не вытекает из широких посылок, опирающихся на большой и разнообразный круг явлений. Тем не менее теория Лоренца давала простор развитию идеи относительности движения. Правда, относительность была в этой теории феноменологической. За внешней, видимой относительностью движения, вытекающей из видимого постоянства скорости света, таилось абсолютное движение, проявлявшееся в различной скорости света в неподвижных и движущихся системах. Но абсолютное движение здесь действительно таится. Если бы можно было прямым измерением обнаружить лоренцево сокращение при движении относительно эфира и отсутствие такого сокращения в неподвижных относительно эфира телах, мы имели бы доказательство абсолютного характера движения. Но обнаружить его нельзя. В теории Лоренца абсолютное движение царствует, но не управляет, царствует за кулисами видимой сцены и не управляет явлениями, доступными наблюдателю. Классическая, исходящая из абсолютного движения теория Лоренца не препятствовала поэтому разработке формального аппарата теории относительности, получению формул преобразования координат, оставлявших неизменной скорость света.

Развитие этого аппарата, установление указанных формул имело место в работах Лоренца и Пуанкаре, опубликованных почти одновременно со статьей Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел". Но в этих работах не содержалось новой физической теории, которая стала основой физической картины мира и получила название теории относительности. Решающий пункт генезиса теории относительности - это мысль о субстанциальности относительного движения, о том, что свет действительно движется с одной и той же скоростью в различных, движущихся одна относительно другой системах.

Это постоянство скорости света не феноменологический результат компенсации различий в скорости в силу сокращений размеров, как в теории Лоренца.

Тем самым меняется угол зрения на лоренцево сокращение. Уже не может быть речи о какой-то нормальной длине, которая сокращается при движении и сохраняется при абсолютной (отнесенной к эфиру) неподвижности. Сокращение имеет взаимный характер. Возьмем две системы XYZ и X"Y"Z", которые движутся одна относительно другой. Измерим длину стержня, покоящегося в XYZ. Когда мы его измеряем в системе X"Y"Z" (в ней он движется), длина будет меньше, чем при измерении в системе XYZ (в ней он неподвижен). Но если мы возьмем стержень, покоящийся в X"Y"Z", то длина его в системе XYZ сократится по сравнению с длиной, измеренной в X"Y"Z"! Реально ли такое сокращение? Да, реально. Размеры тел действительно сокращаются, и реальной причиной сокращения (взаимного!) служит взаимное движение систем. Конечно, взаимное сокращение движущихся стержней кажется парадоксальным, но именно таково действительное, не зависимое от наблюдения соотношение размеров движущихся тел и зависит оно от реального, взаимного смещения тел, которые легче себе представить, чем абсолютное, не отнесенное к другим телам движение, фигурирующее в классической механике.

Теория Эйнштейна выводит лоренцево сокращение из самых основных и общих понятий науки - из более строгого и точного анализа понятий времени и пространства. Из него Эйнштейн выводит объяснение нового экспериментального факта - результата опыта Майкельсона. В этом смысле теория Эйнштейна укладывается в схему "внешнего оправдания" и "внутреннего совершенства". Когда новый, крайне парадоксальный факт - постоянство скорости света в интерферометре Майкельсона - потребовал какого-то объяснения, Лоренц выдвинул концепцию, согласующуюся с этим фактом и согласующуюся с ранее известными фактами, но не вытекающую из более общего принципа однозначным и естественным образом. Эйнштейн вывел объяснение нового парадоксального факта из перестройки всей картины мира, вытекающей из новой трактовки пространства и времени, т.е. из более глубокой, общей и конкретной интерпретации всей совокупности известных науке фактов. Таким образом, "бегство от чуда" завершилось теорией, сочетающей "внешнее оправдание" с "внутренним совершенством".

Именно в такой эпистемологической природе теории относительности и состоит ее отличие от концепций Лоренца и Пуанкаре, появившихся одновременно с ней. В начале 1955 г. Зелиг получил от Эйнштейна следующий ответ на вопрос о независимости его открытия от работ Лоренца и Пуанкаре:

"Если заглянуть в прошлое развития теории относительности, не будет сомнений в том, что в 1905 г. она созрела для своего появления. Лоренц уже знал, что уравнениям Максвелла соответствуют преобразования, названные потом его именем, а Пуанкаре углубил эту идею. Я был знаком с фундаментальной работой Лоренца, вышедшей в 1895 г., но позднейшей работы и связанного с ней исследования Пуанкаре не знал. В этом смысле моя работа была самостоятельной. Новое в ней состояло в следующем. Лоренцевы преобразования выводились здесь не из электродинамики, а из общих соображений..."

В этом все дело. Эйнштейн хотел в приведенном письме подчеркнуть подготовленность теории относительности, тот факт, что в статьях, написанных одновременно с его работой "К электродинамике движущихся тел", содержались важные идеи, прокладывавшие дорогу представлению о независимости скорости света от движения инер-циальных систем. Но при всей своей скромности он не мог не сказать главного: преобразования Лоренца (указывавшие на изменение длины стержней и хода часов и на неизменность скорости света) фигурируют в теории Эйнштейна в виде универсального закона, вышедшего за пределы электродинамики, связанного с общим пониманием пространства и времени.

Исходная идея Эйнштейна - необходимость опытной проверки логической конструкции. Понятие не может априорно соответствовать действительности. Оно должно приводить к результатам, допускающим сопоставление с опытом. Абсолютное движение не выдерживает такого испытания. Таким образом, все выводы теории относительности следуют не из специально созданных предположений, а естественно вытекают из общих принципов.

"То, что помимо прочего характеризует теорию Oтносительности, - пишет Эйнштейн, - это эпистемологическая точка зрения. В физике нет понятия, применение которого было бы a priori необходимо или оправданно. Понятие завоевывает свое право на существование только своей ясной и однозначной связью с явлениями и соответственно с физическими опытами" .

Способность исходить в построении конкретных физических теорий из самых общих, казалось бы решенных, проблем бытия - характерная черта Эйнштейна. Он говорил об этом однажды Джемсу Франку:

"Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями" .

При всей неожиданности такого объяснения (теория, пересматривающая понятия пространства и времени, обязана чуть ли не инфантильности своего творца) оно содержит глубокую и в основе правильную идею. У очень многих детей и юношей интеллектуальный онтогенез в известной мере повторяет развитие человеческой мысли в целом: общие размышления о бытии (вспомним, как герой "Отрочества" пытался проверить, сохраняют ли предметы свое существование, когда он поворачивается к ним спиной) сменяются более зрелыми, но ужо частными интересами. У Эйнштейна сохранилось это ощущение первого взгляда на мир - тайна многих великих мыслителей и художников - без "взрослой" уверенности в том, что коренные проблемы мира уже решены. Такое ощущение не было вытеснено и не потускнело при накоплении специальных знаний и интересов. Он думал о понятии движения и вернулся к идее, свойственной детству человечества, - к античной идее относительности, которую заслонили позднейшие идеи механики и концепция эфира, как абсолютного тела отсчета. Эта идея была положена в основу физики после того, как попытки обнаружить эфирный ветер окончились неудачей. Эйнштейн предположил, что неудача вытекает из субстанциальных оснований, из отсутствия эфира в природе и бессодержательности понятия движения, отнесенного к эфиру. Теперь оставалось сделать все выводы из принципиальной невозможности абсолютного движения, отнесенного к привилегированной системе отсчета. Таким же путем шли создатели термодинамики. Они исходили из неудач при конструировании вечного двигателя, приписали этим неудачам принципиальный характер, предположив, что в природе нет исчезновения энергии и ее возникновения из ничего. После этого термодинамика могла отказаться от искусственных гипотез и систематически развивать выводы из сохранения энергии.

Эйнштейн приложил к одному из писем Морису Соловргау следующее короткое изложение основной идеи теории относительности:

"Несмотря на разнообразие экспериментальных истоков теории относительности, ее метод и содержание могут быть охарактеризованы в нескольких словах. Еще в древности было известно, что движение воспринимается только как относительное. В противоположность такому факту физика базировалась на понятии абсолютного движения. В оптике исходят из мысли об особом, отличающемся от других движении. Таким считали движение в световом эфире. К последнему относятся все движения материальных тел. Таким образом, эфир воплотил понятие абсолютного покоя, связанного с пустотой. Если бы неподвижный, заполняющий все пространство световой эфир действительно существовал, к нему можно было бы отнести движение, которое приобрело бы абсолютный смысл. Такое понятие могло быть основой механики. Попытки обнаружить подобное привилегированное движение в гипотетическом эфире были безуспешными. Тогда вернулись к проблеме движения в эфире, и теория относительности сделала это систематически. Она исходит из предположения об отсутствии привилегированных состояний движения в природе и анализирует выводы из этого предположения. Ее метод аналогичен методу термодинамики; последняя является не чем иным, как систематическим ответом на вопрос: какими должны быть законы природы, чтобы вечный двигатель оказался невозможным".