Текст книги "Физика веры"

Прежде всего, возник вопрос о справедливости правила сложения скоростей при световых явлениях. Для его решения необходимо было провести эксперимент по сложению скорости движения среды (например, воды) со скоростью распространения света в этой среде. Но как провести такой эксперимент? Трудности его проведения заключались в том, что скорость света в воде U = c/n = 225 000 км/c, где с – скорость света в вакууме, c = 300 000 км/с; n – показатель преломления воды, n = 1,33. Скорость воды можно было бы сделать примерно 10 м/с, что в десятки миллионов раз меньше скорости света. Поэтому такой эксперимент долго не удавалось осуществить.

Но оказалось, что указанное небольшое изменение скорости света можно измерить, если использовать явление интерференции. Интерференция – это сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы: волн на поверхности жидкости; упругих (например, звуковых); электромагнитных (например, радиоволн или световых). Причем интерферируют только когерентные волны, то есть волны, имеющие постоянную разность фаз во времени [70, с. 290]. Такими когерентными волнами-лучами являются, например, лучи, исходящие из одной точки источника света. Если два луча от одной точки источника света пустить по разным направлениям, а затем привести в одну точку, то в этой точке будет происходить интерференция света; если разность хода лучей, измеренная в количестве совершенных полуволн, составит четное число, то происходит сложение энергий этих лучей, и точка будет наиболее светлой; если же разность хода составит нечетное число полуволн, то энергии лучей вычитаются, и точка будет наиболее темной.

Таким образом, в зависимости от разности хода лучей освещенность в точке их встречи будет меняться. Зная длину волны света (от 0,4 микрона до 0,7), можно рассчитать, какую величину изменения скорости света можно измерить. Расчеты показали, что можно сделать установку, позволяющую определить изменение скорости света на одну стомиллионную долю, что даже лучше, чем требуется.

Такую установку впервые изготовил, а затем осуществил на ней уникальный опыт в 1851 году известный французский физик А. И. Физо.

В установке Физо луч от источника света с помощью полупрозрачной пластины разделялся на два луча, один из которых, отражаясь от зеркала, проходил через текущую воду по направлению ее движения, а второй – против движения. Скорость движения воды изменялась от 0 до 7 м/с. Оба луча направлялись далее в интерферометр, где наблюдалась интерференционная картина. По смещению интерференционных полос определялась разность времени прохождения лучей света в движущейся воде (по течению и против течения) [18, с. 818].

Результаты опыта оказались неожиданными: сложение скорости света в воде со скоростью движения воды не соответствовало требованию классической физики:

W = V + U.

Опыт показал, что сложение скоростей происходит по соотношению:

W = U + V (1–1/n),

где n – показатель преломления воды; n = 1,33.

Многократно проверенный опыт давал все время один и тот же результат. Он показывал, что скорость света не подчиняется правилу сложения скоростей. Напрашивался вывод, что классическая физика при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, неверна.

Чтобы спасти классическую физику, ученые приняли гипотезу о движении света в эфире, находящемся между частицами воды и воздуха. Если предположить, что эфир не увлекается частицами вещества при их движении или увлекается частично в зависимости от величины показателя преломления, то становится понятным объяснение опыта Физо с позиций классической физики: скорость движения частиц вещества не передается полностью находящемуся между частицами эфиру и поэтому не складывается со скоростью света в эфире в соответствии с правилом сложения скоростей, и для среды с показателем преломления, близким к единице, эфир остается неподвижным.

Таким образом была принята гипотеза существования неподвижного мирового эфира, согласно которой все тела Вселенной движутся в неподвижном мировом эфире. Такая гипотеза объясняла опыт Физо и спасала классическую физику.

Забегая вперед, укажем допущенную этой гипотезой роковую ошибку. Опыт Физо, проводившийся на Земле, свидетельствует о том, что движущееся на Земле вещество не увлекает околоземной эфир. Достаточно было предположить, что только околоземный эфир неподвижен относительно Земли, а не выдвигать гипотезу о неподвижности всего мирового эфира.

Но поскольку гипотеза была принята, перед учеными возник вопрос о ее экспериментальном подтверждении. Известно, что Земля в своем движении вокруг Солнца имеет скорость V = 30 км/с. Поэтому, если поставить опыт по обнаружению этой скорости движения Земли в мировом неподвижном эфире, то тем самым можно будет подтвердить справедливость гипотезы. Технически такой опыт осуществить трудно, и лишь спустя 30 лет после опыта Физо, то есть в 1881 году, впервые этот уникальный опыт был осуществлен американским ученым А. Майкельсоном.

Опыт Майкельсона – величайший из всех отрицательных опытов в истории науки.

Дж. Бернал

Ученые рассчитывали на то, что исключительно высокая скорость света в сочетании с необычайной миниатюрностью его носителя – фотонов – позволит уловить ничтожное влияние заполняющего все пространство эфира. Приняв неподвижный и невесомый эфир за реальную сущность, ученые полагали, что скорость Земли относительно этой субстанции можно определить следующим образом. Поскольку Земля движется в пространстве, на что указывает ее вращение вокруг Солнца, постольку она перемещается в эфире. Если находящийся на Земле наблюдатель сумеет измерить скорость луча света, движущегося в направлении, совпадающем с направлением движения Земли (по течению в эфире), а также скорость встречного луча света (против течения в эфире), то он легко сможет убедиться в различии этих скоростей.

Хитроумно приспособив для такого рода измерений высокочувствительный интерферометр, американский физик А. Майкельсон произвел свой знаменитый опыт, на основании которого рассчитывал получить различие скоростей в виде интерференционной картины. Каково же было удивление, когда никакого наложения оптических волн в зрительной трубе не получилось! Оказалось, что фотонам совершенно безразлично, куда лететь – по течению, против течения или же куда-то вбок [21, с. 27].

Вывод напрашивался один: движения Земли через эфир нет, а, следовательно, гипотеза неподвижного мирового эфира, на которую классическая физика возлагала большие надежды, неверна.

Для спасения гипотезы неподвижного мирового эфира голландский ученый Лоренц (одновременно с американским ученым Фицджеральдом) предложил гипотезу сокращения размеров тела в направлении движения. Достаточно было предположить, что предметы, двигающиеся против течения эфира, изменяют свои размеры, сокращаются по мере приближения их скорости к скорости света. Считается, что в опыте Майкельсона действительно происходит «лоренцево» сокращение размеров тел, что, якобы, является экспериментальным подтверждением преобразований Лоренца, из которых математически следует это сокращение [20, с. 35].

Правда, Гендрика Лоренца с его высокой научной щепетильностью очень смущало, что его идея была придумана, как принято говорить, по случаю, специально для объяснения конкретного эксперимента. Он писал: «Подобному введению особых гипотез для каждого нового опыта присуща… некоторая искусственность» [69, с. 53]. Иными словами, Лоренц ощущал разрыв между своей гипотезой и построениями всей предыдущей физики. А гипотезу все-таки выдвинул! Причем, как оказалось, она верно описывала факты, но неверно их объясняла.

Из преобразований Лоренца была получена также основная черта релятивистской кинематики – независимость скорости света от движения источника [18, с. 510].

Последствия эксперимента Майкельсона оказались судьбоносными практически для всех научных идей XX века.

Но история науки не ограничивается перечислением успешных исследований. Она должна сказать нам и о безуспешных исследованиях и объяснить, почему некоторые из самых способных людей не смогли найти ключа знания и как репутация других дала лишь большую опору ошибкам, в которые они впали.

Максвелл

Для дальнейшего развития теоретической физики нужна была теория, которая могла бы разрешить очередной сложившийся кризис. Долгое время попытки ученых в этом вопросе были тщетны. И лишь спустя почти четверть века после первого опыта Майкельсона выход из создавшегося положения в 1905 году предложил молодой Альберт Эйнштейн, опубликовав свою первую работу по теории относительности «К электродинамике движущихся тел».

Анализируя результаты опытов Физо и Майкельсона, Эйнштейн в своей работе приходит к выводу, что следует отказаться от введения понятия эфира, так как предположение о том, что эфир покоится одновременно в двух системах (в системе, связанной с Землей, в опыте Майкельсона и в неподвижной системе в опыте Физо), является абсурдным.

В свое время опыт Физо был объяснен наличием мирового неподвижного эфира, в котором движутся все тела. Опыт Майкельсона опроверг эту гипотезу: скорость света относительно Земли всегда имела одно и то же значение независимо от того, движется ли Земля в направлении движения луча света или навстречу лучу. Это можно было бы объяснить движением Земли вместе с околоземным эфиром, в котором распространяется луч света. О возможности такого объяснения говорит и Эйнштейн, но тогда становится непонятным опыт Физо, показавший, что тело не движется вместе с эфиром.

Как было установлено наукой много позднее, перемещающееся на Земле тело в опыте Физо действительно не движется вместе с эфиром внутри тела, так как этот эфир удерживается силой гравитации Земли.

Однако Эйнштейн приходит к отказу от эфира не только на основании анализа опытов Физо и Майкельсона, но и в результате анализа всей истории развития физики, показанной в великолепно написанной книге «Эволюция физики».

Не найдя механического объяснения эфира, Эйнштейн выносит смертельный приговор эфиру: «Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения… Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем» [20, с. 34].

Обосновав отказ от эфира и то, что все явления в природе нельзя объяснить с механистической точки зрения, Эйнштейн приходит к мысли о несовершенстве основ классической физики. Он задумывает теорию, которая исправила бы основы классической физики, помогла выйти из создавшегося кризиса и послужила бы основой для дальнейшего развития теоретической физики.

Созревший в физике кризис указывал на необходимость смены парадигмы в естествознании.

Содержательная база парадигм в естествознании всегда строилась на выборе соответствующего принципа относительности, соответствующей геометрии пространства и постулировании существования некой универсальной среды, переносящей взаимодействия. Во времена Ньютона господствовали геометрия Евклида, принцип относительности Галилея, а на роль субстанции, переносящей взаимодействия, претендовал эфир. И вот эфир был отвергнут. Одна из трех опор, поддерживающих старую парадигму, рухнула. Но оказывается, к концу XIX века и две другие были сильно подточены.

Давайте вспомним, каким представлялся мир ученым во времена Ньютона. Абсолютное, везде одинаковое, ни с чем не связанное, ни от чего не зависящее время. Абсолютное, всюду однородное пространство, с абсолютной, везде одинаковой и тоже ни от чего не зависящей геометрией. В таком абсолютном пространстве и таком абсолютном времени существует, подчиняясь физическим законам, вся материя. Например, закон всемирного тяготения определяет зависимость силы взаимного притяжения тел от величины их масс и расстояния между ними. И, конечно, все ученые были убеждены, что ни массы, ни силы, ни связывающие их законы не зависят от времени и пространства, так же как время и пространство ни от чего не зависят.

И вот в 1826 году дерзкий смутьян из России Н. И. Лобачевский заявил: «Это не так. С силами, с массами тесно связано само время, от них зависит и строение пространства, то есть его геометрия» [105, с. 51].

Но что означает зависимость геометрии от сил или от масс? Она означает, что пространство не является абсолютным и однородным, что геометрия его определяется величиной и распределением масс. Нет абсолютного, ни от чего не зависящего пространства, одинакового для всех. Нет и абсолютного времени, которое для всех текло бы совершенно одинаково. То есть наше реальное пространство оказывается неевклидовым. Искривление пространства прямо следует из основного уравнения Н. И. Лобачевского. Таким образом, путы, сковавшие геометрию со времен Евклида, первым разорвал Н. И. Лобачевский. Он построил более широкую геометрическую систему – пангеометрию, которая не отвергала, не сменяла геометрию Евклида, а просто отвела ей скромное место частного случая. Позже Б. Риман расширил содержание геометрии так, что и творение Лобачевского стало частным случаем. Геометрия Евклида представляла геометрию пространства с нулевой кривизной, геометрия Лобачевского – с отрицательной кривизной, а геометрия Римана – с положительной кривизной.

Таким образом, необходимость разработки новой парадигмы в начале XX века была очевидна: эфир отвергнут, пространство – неевклидово (имеет кривизну) и не абсолютно.

И вот в такой ситуации Эйнштейн взялся за разработку новой теории относительности, которая для современной физики явилась тем же, чем была для классической физики механика Ньютона.

Все просто, когда уже найдено. И как неимоверно сложно, пока неизвестно, на каких подступах искать.

Ньютон, прости меня. В свое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы.

А. Эйнштейн [105, с. 273]

Уже в первой работе по теории относительности «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн отмечает, что эта теория базируется на двух основных принципах, принимаемых в качестве исходных постулатов.

Первый постулат является обобщением принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Второй постулат выражает принцип постоянства скорости света.

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн ставит свет в особое положение – канонизирует его, считая, что свет относительно любых движущихся тел всегда имеет одну и ту же скорость. Мысль о таком особом положении света настолько овладевает Эйнштейном, что он возводит ее в закон постоянства скорости света, сформулированный им в работе «О принципе относительности» следующим образом: «…Закон постоянства скорости света в пустоте должен выполняться для движущихся относительно друг друга наблюдателей таким образом, что один и тот же луч света имеет одну и ту же скорость относительно всех этих наблюдателей» [20, с. 37].

Этот закон становится важной основой для разработки специальной теории относительности (СТО).

Следует отметить, что сегодня в мире ученых отношение к СТО двоякое. Большая часть ученых считает специальную теорию относительности современной физической теорией пространства – времени [70, с. 55]. Другая часть ученых относится к СТО крайне отрицательно, считая ошибочными закон постоянства скорости света и преобразования Лоренца, использованные в качестве математической основы этой теории [20, 22, 79].

Но два постулата, лежащие в основе СТО, несовместимы, поскольку, согласно принципу относительности Галилея, один и тот же луч света не может иметь одну и ту же скорость относительно наблюдателей, движущихся относительно друг друга.

Эйнштейн упорно ищет выход из создавшегося положения и находит его в пересмотре важнейших положений классической физики – абсолютности пространства и времени.

Опираясь на геометрию Римана и Лобачевского, Эйнштейн вводит понятия относительности пространства и времени, под которой понимается изменение размеров тела (пространства) и хода времени в разных системах отсчета. То есть, если пространство и время относительны, то размер единицы длины (например, метра) и длительность единицы времени (например секунды) в подвижной и неподвижной системах отсчета имеют разные величины.

В работе «Что такое теория относительности?» Эйнштейн отмечает, что принципы относительности и постоянства скорости света являются непримиримыми, но «специальная теория относительности сумела их примирить ценой видоизменения кинематики, иначе говоря, ценой изменения физических представлений о пространстве и времени» [70, с. 60].

Ну как тут не вспомнить шутливое стихотворение неизвестного, к сожалению, автора:

 
Был мир земной кромешной тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон!
Но сатана недолго ждал реванша:
Пришел Эйнштейн и стало все, как раньше.
 

Итак, в специальной теории относительности Эйнштейн обосновал новую кинематику, базирующуюся на относительности пространства и времени, благодаря чему ему удалось выдвинутый им закон постоянства скорости света подчинить принципу относительности.

Кроме того, в специальной теории относительности Эйнштейну удалось установить органическую связь между пространством и временем и объединить их в единый пространственно-временной континуум – «пространство-время». Оказалось, что для описания физических процессов необходимо использовать четырехмерное пространство-время, положение точки в котором определяется тремя пространственными координатами X, Y, Z и временной координатой ct, где c = 300 000 км/с – скорость света в пустоте [70, с. 74]. Геометрические свойства такого пространства-времени описываются геометрией Евклида.

Это положение специальной теории относительности не вызывает противоречивых суждений со стороны ученых.

Разработав специальную теорию относительности, Эйнштейн задумывается о том, как на новую научную базу поставить вопросы гравитации, то есть как разработать теорию гравитации (тяготения). Такая теория была им разработана в общей теории относительности (ОТО), называемой также теорией тяготения.

Закон всемирного тяготения Эйнштейна сформулирован так: движение масс вызывается искривлением пространства, искривление пространства вызывается населяющей его материей [105, с. 273].

Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую ньютонову» Вселенную безграничной, но конечной Вселенной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как искривляется любая замкнутая поверхность.

Согласно теории тяготения, геометрические свойства пространства-времени зависят от распределения в пространстве тяготеющих масс и их движения. Подобно тому, как вокруг движущихся электрических зарядов создается электромагнитное поле, так в пространстве, окружающем всякое тело, создается поле тяготения.

Вся безграничная Вселенная наполнена телами, будь то гигантские звезды или мельчайшие частицы космической пыли. Массы этих тел (величина масс, их взаимное расположение, их относительное движение) создают поля тяготения, гравитационные поля, которые существуют и меняются в пространстве и времени. И свойства этих полей накладывают неизгладимый отпечаток на то пространство и то время, в котором они существуют. Тяготеющие массы искривляют четырехмерный мир пространства-времени, в котором движутся тела. В свою очередь, это искривленное пространство-время-поле тяготения определяет движение масс, их траекторию и их скорость.

Получается тесная взаимная связь: массы рождают поле, поле управляет движением, поведением масс.

Геометрия такого искривленного четырехмерного мира уже не будет евклидовой.

Таким образом, тела, создающие гравитационные поля, «искривляют» реальное трехмерное пространство и по-разному изменяют ход времени в различных его точках. Поэтому движение тела в поле тяготения оказалось возможным рассматривать как движение по инерции, но в искривленном пространстве-времени.

Подводя итоги, можно сказать, что Эйнштейн впервые показал глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства-времени с физическими проблемами гравитации. Ему удалось представить гравитационные поля через кривизну четырехмерного пространства-времени.

Своей выдающейся работой по теории относительности Эйнштейн разорвал путы, сковавшие механику. Теория относительности не отвергла механику Ньютона. Она отвела ей более скромное место науки, справедливой для движений, медленных по сравнению со скоростью распространения света.

На основании своей теории Эйнштейн предсказал два неизвестных ранее эффекта – искривление траектории светового луча в поле тяготения и уменьшение частоты света, проходящего вблизи больших масс, – и объяснил странности в смещении перигелия Меркурия. Эти эффекты теория тяготения Ньютона не объясняла. Когда эффекты, указанные Эйнштейном, были подтверждены экспериментально, общая теория относительности получила всеобщее признание.

«Создание ОТО представлялось мне тогда и представляется сейчас величайшим достижением человеческого мышления в познании природы, поразительным сочетанием философской глубины, физической интуиции и математического искусства», – писал один из основателей квантовой механики Макс Борн [105, с. 286].

В теории относительности материальной средой, взаимодействующей с тяготеющими телами, является само Мировое пространство. Оно взяло на себя некоторые (но далеко не все) функции прежнего эфира. После того, как максвеллово понятие поля было распространено Эйнштейном и на гравитацию, физические поля приняли на себя обязанность передачи действия. Потребность в прежнем эфире исчезла. С появлением теории относительности, поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности.

Само свойство упругости, столь важное для эфира, оказалось у всех материальных тел связанным с электромагнитным взаимодействием частиц. Говоря иными словами, не упругость эфира давала основу электромагнетизму, а электромагнетизм служил основой упругости вообще.

Упругие свойства «пустого» пространства описываются десятью так называемыми вакуумными уравнениями Эйнштейна [110, с. 7], которые не содержат никаких констант и записаны в криволинейных координатах [23, с. 67]. Позже академик Я. Б. Зельдович выскажет следующее предположение по поводу упругости пространства: «…Вакуумные уравнения Эйнштейна описывают упругость пространства. Может быть, эта упругость целиком определяется эффектами поляризации вакуума» (69, с. 103). Как показало время, Зельдович оказался прав.

Так что же, значит, мировая материальная среда стала физике не нужна? Значит, надо возвращаться к пустоте? Пожалуй, следует сказать так: эфир в свое время действительно придумали потому, что он был нужен; в начале XX века надобность в старом эфире со всем набором противоречивых свойств отпала; однако, как полагал сам творец теории относительности, некая вездесущая материальная среда все-таки должна была существовать и обладать определенными свойствами.

Позднее эту новую материальную среду Эйнштейн вновь предлагал назвать эфиром. В двадцатые годы нашего столетия, уже после публикации классических трудов по специальной и общей теории относительности Эйнштейн не раз повторял в статьях: «Эфир существует. Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира…»; «Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами» [69, с. 56].

Но «континуум, наделенный физическими свойствами», – это не прежний эфир. У Эйнштейна определенными (новыми для науки) физическими свойствами наделяется само пространство. Для общей теории относительности этого достаточно, никакая особая материальная среда сверх того в этом пространстве ей не нужна. В конце концов, общая теория относительности есть теория гравитации – не больше и не меньше. Однако само пространство с новыми физическими свойствами можно было бы вновь назвать эфиром.

Но в современной физике «власть над миром» вместе с теорией относительности делит квантовая теория поля. Она же, со своей стороны, обнаружила в пространстве Эйнштейна весьма специфическую материальную среду с необычными свойствами. Материальная среда, общая для теории относительности и для квантовой теории поля, была названа физическим вакуумом. Наука не решилась снова вернуться к термину «эфир».

Итак, в начале XX века была принята в естествознании новая научная парадигма, содержательной базой которой являлись принцип относительности Эйнштейна, геометрия пространства Римана – Эйнштейна и универсальная материальная среда – физический вакуум.

В заключение стоит подчеркнуть, что ни одна другая теория не оказала такого революционного влияния на физику и науку в целом, как теория относительности Эйнштейна (по масштабам теорию Эйнштейна можно сравнить только с теорией Ньютона, заложившего основы современного естествознания). Отказавшись от привычных представлений, Эйнштейн предложил совершенно новые толкования пространства, времени и массы, что потребовало коренной перестройки основных понятий и идей.

Как любопытный факт, отметим, что Эйнштейн не получил Нобелевской премии ни за одну из своих работ по теории относительности. (В 1921 году он был удостоен Нобелевской премии за теорию фотоэффекта, опубликованную еще в 1905 году.) Это, несомненно, свидетельствует о том, что теория относительности показалась прежним нобелевским лауреатам, обсуждавшим новые кандидатуры, слишком радикальной [79, с. 428].