Открытие сотрудника патентного бюро

В 1905 году в сентябрьском номере немецкого журнала "Анналы физики" появилась статья, написанная никому не известным тогда автором, молодым экспертом швейцарского патентного бюро в Берне Альбертом Эйнштейном. В статье излагалась теория относительности, решавшая проблему электродинамики движущихся тел.

Альберт Эйнштейн

Название работы - "К электродинамике движущегося тела" - как будто бы не предвещало законченного рассмотрения поставленной задачи. Но уже из краткого введения ясна была претензия автора на полное устранение основной трудности классической физики. Обладая рядом бесспорных преимуществ в изложении трудных для понимания, необычных сторон новой физической теории, статья оказала решающее влияние на распространение и утверждение идей теории относительности.

Статья Эйнштейна поступила в редакцию журнала 30 июня 1905 года, то есть уже после того, как было опубликовано в "Comptes rendus" краткое сообщение Пуанкаре, но опережала его более подробную статью, полученную редакцией итальянского журнала 23 июля того же года и вышедшую в свет в январе 1906 года. Изложение велось молодым автором в довольно необычной для научных публикаций манере, без указаний идей и результатов, заимствованных из других исследований, без сопоставления полученных выводов с итогами более ранних попыток решения той же проблемы. Статья не содержала буквально ни одной литературной ссылки. При чтении ее создавалось впечатление о полной оригинальности как постановки, так и решения задачи, о первооткрытии всех изложенных там результатов.

Что касается постановки задачи о теории, удовлетворяющей принципу относительности, то она, конечно же, совпадала во всех трех работах разных авторов: Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна. Разница состояла лишь в том, что Лоренц указывает источник такой постановки - одно, из ранних выступлений Пуанкаре по этому вопросу, а Эйнштейн дает обоснование принципа относительности без всякой ссылки на первоисточник. Всего несколько слов сказал он об экспериментальном обосновании этого принципа, не обсуждая конкретных опытов и даже не упоминая решающий эксперимент Майкельсона - Морли. Эта краткость вполне естественна, если признать, что он считал принцип относительности уже всесторонне обсужденным в научной литературе. И действительно, у этой фундаментальной идеи был вполне конкретный автор - Анри Пуанкаре. Ему пришлось неоднократно высказывать и с энтузиазмом отстаивать ее, поскольку она противоречила глубоко укоренившимся убеждениям о существовании светоносного эфира. Удивительная проницательность Эйнштейна как раз в том и состояла, что он одним из немногих воспринял и осознал значение этой идеи.

Заслуга Эйнштейна состояла также и в том, что он использовал идею принципа относительности в качестве исходного положения своей теоретической системы, то есть так, как и предлагал Пуанкаре. Этим и отличался его подход от подхода Лоренца. Верный традициям старой классической школы, голландский физик не принял аксиоматический путь построения новой теории. Содержание этой теории, по его мнению, как раз и должно заключаться в доказательстве универсального принципа относительности, который является ее конечной целью, а не начальным пунктом.

Для построения теории Эйнштейну понадобился еще один исходный постулат: о независимости скорости света от движения источника. Эта необходимая предпосылка никак им не обосновывалась. Появление ее в исследовании Эйнштейна нелегко объяснить, поскольку ничего еще не было известно об экспериментальном наблюдении такого факта, и, следовательно, опытом она не могла быть подсказана. В электродинамике Лоренца и Лармора, а следовательно, и в теоретических построениях Пуанкаре, внимательно следившего за их работами, это положение вытекало как естественное следствие из концепции неподвижного эфира. Но Эйнштейн с самого начала отказался от всякого использования этого понятия. Поэтому появление в его работе без всякой мотивировки постулата о независимости скорости света от движения источника, находящегося к тому же в кажущемся противоречии с первым исходным принципом его теории, было явно непоследовательным шагом. Происхождение этого постулата у Эйнштейна можно было бы объяснить анализом предшествующих работ по электродинамике движущихся тел. Но в его статье нет никаких указаний на этот счет. Только позднее Эйнштейн признался в том, что принцип постоянства скорости света был подсказан ему теориями, основывающимися на гипотезе неподвижного эфира. Так, в работе 1912 года он писал: "Чтобы восполнить этот пробел, я ввел принцип постоянства скорости света, заимствованный из теории покоящегося эфира..."

Отличительной особенностью работы Эйнштейна была четкая постановка вопроса о решении проблемы электродинамики движущихся тел за счет пересмотра понятий, связанных с пространственно-временными соотношениями. Центральное место в его статье отводилось определению одновременности разноместных событий. Отмечалось, что физическое описание движения подразумевает всегда использование времени в различных точках пространства, а это возможно только в том случае, если установлено временное соответствие между событиями в этих точках и выяснено, какие из этих событий являются одновременными. Затем автор приводит определение одновременности показаний двух часов, пользуясь мысленным экспериментом по синхронизации их с помощью светового сигнала и принимая при этом допущение о равенстве времен, затрачиваемых светом на прохождение расстояния между часами в прямом и обратном направлениях.

Сама постановка вопроса об одновременности и определение этого понятия на основе постоянства скорости света - все это совпадало с объяснениями, приведенными впервые Пуанкаре еще в 1898 году в статье "Измерение времени". А мысленное оперирование вместо времени более конкретным понятием - часами, синхронизация которых производится световым сигналом,- это уже были детали, характерные исключительно для того истолкования "местного" времени Лоренца, которое было дано Пуанкаре в работе 1900 года и повторено затем на конгрессе в Сент-Луисе. Но в статье Эйнштейна изложение этих пунктов непосредственно предшествовало рассмотрению электродинамики движущегося тела, что значительно облегчало усвоение всей теории. Вот почему работа молодого ученого обратила на себя внимание и в дальнейшем способствовала усвоению идей теории относительности в большей мере, чем труды его знаменитых предшественников.

Вместе с тем статья Эйнштейна, так же как и работа Пуанкаре (если не учитывать представленный в ней первый вариант релятивистской теории тяготения), развивала теорию, строго удовлетворяющую принципу относительности, все соотношения которой уже были получены ранее в трудах Лоренца и Лармора. Новой физической теорией принято считать такое теоретическое построение, которое предсказывает неизвестные ранее, проверяемые на опыте соотношения. Таким образом, статья Эйнштейна излагала новый вариант построения и объяснения уже известной, но далеко еще не осознанной физической теории. И это было не только более простое изложение и более доступное объяснение, статья вскрывала весьма важный аспект понимания теории, который был явно упущен предшественниками.

Устранение эфира из теоретической картины освобождало автора от допущенной в работах Лармора и Лоренца непоследовательности: эфир они привлекали только для того, чтобы с его же помощью объяснить невозможность его наблюдения. Эйнштейн использовал также условное разделение систем отсчета на покоящуюся и движущуюся, которое, вообще говоря, не отвечало самому духу теории относительности, признающей лишь взаимное движение систем отсчета. Но Эйнштейн не связывал систему, названную им покоящейся, с эфиром. Поэтому в его подходе не могло даже возникнуть искушение объяснять движением через эфир полученные для движущейся системы необычные результаты - сокращение длин твердых тел и увеличение длительности временных интервалов. Эти эффекты представлялись результатом сопоставления соответствующих эталонов длительности и протяженности двух различных систем отсчета, находящихся в относительном движении.

Самое же существенное отличие работы Эйнштейна от предыдущих состояло в понимании того факта, что те же самые релятивистские эффекты возникают и для "покоящейся" системы, если, в свою очередь, ее сопоставлять с движущейся системой. Об этом в статье была сказана всего одна фраза: "Ясно, что те же результаты получаются для тел, которые находятся в покое в "покоящейся" системе и которые рассматриваются из равномерно движущейся системы". Но именно эта фраза характеризовала другой уровень понимания открытых ранее эффектов теории относительности.

Обратимость релятивистских эффектов, их симметрия по отношению к двум рассматриваемым инерциальным системам отсчета, непосредственно следовала из преобразований Лоренца. Чтобы установить этот факт, достаточно было выразить координаты "покоящейся" системы через координаты "движущейся" системы. Такое обратное преобразование сразу делало излишним объяснение релятивистских эффектов движением тел относительно эфира. Действительно, после обратного преобразования требовалось бы уже объяснить сокращение длины тела в системе, покоящейся относительно эфира. Но этот шаг не был сделан ни Лоренцем, ни Лармором, и поэтому в их работах оставалась иллюзия эфирной природы релятивистских эффектов.

Вопрос, связанный с обратными преобразованиями, в основной работе Пуанкаре получил лишь формальное освещение. Отмеченные им групповые свойства преобразований Лоренца включали и условие обратимости всех результатов. Кроме того, при выводе самих преобразований Лоренца он непосредственно использовал сопоставление с обратным преобразованием. Однако Пуанкаре ни одним словом не пояснил, что из этого свойства группы Лоренца вытекает обратимость всех необычных свойств новых пространственно-временных соотношений. В своем теоретическом трактате он обошел этот вопрос молчанием, хотя его более ранние работы содержали вез необходимые данные, чтобы прийти к такому выводу.