Почему Эйнштейн не сослался на опыт Майкельсона?
Первые результаты измерения скорости света Альберт Абрахам Майкельсон опубликовал в 1879 году, когда ему не исполнилось ещё и двадцати семи лет. В том же году родился Альберт Эйнштейн и умер Джеймс Клерк Максвелл. Шестью годами раньше, в 1873-м, был опубликован двухтомник Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». В нём содержались знаменитые уравнения электромагнитного поля, которыми Максвелл заложил основы классической электродинамики, математически оформив идею Майкла Фарадея, что заряды и магниты взаимодействуют не на расстоянии, а через свойства окружающей их среды, которые они и формируют. Другими словами, Фарадей предложил, а Максвелл поставил на прочный математический фундамент понятие электромагнитного поля. Можно сказать, что уравнениями Максвелла описывается всё разнообразие электромагнитных явлений…
Облако на горизонте динамической теории света
…Максвелл, как и все его современники, не сомневался, что всё пространство во Вселенной заполнено эфиром. В статье «Эфир», подготовленной для Британской энциклопедии, он утверждал: «Не может быть сомнений в том, что межпланетное и межзвёздное пространство не является пустым, а заполнено некой материальной субстанцией или телом, несомненно наиболее крупным и, возможно, самым однородным из всех известных тел»1.
Эфир представлялся средой, находящейся в абсолютном покое по отношению к неподвижным звёздам. Через эту среду Земля движется так, как будто она была прозрачной для эфира. Но если Земля движется сквозь эфир, то и эфир должен двигаться относительно Земли, образуя так называемый эфирный ветер. А вот обнаружить этот загадочный ветер экспериментально никому не удавалось.
Попытался и Джеймс Клерк Максвелл, но и у него ничего не получилось, о чём он сообщил в упомянутой статье в Британской энциклопедии. Максвелл пришёл к выводу, что в наземных условиях точности измерений скорости света недостаточно. О своих неудачах и сомнениях он рассказал директору Вашингтонского бюро морских альманахов Дэвиду Тодду в письме от 19 марта 1879 года. Малышу Альберту Эйнштейну как раз исполнилось пять дней.
После смерти Максвелла, последовавшей через восемь месяцев, письмо было напечатано в журнале «Nature». Там его и прочитал Альберт Абрахам Майкельсон, в это время работавший над диссертацией в Берлине у Гельмгольца. Опыт измерения скорости света в наземных условиях у Майкельсона уже был, поэтому к мнению Максвелла о невозможности зафиксировать эфирный ветер на Земле он отнёсся критически.
Майкельсон усовершенствовал свою методику измерения скорости света, построил специальный прибор — интерферометр, использовавший интерференцию двух пучков света: продольного (по направлению движения Земли) и поперечного (в перпендикулярном направлении), и провёл серию экспериментов в Потсдаме под Берлином. Результаты этих опытов Майкельсон опубликовал в статье, вышедшей в августе 1881 года в старейшем американском научном журнале «American Journal of Science». Вывод статьи: эфирный ветер не обнаружен, так что гипотеза неподвижного эфира ошибочна. К этому времени Майкельсон вернулся в США, работал в Институте прикладных наук Кейса в Кливленде.
На статью Майкельсона обратил внимание профессор теоретической физики Лейденского университета Хендрик Антон Лоренц. Он поставил под сомнение достоверность результатов описанных в ней экспериментов. Пришлось Майкельсону внести коррективы в конструкцию интерферометра и вместе с коллегой Эдвардом Уильямсом Морли, тоже из Кейсовского колледжа Западного резервного района в Кливленде, провести ещё одну серию опытов, сомневаться в достоверности которых уже было невозможно. Результаты новых экспериментов были опубликованы в том же журнале «American Journal of Science» в 1887 году. Теперь и строгий Лоренц согласился с выводами экспериментаторов, не обнаруживших эфирного ветра, а патриарх английской физики Уильям Томсон, ставший к тому времени лордом Кельвином, отчитываясь о достижениях физики в XIX веке перед Королевским обществом в Лондоне 27 апреля 1900 года, признал опыт Майкельсона—Морли 1887 года «выполненным с максимально возможной тщательностью, обеспечивающей достоверность полученного результата»2.
Майкельсон и Морли неоднократно повторяли свой эксперимент, впоследствии к ним присоединился Дайтон Кларенс Миллер, тоже работавший в Кливленде. Экспериментаторы меняли условия опыта, в частности, поднимали интерферометр из подвального помещения на вершину горы, чтобы исключить влияние подвала, но результат от этого не менялся — неподвижный эфир обнаружить не удавалось. Последняя попытка Майкельсона обнаружить эфирный ветер состоялась в 1929 году. В упомянутой речи в Королевском обществе в 1900 году лорд Кельвин назвал проблему движения материальных тел относительно эфира «облаком XIX века на горизонте динамической теории теплоты и света»3. Именно это облако предстояло развеять Альберту Эйнштейну в 1905 году.
1 Цитируется по: Пайс Абрахам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под редакцией А. А. Логунова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989. С. 107.
2 Kelvin William Thomson, Baron. Baltimore lectures on molecular dynamics and the wave theory of light. London: C. J. Clay and sons, 1904. Appendix B. P. 492.
3 Kelvin William Thomson, Baron. Baltimore lectures on molecular dynamics and the wave theory of light. London: C. J. Clay and sons, 1904. Appendix B. P. 486.
К электродинамике движущихся тел
Статья, в которой впервые в законченном виде была предложена специальная теория относительности и объявлено, что введение «светоносного эфира» является излишним4, была написана в рекордно короткий срок — сам автор оценивает его в пять недель (см. ниже). Статья поступила в редакцию журнала «Annalen der Physik» 30 июня 1905 года. Её выходу предшествовали десять лет напряжённых раздумий. В «Автобиографических набросках», опубликованных уже после смерти их автора, Альберт Эйнштейн вспоминал, когда он, будучи ещё школьником, впервые задумался о связанных с распространением света проблемах. «В том же году [1895] в Аарау у меня возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое всё-таки кажется невозможным! Это был первый детский мысленный эксперимент, который относился к специальной теории относительности. Открытие не является делом логического мышления, даже если конечный продукт связан с логической формой»5.
О трудностях, с которыми он столкнулся, Эйнштейн рассказал в лекции, прочитанной в японском городе Киото в декабре 1922 года: «В то время я был уверен в справедливости уравнений электродинамики Максвелла—Лоренца. Более того, из них вытекали соотношения так называемой инвариантности скорости света, вследствие чего эти уравнения должны быть справедливы и для движущихся систем отсчёта. Однако инвариантность скорости света противоречила известному из механики правилу сложения скоростей. Пытаясь разрешить это противоречие, я столкнулся с огромными трудностями. Я потратил впустую почти год, пытаясь несколько видоизменить идеи Лоренца, и пришёл к выводу, что загадка совсем не проста»6.
Но в один прекрасный день — так его назвал Эйнштейн в своей киотской лекции — ему помог друг со студенческих времён Мишель Бессо, работавший с 1904 года в том же Патентном ведомстве в Берне, что и Альберт. Бессо был идеальным партнёром в научных беседах: умел слушать и задавать нужные вопросы. Один из вопросов попал в яблочко: он повернул мысли Эйнштейна в нужное направление. Вот как сам автор теории относительности это формулирует: «Решение заключалось в пересмотре понятия времени, т. е. оказалось, что время не может определяться абсолютно — имеется неразрывная связь между временем и скоростью распространения сигналов. На основе такого представления можно преодолеть все огромные трудности. Через пять недель с того момента, как я это осознал, специальная теория относительности была готова»7.
Июньская статья Эйнштейна написана по канонам евклидовой геометрии: вводятся два постулата и из них выводятся разные следствия. Постулаты выбраны такими:
«1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой 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 определённой скоростью V, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом»8.
Из них он строго логически выводит весь математический аппарат теории относительности: преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой (преобразования Лоренца), теорему сложения скоростей, сокращение длины движущегося стержня и др. В качестве одной из причин, побудивших автора построить фактически новую физику, Эйнштейн называет «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно ”светоносной среды”», но имени Майкельсона не называет. Другой причиной является «асимметрия, которая несвойственна самим явлениям»9.
В работе Эйнштейна, положившей начало теории относительности, отсутствует не только ссылка на опыт Майкельсона— Морли, в ней вообще нет ссылок на работы предшественников, хотя очевидно, что она возникла не на пустом месте. В тексте статьи упоминаются имена только Максвелла, Герца и Лоренца. В последующие годы, возвращаясь к истории своего открытия, Эйнштейн отчасти этот недостаток восполнил. Как он потом признавался не раз, ему были известны работы Лоренца, написанные до 1895 года. Более поздних его работ он не читал и о преобразованиях Лоренца не слышал. Их он переоткрыл в 1905 году самостоятельно. И работ Пуанкаре, где детально разбираются вопросы относительности движения, Эйнштейн тогда не читал. Вспомним и других предшественников Эйнштейна, внёсших вклад в теорию относительности.
4 Эйнштейн Альберт. К электродинамике движущихся тел. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I, с. 7—36. — М.: Наука, 1965. С. 8.
5 Эйнштейн Альберт. Автобиографические наброски. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том IV, с. 350—357. — М.: Наука, 1967. С. 350—351.
6 Цитируется по: Пайс Абрахам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под редакцией А. А. Логунова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989. С. 134.
7 Цитируется по: Пайс Абрахам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под редакцией А. А. Логунова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989. С. 134.
8 Эйнштейн Альберт. К электродинамике движущихся тел. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I, с. 7—36. — М.: Наука, 1965. С. 10.
9 Эйнштейн Альберт. К электродинамике движущихся тел. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I, с. 7—36. — М.: Наука, 1965. С. 7.
Предшественники
В классической механике Ньютона—Галилея при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой, движущейся относительно первой равномерно и прямолинейно, все законы механики должны выглядеть одинаково. Это так называемый принцип относительности в механике. В ХХ веке соответствующее преобразование координат стали называть преобразованием Галилея. На опыте принцип относительности соблюдается и в электродинамике, но уравнения Максвелла при преобразовании Галилея меняли свой вид. Потребовалось заменить преобразования Галилея новыми преобразованиями координат и времени, при которых уравнения Максвелла сохранялись бы. Сейчас такие преобразования носят имя знаменитого голландского физика-теоретика Хендрика Антона Лоренца. Однако первым написал формулы преобразований Лоренца немецкий профессор теоретической физики из Гёттингенского университета Вольдемар Фойгт, кстати, руководитель второй диссертации (хабилитации) Макса Борна10. В статье, опубликованной в 1887 году в трудах Гёттингенской академии наук, Фойгт привёл формулы, отличающиеся от известных сейчас преобразований Лоренца только масштабным множителем. Лоренц нашёл свои преобразования позже и независимо от Фойгта, но когда узнал о его результатах, сразу признал, что результаты Фойгта эквивалентны его собственным, а получены раньше11.
Опыт Майкельсона—Морли не давал покоя многим учёным: как могло получиться, что движение Земли в мировом эфире никак не сказывается на скорости света? Возможная разгадка этого парадокса пришла в голову сразу нескольким физикам. В 1889 году ирландец Джордж Фицджеральд сформулировал гипотезу, которая должна была объяснить загадочный результат опыта Майкельсона—Морли. В заметке 1889 года он написал: «…предлагаю гипотезу, позволяющую устранить возникшее противоречие: по мере движения материальных тел в эфире их длина изменяется пропорционально квадрату отношения их скорости к скорости света»12.
Эта гипотеза, конечно, далека от теории относительности и потому, что в ней присутствует эфир, и потому, что изменение длины рассматривается как абсолютная реальность, а не как изменение по отношению к неподвижному наблюдателю. Автор гипотезы предполагает, что причиной сокращения являются силы, другими словами, это явление динамики, а не кинематики, как в теории относительности Эйнштейна. Тем не менее сокращение Фицджеральда — Лоренца стало употребительным термином в истории науки, так как это сокращение вытекало и из преобразований Лоренца, окончательно сформулированных им в 1904 году. В этих преобразованиях фигурировало и новое время в движущейся системе координат, которое Лоренц назвал «местным временем», считая его вспомогательной величиной, не имеющей физического содержания.
Следует отметить и работу друга Фицджеральда Джозефа Лармора «Эфир и материя», опубликованную в 1900 году. В ней содержатся те преобразования, которые впоследствии получат имя Лоренца, и вывод из этих преобразований — сокращения Фицджеральда—Лоренца. Как сообщает Абрахам Пайс со слов ученика Лоренца Адриана Фоккера, «в Лейдене знали о том, что Лармор получил преобразования Лоренца раньше Лоренца»13, однако ни в переписке Лармора и Лоренца, ни в работах Лоренца об этих результатах ничего не говорится. Лекции Лармора слушал в Кембридже в 1907 году Макс Борн во время своей первой поездки в Англию после защиты диссертации. По его словам, он тогда ничего не понял, возможно, из-за ирландского акцента лектора14.
Ближе всех приблизился к теории относительности великий французский математик Анри Пуанкаре, много работавший и над физическими проблемами. В 1898 году в статье «Об измерении времени» он поставил под сомнение абсолютный характер понятия «одновременности». В 1900 году задолго до Эйнштейна Пуанкаре признал мировой эфир необязательным допущением. В 1904 году он объявил «местное время» Лоренца не фикцией, а реальностью. И принцип относительности он признавал справедливым. И предельную скорость в виде скорости света Пуанкаре допускал. Казалось бы, до окончательной формулировки теории относительности Пуанкаре достаточно сделать всего один шаг. Но он его не сделал. Вместо анализа следствий из принципа относительности и предельности скорости света Пуанкаре требует дополнительных гипотез о сокращении движущихся тел в направлении движения. Эйнштейн на этом месте ничего дополнительно не требовал. Всё, что ему было нужно, он выводил из двух постулатов: и преобразования Лоренца, и сокращение движущихся масштабов, и замедление хода движущихся часов... А Пуанкаре требуются «дополнительные гипотезы»! Это однозначно свидетельствует о том, что Эйнштейн был единственным учёным, кто открыл специальную теорию относительности, аккуратно и последовательно вывел все её следствия из двух постулатов. Все разговоры о том, что Пуанкаре раньше Эйнштейна пришёл к ней, нужно отбросить как беспочвенные.
10 Беркович Е. М. Альберт Эйнштейн в фокусе истории ХХ века. — М.: Ленанд, 2018. С. 125.
11 Пайс Абрахам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под редакцией А. А. Логунова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989. С. 119.
12 Цитируется по: Пайс Абрахам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под редакцией А. А. Логунова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989. С. 119.
13 Пайс Абрахам. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Пер. с англ. В. И. и О. И. Мацарских. Под редакцией А. А. Логунова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989. С. 124.
14 Беркович Е. М. Альберт Эйнштейн в фокусе истории ХХ века. — М.: Ленанд, 2018. С. 114
Теория относительности по Уиттекеру
И тем не менее не смолкают разговоры о том, что истинным автором теории относительности является не Эйнштейн, а Пуанкаре вместе с Лоренцем. Показателен случай с книгой Эдмунда Уиттекера «История теорий эфира и электричества». О ней подробно написал Эйнштейну его давний и верный друг Макс Борн в письме от 26 сентября 1953 года: «Престарелый математик Уиттекер, с которым я дружу, проживающий здесь в качестве почётного профессора, подготовил новое издание своей старой ”Истории теории эфира”, второй том которой уже вышел в свет. Он содержит, в числе прочего, также и историю создания теории относительности, с той особенностью, что её открытие приписывается Пуанкаре и Лоренцу, между тем как твои работы упоминаются лишь как второстепенные. Хотя книга происходит из Эдинбурга, я, собственно говоря, не боюсь, что тебе может прийти в голову, будто я стою за этим делом. Фактически вот уже три года, как я делал всё возможное, чтобы отговорить Уиттекера от его намерения, которое он давно лелеял и любил пропагандировать. Я перечитал старые оригинальные статьи, в том числе некоторые побочные статьи Пуанкаре, и снабдил Уиттекера английскими переводами немецких работ... Но всё было тщетно. Он настаивал на том, что всё существенное содержалось уже у Пуанкаре и что Лоренцу было вполне ясно физическое толкование. Ну, мне-то уже известно, сколь в действительности скептически был настроен Лоренц и как долго длилось, пока он стал ”релятивистом”. Всё это я рассказал Уиттекеру, но без успеха. Эта история злит меня, поскольку он пользуется большим авторитетом в говорящих по-английски странах, и многие ему поверят. К тому же мне в особенности неприятно, что в своё изложение он ввёл всевозможные частные сообщения по поводу квантовой механики таким способом, что моя роль в ней в особенности расхваливается, так что многие (если даже и не ты сам) могут додумать, что я сам дурным образом причастен к этому делу»15.
Ответ Эйнштейна показывает его величие не только как учёного, но и как человека, стоявшего выше мелкой возни вокруг вопросов приоритета: «Дорогой Борн! Выбрось из головы все мысли по поводу книги твоего друга. Каждый ведёт себя, как это представляется ему правильным, или, выражаясь детерминистически, как ему предначертано. Если он убедит других — это их дело. Что касается меня, то я во всяком случае нашёл удовлетворение уже в самом процессе своих усилий. Я не считаю, однако, разумным делом защищать пару своих результатов как свою ”собственность”, уподобляясь старому скряге, собравшему, надрываясь, пару грошей. Я не питаю к Уиттекеру и уж, разумеется, к тебе никакого зла. Да ведь вовсе и нет нужды мне читать эту штуку»16.
О намерениях свергнуть Альберта Эйнштейна с пьедестала величайшего учёного ХХ века Эдмунд Уиттекер откровенно писал сыну Джону в октябре 1950 года: «Я начинаю (хотя и медленно) работать над главой 2 тома 2 Истории эфира. Я перечитал (спустя почти 50 лет) статьи Пуанкаре, Лоренца и Лармора, написанные в 1899—1904 годы, и с удивлением понял, что они в те годы открыли всю теорию относительности. Первая статья Эйнштейна, которая появилась осенью 1905, не содержит ничего нового, если рассматривать только важные аспекты. Но она была опубликована в журнале ”Annalen der Physik”, который читают физики, в то время как великая статья Пуанкаре годом ранее была опубликована в ”Bulletin des Sciences Mathématiques”17, издаваемом Дарбу, который физики не читают, поэтому вся теория была приписана Эйнштейну, который капитализировал свою репутацию написанием книг на эту тему. Моё мнение об Эйнштейне сильно упало: его репутация покоилась главным образом на специальной относительности, которую он не открывал, и на общей относительности, которая (как сейчас твёрдо установлено) даёт неверные численные значения для отклонения лучей света у солнца. После 1918 года он не создал ничего ценного: и у него совершенно ложные идеи о философских аспектах квантовой теории