Специальная теория относительности не является трудом одного человека, она возникла в результате совместных усилий группы великих исследователей - Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского. (Макс Борн (1959))

Таким образом, Анри Пуанкаре еще в конце прошлого столетия в ходе обсуждения проблемы выдвинул основные положения, необходимые для аксиоматического построения релятивистской теории. Он не только выдвинул принцип относительности, но и обратил внимание на необоснованность неявно существовавшего интуитивного представления об одновременности разноместных событий, т.е. на самый узловой момент, на основе пересмотра которого затем было достигнуто объединение, казалось бы, противоречащих друг другу исходных постулатов теории. Следовательно, крупнейшим математиком того времени Пуанкаре был сделан решающий вклад в открытие именно физических принципов построения релятивистской теории. Опубликованные в научной печати фундаментальные физические положения будущей теории завершили процесс идейной подготовки создания теории относительности и обеспечили тем самым необходимые условия для окончательного решения проблемы. Полагаю, что именно этой завершенностью идейной подготовки объясняется тот факт, что эта проблема, остро вставшая перед физиками, была решена в течение сравнительно короткого времени (в 1904-1905 годах) тремя выдающимися учеными: Хендриком Лоренцем, Анри Пуанкаре и Альбертом Эйнштейном.

Конечно, сам поиск радикального пути решения проблемы, в основе которого лежал отказ от принципов классической механики, и стал возможен только после того, как было преодолено догматическое отношение к научному наследию и, в частности, получила признание критика ньютоновской формулировки механики. Начиная с 1872 г. Эрнст Мах неоднократно выступал с критикой традиционной формулировки принципа инерции, включающей понятие абсолютного движения, которое отрицалось всем содержанием классической механики. Дальнейшему развитию формулировки механики были посвящены работы Эрнста Маха, Густава Кирхгофа, Густава Людвига Герца и др. Только глубокое понимание основ классической механики позволило отдельным исследователям уяснить ее непригодность для объяснения экспериментальных данных в новых областях физических явлений и выступить с программой коренных изменений господствующих тогда физических воззрений

Созданием новой релятивистской механики в те годы занимался прежде всего сам автор исходных постулатов теории относительности. В сентябре 1904 г. Пуанкаре представил доклад на Международный конгресс искусства и науки в Сент-Луисе, в котором четко обрисовал основные особенности новой механики. В частности, он вновь отстаивает “принцип относительности, согласно которому законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение. ”, и в конце доклада характеризует основные черты будущей механики: “Возможно даже, мы должны создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причем скорость света являлась бы непреодолимым пределом”. В этом же докладе, Пуанкаре несколько развивает данную им ранее интерпретацию местного времени на основе рассмотрения синхронизации часов световым сигналом, отмечая принципиальную невозможность обнаружить какое-либо несоответствие местного времени физическим явлениям в движущейся системе и тем самым установить абсолютное движение: “Часы, отрегулированные таким образом (Раздел II), не будут показывать истинное время. Они показывают так называемое местное время. Одни из них отстают. Это не имеет большого значения, поскольку у нас нет средств заметить это. Все явления, которые происходят, например, в пункте А, будут запаздывать, но все останется точно таким же, и наблюдатель не заметит этого, поскольку его часы отстают. Таким образом, как этого требует принцип относительности, у наблюдателя не будет никакой возможности узнать, находится ли он в покое или в абсолютном движении”

Также была представлена работа Джозефа Лармора, с которой судьба обошлась, пожалуй, наиболее несправедливо. В которой впервые были открыты новые преобразования пространственно-временных координат, отвечающие строгому выполнению принципа относительности в электродинамике. Эти преобразования в последующем были названы "преобразованиями Лоренца", хотя за два года до Лоренца и за восемь лет до Эйнштейна были представлены Лармором. На этот фундаментальный результат широко известной книги Лармора “Эфир и материя" первоначально вообще не было обращено внимания. В своих исследованиях, например, Поль Ланжевен (французский физик многое сделавший для распространения теории относительности во Франции, а также сформулировавший Парадокс близнецов) часто ссылался на эту книгу. Но только в работе 1905 г. он упоминает монографию Лармора в связи с проблемой невозможности обнаружения движения Земли. Причем он характеризует работу Лоренца 1904 г. как дальнейшее развитие собственных работ 1892 и 1895 гг. и работы Лармора, не замечая, что цитируемая работа Лармора уже содержала строгое решение проблемы электродинамики движущихся тел. Конечно, такая судьба работы первооткрывателя была предопределена весьма неполным и нечетким объяснением преобразований, признание которых было связано с радикальными изменениями сложившихся физических представлений. Найденное Лармором решение фундаментальной проблемы затерялось даже внутри самой монографии автора среди множества других рассмотренных вопросов.

В мае 1904 г. появляется статья Лоренца “Электромагнитные явления в системе, движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света”, содержавшая фактически полное решение проблемы.

Однако для Лоренца, верного традициям старой классической школы физиков, был совершенно неприемлем подсказанный постулатами Пуанкаре аксиоматический путь построения новой физической теории. Лоренц явно исключал какую-либо возможность взять в качестве изначального постулата универсальный принцип относительности, доказательство существования которого, по его твердому убеждению, и должно составлять содержание физической теории. Поэтому влияние взглядов Пуанкаре сказалось только на выборе Лоренцем конечной цели “с помощью определенных основных допущений показать, что электромагнитные явления строго, т.е. без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы”. Конечно, сама постановка задачи построения электромагнитной теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, уже заключала в себе самый трудный для Лоренца шаг, состоящий в отказе от надежд обнаружить движение тел относительно эфира, над обоснованием свойств которого он упорно трудился начиная с 1875 г. Однако в новой своей работе Лоренц не изменяет идее существования светоносного эфира. Он фактически ставит задачу отыскания неизвестных ранее свойств эфира, влиянием которых на физические явления объяснялась бы невозможность наблюдения движения тел относительно эфира. Эта логика постановки задачи нашла соответствующее отражение и в трактовке полученных результатов. В идейном отношении Лоренц продолжал оставаться в плену старого представления о необходимости привлечения свойств эфира для объяснения наблюдаемых эффектов, и это помешало ему установить истинный смысл полученных им теоретических результатов и прийти к полному завершению начатого им пути построения теории относительности.

Работа Лоренца фактически состояла из двух последовательных частей со своими исходными допущениями. Это:

1) электродинамика в движущейся системе и 2) физическое обоснование сокращения размеров движущихся твердых тел, основанное на обобщении полученных в первой части результатов.

Анри Пуанкаре, выдвинувший еще в конце прошлого столетия основные физические принципы СТО, в 1905 г. закончил свой фундаментальный труд, содержащий строгое математическое построение новой физической теории. Краткую статью об этой работе, озаглавленную “О динамике электрона”, он опубликовал в сообщениях Французской академии от 5 июня 1905 г. Свою работу Пуанкаре рассматривал только как более строгое математическое развитие физической теории, созданной за год до этого Лоренцем. В самом начале своей основной статьи он писал: “ Невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет, по-видимому, общий закон природы; мы, естественно, приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и принять без оговорок”. Вслед за этим Пуанкаре отмечает, что Лоренцу, в работе 1904 г, удалось достигнуть полного соответствия с постулатом относительности, и следующими словами характеризует свое фундаментальное исследование: “Важность вопроса побудила меня снова заняться им; результаты, полученные мною, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц. Я стремился только дополнить и видоизменить их в некоторых деталях. Некоторые имеющиеся расхождения, как мы увидим дальше, не играют существенной роли”

Свое исследование Пуанкаре представил в виде обширного математического трактата, в котором, в отличие от прошлых своих работ по этой проблеме, он уже не прибегает к обоснованию и объяснению основных положений теории на таких простейших примерах физических измерений, как рассмотрение синхронизации часов световым сигналом. Это обстоятельство, как и публикация статьи в математическом журнале, имело прямое отношение к тому, что работа Пуанкаре долгое время не получала должной оценки. Во всяком случае, его фундаментальное исследование, к сожалению, не оказало заметного влияния на взгляды ученых в период формирования теории относительности.

В сентябрьском номере журнала “Annalen der Physik” за 1905 г, появилась статья “К электродинамике движущегося тела” тогда еще неизвестного молодого ученого Альберта Эйнштейна. Именно эта работа сыграла решающую роль в утверждении идей теории относительности в науке и сразу же обратила на себя большое внимание. Чтобы подчеркнуть необычность возникшего внимания и указать на нетривиальность объяснения огромного успеха работы молодого ученого, заметим, что статья Эйнштейна не содержала ни одного нового соотношения или нового физического эффекта, не опубликованного до 1905 года. И в то же время статья эта не содержала ни одной прямой литературной ссылки. По этому поводу М. Борн позднее так писал о статье Эйнштейна: "Поразителен тот факт, что она не содержит ни одной ссылки на предшествующие работы. Она создает у вас впечатление чего-то совершенно нового в науке. Но это, как я старался показать, конечно, не так". В полном соответствии с ранними работами Пуанкаре, в статье Эйнштейна рассматривалась синхронизация часов световыми сигналами в предположении, что в каждой системе отсчета скорость распространения светового сигнала в прямом и обратном направлении принимается равной одной и той же величине с. К этому остается лишь добавить, что полным отсутствием ссылок статья Эйнштейна резко нарушала все сложившиеся в научном обществе самые элементарные правила написания научных трудов.

Однако имеющаяся всегда в нашем распоряжении возможность сопоставления фактического содержания работ, помимо большого самостоятельного интереса сравнительного изучения различных путей решения проблемы, позволяет нам также судить о том, насколько вообще относится к делу выяснение вопроса о знакомстве Эйнштейна с той или иной более ранней работой. Так, совершенно очевидно, что построение теории относительности в статье Эйнштейна коренным образом отличается от лоренцевского подхода. Вместо теоретического обоснования принципа относительности, имеющегося в работе Лоренца 1904 г., Эйнштейн кладет этот принцип в основу теории в качестве исходного постулата.

Вместе с тем, следовало бы обратить внимание на непосредственную связь аксиоматического пути построения теории, избранного Эйнштейном, с идеями и конкретными установками, изложенными в более ранних и широко известных работах Пуанкаре. Исходные принципы, принятые Эйнштейном для построения теории, точно совпадают с постулатами, задолго до этого выдвинутыми Пуанкаре. Такое совпадение, как и уже отмеченное нами совпадение в деталях объяснения понятия одновременности и равноправности собственных времен на примере синхронизации часов световым сигналом, не может быть случайным.

Статья содержала аксиоматический путь построения теории на основе двух исходных принципов:

1) принципа относительности, согласно которому "законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся" и 2) принципа независимости скорости распространения света от движения испускающего его источника.

Эйнштейн лишь подводит итог подробно обсужденных в научной литературе экспериментов, отмечая на первой же странице своей статьи, что "неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно "светоносной среды" ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, даже более того - к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, имеют место те же самые элекродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка". "Мы намерены это предположение превратить в предпосылку и сделать добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно: что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела".

Но это второе исходное положение всего теоретического построения в статье не только не обосновывается, но и не обсуждается. Единственным обоснованием этому положению служило тогда теоретическое представление о существовании особой светоносной среды - эфира, пронизывающего все тела и остающегося неподвижным при их движении. В своей статье Эйнштейн провозгласил устранение эфира из физических представлений основным результатом своего исследования, и поэтому, видимо, автор счел непоследовательным обращаться к свойствам отрицаемого им гипотетического эфира. Лишь позднее в 1912 г. Эйнштейн делает признание о заимствовании им принципа постоянства скорости света из лоренцевской теории неподвижного эфира. Так, он писал: "Общеизвестно, что нельзя обосновать теорию законов преобразования пространства и времени на одном лишь принципе относительности. Чтобы заполнить этот пробел, мы ввели позаимствованный из лоренцевской теории покоящегося светоносного эфира принцип постоянства скорости света. "

Тем ни менее, выяснение влияния исходных идей Пуанкаре на творчество Эйнштейна не может уменьшить его действительных заслуг как одного из создателей СТО. И как ни велика была заслуга первооткрывателя новых принципов, наметивших путь решения проблемы электродинамики движущихся тел, все-таки завершающий этап создания на их основе новой физической теории, коренным образом изменившей основные физические представления о времени и пространстве, безусловно, требовал гениальной проницательности и большой смелости суждений. В отличие от многих других исследователей, которым также были хорошо известны высказанные Пуанкаре новые идеи, критический ум Эйнштейна оказался способным воспринять их, несмотря на, казалось бы, явное противоречие исходных положений о принципе относительности и независимости скорости света от движения источника, и дать на основе этих постулатов самостоятельное построение физической теории. Независимость работы Эйнштейна в этой завершающей стадии создания новой физической теории от аналогичных работ Лоренца и Пуанкаре проявилась в целом ряде принципиальных отличий даваемой ими трактовки созданной теории. Прежде всего в работе Эйнштейна было наиболее явно подчеркнуто, что решение проблемы электродинамики движущихся тел связано с коренными изменениями физических представлений о пространстве и времени. Построение Эйнштейна было свободно от ошибок лоренцевского объяснения релятивистских эффектов. Но вместе с тем в статье Эйнштейна не содержалось новых предсказаний каких-либо физических эффектов, о которых не говорилось бы в работах Лармора и Лоренца.

Основной вклад Эйнштейна состоял в объединении ранее обсуждавшихся принципов в стройную теоретическую схему и в существенном развитии интерпретации новой теории, в котором известные из более ранних работ Пуанкаре наглядные объяснения понятия одновременности разноместных событий и физического смысла местного времени совмещались с принципиально новой постановкой вопроса об обратимости предсказываемых релятивистских эффектов. Именно эти преимущества работы Эйнштейна значительно ускорили признание научной общественностью новой физической теории с необычными, казалось бы, парадоксальными выводами

И несмотря на столь существенное отступление от правил, именно эта статья сыграла первостепенную роль в признании теории передовыми учеными того времени. Но, отмечая преимущества статьи Эйнштейна по сравнению с параллельными работами других авторов, не следует впадать в крайность и считать, что этими важными для признания теории преимуществами одного из первых изложений теории сколько-нибудь исчерпывался сам предмет научного исследования. На самом же деле работы Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна, дополняя друг друга, вскрывали разные стороны проблемы, и, в том числе, важнейшее понимание абсолютного содержания теории.

История завершающего периода создания специальной теории осложнена лишь различием в оценках значения известных параллельных работ и проистекающим отсюда недостаточным вниманием к альтернативным подходам. В этих расхождениях проявились, прежде всего, объективные трудности понимания теоретических построений - в одном случае, и постижения логики размышления - в другом случае. Но, к сожалению, здесь присутствовала и необъективность оценок работ, вызванная склонностью выделить работу, первую получившую широкое признание. Конечно, в историческом анализе не следует впадать в крайности, и нужно трезво оценивать как значение первых, но весьма еще нечетких формулировок новой физической теории (Лармор, Лоренц), так и преимущества возникших более позднее изложений той же теории (Эйнштейн, Пуанкаре, Минковский). Тогда при объективном рассмотрении нетрудно будет установить, что эта теория, как и квантовая механика, создана рядом выдающихся ученых начала XX века.

Феномен из патентного бюро

Представим молодого сотрудника патентного бюро, вступившего на поле "чистой" науки, который обладает незаурядными способностями и способен среди идей, разбросанных по многим научным журналам, выделить действительно перспективные. Такому ученому, увидевшему среди россыпи идей сразу несколько перспективных научных предложений для приложения собственных способностей, может, конечно, помешать только распыление своих сил. Но при удачном исходе собственных исследований ему, как воспитанному на законах патентного права, будет нелегко признаться в использовании незавершенных идей других авторов.

Это могло бы показаться пустыми домыслами о гении, попавшем на богатые россыпи незавершенных идей, если бы не Альберт Эйнштейн. В 1905 г. он опубликовал в центральном немецком журнале четыре статьи по самым актуальным в то время направлениям, находящимся в центре внимания физиков разных стран. В каждом из этих направлений, можно сказать, уже назревало радикальное решение проблемы, подготовленное предыдущими исследованиями. Но чтобы один автор в один год дал существенное продвижение сразу по четырем направлениям, такого в истории физики еще никогда не было, не только до 1905 г., но и во все последующие годы бурного развития физики.

Физика, накопив свои проблемы, словно ждала прихода такого проницательного ученого. Так, например, давно ждала своего решения проблема доказательства существования атомов и молекул. Нуждалась в дальнейшем развитии и радикальная гипотеза Планка о дискретных уровнях осцилляторов вещества. Требовала объяснения давняя проблема невозможности наблюдения каких-либо эффектов, связанных с абсолютным движением системы через эфир. Также окончательного решения ждала проблема взаимосвязи энергии и массы.

Конечно, молодому ученому вполне естественно было начать свою научную деятельность с продолжения более традиционных исследований маститых ученых. Но молодой Эйнштейн выбрал для себя смелый путь развития радикальных идей предшественников, а риск остаться непризнанным гением он, похоже, решил уменьшить реализацией смелых начинаний в разных направлениях. Опубликовав в один год свои фундаментальные исследования по важнейшим проблемам новейшей физики, он заявил о себе всему научному миру как об ученом, обладающем необыкновенным чувством нового и редкой способностью развивать самые смелые начинания других ученых. На эту удивительную особенность творчества молодого ученого обратил внимание Анри Пуанкаре, который в своем ответе на поступивший в конце 1911 г. запрос швейцарских коллег писал: "Г-н Эйнштейн - один из самых оригинальных умов, которые я знал. Несмотря на свою молодость, он уже занял весьма почетное место среди ученых своего времени. То, что нас больше всего должно восхищать в нем, это легкость, с которой он приспосабливается к новым концепциям и умеет извлечь из них все следствия".

Конечно, не только поразительная склонность Альберта Эйнштейна к новым нетрадиционным научным решениям, но и тщательность анализа позволила ему, новому исследователю, включиться в поиски радикального решения важнейшей физической проблемы и встать в один ряд с такими выдающимися авторитетами теоретической физики, как Лоренц и Пуанкаре.

О полном отсутствии ссылок на предшествующие работы в статьях Эйнштейна 1905 г. мы уже говорили. Так что это стремление к полному сокрытию молодым Эйнштейном научных источников своих открытий представляет собой неоспоримый факт, неоднократно подтвержденный его первыми публикациями по каждой новой теме. (Предположением было лишь соображение о происхождении этой ненормальности под влиянием работы в патентном бюро.) Сам же факт сокрытия литературных источников своих открытий вынуждает нас для установления связи с предшествующими исследованиями исходить в основном из сопоставления содержания его работ с ранее опубликованными материалами. А старый принцип научного сообщества, по которому отсутствие ссылки на ранее опубликованные статьи указывает на самостоятельный приход автора к ранее опубликованному результату, мы должны считать полностью неприменимым к научным трудам Эйнштейна. Но в то же время мы должны отклонять подобные соображения о предполагаемом изучении конкретной статьи в том случае, когда имеется утверждение самого Эйнштейна, отрицающее его знакомство с данной работой, поскольку мы располагаем лишь фактами умалчивания ученого о своих предшественниках, а вовсе не ложных свидетельств по данному поводу.

Так, в 1907 г. Эйнштейн затронул этот вопрос в своей новой статье о массе и энергии, закончив вводную часть словами: "Представляется естественным, что последующее могло быть уже частично выяснено другими авторами раньше; однако, принимая во внимание, что затронутые здесь вопросы обсуждаются с новой точки зрения, я позволю себе отказаться от весьма затруднительного для меня просмотра литературы, надеясь, что этот пробел будет восполнен другими, как это уже было любезно сделано гг. Планком и Кауфманом в отношении моей первой работы о принципе относительности"

Неуместность такой позиции автора станет очевидной, если напомнить, что речь идет не просто о некотором недосмотре при составлении библиографического списка, а о полном отсутствии каких-либо ссылок в работе, посвященной важнейшему теоретическому построению на основе выдвинутых ранее исходных положений этой теории.

Таким образом представлять Эйнштейна единственным создателем СТО, как это делают многие авторы, совершенно несправедливо.

теория относительность уиттекер релятивистский

Использованная литература

1. Тяпкин А.А. Новый подход в преподавании основ релятивистской механики.

2. Тяпкин А.А. Выражение общих свойств физических процессов в релятивистской метрике пространства и времени.

3. Визгин В.П. Релятивистская теория тяготения (История и формирование, 1900-1915).

4. Логунов А.А. Лекции по теории относительности.

5. Зелиг К. Альберт Эйнштейн.

Размещено на Allbest.ru