Принцип относительности и эфир

Среди основных принципов, которые должны сохраниться в будущей физике, Пуанкаре назвал в Сент-Луисе принцип относительности, утверждающий, что "законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение". Но к выводу о существовании всеобщего закона относительности, распространяющегося и на электромагнитные явления, он пришел еще задолго до этого.

В 1893 году английский физик-теоретик Джозеф Лармор представил Лондонскому королевскому обществу свою новую работу под названием "Динамическая теория электрической и светоносной среды". Чтение этой важной статьи побудило Пуанкаре к размышлениям, результатом которых явились четыре короткие статьи, опубликованные в 1895 году под общим заголовком "По поводу теории Лармора". В них он приходит к важному заключению о том, что принцип относительности строго выполняется для оптических и электромагнитных явлений. "Опыт дал множество фактов, которые допускают следующее обобщение: невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира. Все, что может дать опыт,- это обнаружить движение весомой материи относительно весомой материи",- пишет автор в октябрьской статье 1895 года. Ссылаясь на опыт Майкельсона, он подчеркивает далее, что речь идет именно о строгом выполнении этого закона, в то время как все предложенные до сих пор теории удовлетворяют ему лишь приближенно, без учета величин второго порядка малости. Это замечание говорит о том, что Пуанкаре имеет в виду точное соответствие принципу относительности для теорий, отрицающих полное увлечение эфира движущимися телами, а не для отвергнутой опытами герцевской электродинамики, в которой строго выполнялся принцип относительности Галилея. Несмотря на то что в этих его статьях не были указаны пути создания такой правильной теории, само утверждение о принципиальной невозможности обнаружить движение тела относительно эфира уже представляло собой формулировку основного исходного принципа будущего теоретического построения.

В докладе на физическом конгрессе 1900 года Пуанкаре еще подробнее излагает свое критическое отношение к сохранившимся у некоторых ученых, в том числе у голландского физика Г. А. Лоренца, надеждам обнаружить абсолютное движение Земли в более точных оптических и электрических опытах. Прежде всего он обсуждает мотивы, приведшие к появлению в науке особой гипотетической среды - эфира. Пуанкаре видит основание лишь для идеи заполнения пространства этой идеальной средой, чтобы избежать передачи взаимодействия через пустоту, категорически не соглашаясь с популярной тогда тенденцией представлять материю "сгущенным эфиром" или "местом точек, где эфир испытывает вихревое движение". Но основание для введения эфира еще не является доказательством его существования. Поэтому Пуанкаре говорит далее о необходимости экспериментального ответа на поставленный им прямой вопрос: "Что касается нашего эфира, то существует ли он в действительности?"

В классическом опыте Физо проявлялся эффект, связанный с относительным движением оптических сред. Но согласно существовавшим тогда представлениям полученный результат объясняли частичным увлечением эфира движущимися объектами. Многим казалось, что в этом опыте со всей наглядностью проявляет себя гипотетическая среда, заполняющая пространство, и Пуанкаре в связи с этим замечает: "Можно сказать, что вы задеваете эфир пальцем". Тем не менее он считает "необходимым допустить существование эфира" лишь в том случае, если эксперимент покажет, "что световые и электрические явления видоизменяются вследствие движения Земли". Наступит ли это когда-нибудь? На этот вопрос докладчик склонен ответить отрицательно: "Я считаю такие надежды призрачными..."

Иначе смотрел на эту проблему Лоренц. Стремясь объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона - Морли с точки зрения своей теории, в которой фигурировал неподвижный эфир, он вводит в своих работах 1892 и 1895 годов дополнительное предположение о сокращении длин твердых тел при их движении в эфире. Величина сокращения зависела от скорости таким образом, что в точности компенсировала ожидаемый эффект от "эфирного ветра", который становился вследствие этого ненаблюдаемым. Этой гипотезой Лоренц фактически поднимал вопрос о пересмотре пространственных соотношений при больших скоростях движения. Намеченный им путь вел в нужном направлении, но ему не хватало обобщенного подхода к проблеме в целом, выходящего за рамки объяснения опыта Майкельсона - Морли. Поэтому важнейшее значение для наметившегося решения проблемы электродинамики движущихся сред приобретал общий вывод Пуанкаре о необходимости признать в качестве строгого физического закона невозможность обнаружить движение тела относительно эфира.

Он неоднократно обращал внимание на недостаточность придуманного Лоренцем объяснения результата, полученного Майкельсоном и Морли. Не исключено, что для каждого нового, более точного опыта придется изобретать раз за разом новые искусственные предположения. В докладе 1900 года Пуанкаре говорит: "...Я позволю себе сделать отступление, чтобы объяснить, почему я, вопреки Лоренцу, не думаю, чтобы когда-нибудь более точные наблюдения могли обнаружить нечто иное, кроме относительных перемещений материальных тел. Были производимы опыты, которые должны бы открыть члены первого порядка. Результат был отрицательный; могло ли это быть делом случая? Этого никто не мог бы допустить; стали искать общего объяснения, и Лоренц нашел его: он показал, что члены первого порядка уничтожаются; это не имело места для членов второго порядка. Тогда были произведены более точные опыты, которые снова дали отрицательный результат. Это опять не могло произойти случайно - требовалось объяснение, которое и было дано. За объяснением дело никогда не станет: гипотезы неистощимы.

Это не все. Кто не заметит, что здесь случайность играет еще значительную роль? Разве не случайно странное совпадение, благодаря которому известное обстоятельство появилось как раз вовремя, чтобы уничтожить члены первого порядка, а другое, совершенно различное, взяло на себя труд уничтожить члены второго порядка. Нет, следует найти одно и то же объяснение для обоих случаев, и тогда естественна мысль, что то же самое будет справедливо и для членов высших порядков и что их взаимное уничтожение будет носить характер абсолютной точности".

Но, несмотря на эту критику, Пуанкаре все же считает, что теория Лоренца "наиболее удовлетворительна из всего, что у нас есть; она, бесспорно, лучше всех воспроизводит известные нам факты, освещает больше реальных соотношений, чем всякая иная, и принадлежащие ей черты войдут в наибольшем числе в будущее окончательное построение". Он указал на блестящие успехи теории Лоренца в объяснении опыта Физо и магнитооптических явлений^*. Не допуская случайности столь значительных ее достижений, Пуанкаре высказал уверенность, что именно эта теория выйдет победительницей из схватки с трудностями, возникшими в физике, что при этом сама теория не подвергнется разрушению. "Теория Лоренца не есть искусственный агрегат, обреченный на распадение,- утверждает он.- Ее, наверно, придется изменить, но не разрушить". Такая же точка зрения отстаивалась им на конгрессе в Сент-Луисе.

^* (К ним Пуанкаре отнес не находившее прежде объяснения вращение поляризации света магнитным полем, открытое Фарадеем, и расщепление спектральных линий при действии магнитного поля на источник света (явление Зеемана).)

Эта ориентация, с одной стороны, на теорию Лоренца, в которой скорость света принималась не зависящей от движения его источника, а с другой стороны, на строгое выполнение принципа относительности, указывала тот единственный верный путь, который вел к созданию теории относительности. Однако намеченное Пуанкаре объединение теории Лоренца и принципа относительности упиралось в противоречие, которое в силу ограниченности существовавших тогда основных научных представлений казалось непреодолимым. Поскольку скорость света в эфире была постоянной и не зависела от движения источника света, то в перемещающейся относительно эфира материальной системе свет должен был распространяться с различной скоростью в разных направлениях. Это явно расходилось с утверждением принципа относительности. Чтобы привести в соответствие эти два положения, необходимо было коренным образом изменить представления о пространстве и времени.