«Я склоняю свои колени перед достопочтенными генерал-инквизиторами, прикасаюсь к святому евангелию и заявляю, что я верю и буду впредь верить всему тому, что признает истинным и чему учит церковь.

Мне запрещено было святой инквизицией верить или учить ложному учению о движении Земли и покое Солнца, потому что оно противоречит священному писанию. Несмотря на это, я написал и даже издал книгу, в которой я излагаю это проклятое учение и привожу сильные доводы в его пользу. Потому меня заподозрили в ереси.

Дабы рассеять у каждого христианина-католика это справедливое подозрение, я отрекаюсь и проклинаю упомянутые заблуждения и ереси, а также вообще всякое другое заблуждение и мнение, идущее вразрез с учением церкви. В то же время я клянусь в будущем никогда не высказывать ни устно, ни письменно чего-нибудь такого, что могло бы вызвать против меня подобное подозрение. И наоборот, я обязуюсь немедленно сообщить святому судилищу, если я где-нибудь встречу ересь или буду предполагать ее наличие».

Эти покаянные и благонамеренные слова, произнесенные Галилео Галилеем 22 июня 1633 года, в приличествующей случаю обстановке, на коленях и в рубище, с внешней стороны явились как бы итогом его жизненного пути.

Оставшиеся ему девять лет он проводил почти в полном уединении (причем на всякий случай под домашним арестом), и специальный интердикт «раба рабов божьих» — святейшего Урбана VIII запрещал ему печатать какие-либо труды.

К сожалению «власть предержащих», интердикт был нарушен. В 1638 году в Нидерландах, где, как известно, процветала проклятая богом и людьми протестантская ересь, издается основной труд Галилея, действительный итог его жизни — «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки…»

Галилео Галилей — продолжатель обедневшего, но знатного дворянского рода флорентийских нобилей — родился в Пизе в 1564 году.

Уже примерно столетие, как тесный мир средневековья удивительным образом расширился. Португальские, испанские, а теперь английские и голландские корабли бродят по Mare incognitum^[1] в поисках золота, пряностей, слоновой кости, рабов, эльдорадо — источника вечной жизни и всех мыслимых и немыслимых возможностей молниеносного обогащения. Каждое плавание — прыжок в неизвестность. А потому вторым, а иногда и первым лицом на корабле является штурман («пилот»). Он обязан разбираться в «портуланах» и «периплах»^[2], вести счисление пути и по звездам (ибо другого выхода нет) определять место корабля. Каждый моряк и, что еще важнее, снарядивший его корабль купец (а купцов становится все больше) заинтересованы в том, чтобы его снабдили наилучшими картами и инструментами, ибо все уже понимают: от них успех плавания зависит не меньше, чем от мореходных качеств корабля. Отчасти поэтому математики и астрологи (астрономы) считаются уважаемыми и достойнейшими мужами.

Моряки в случае успеха иногда получают деньги, славу и титулы. Иногда не получают ничего. Но торговые дома в итоге всегда получают прибыль.

Возникает торговый, а затем мало-помалу и промышленный капитал, — возникает буржуазия, и все более расшатываются сонные уклады феодальной Европы.

Перемен не смогла избегнуть и церковь. Католические обряды и молитвы чересчур сложны и, главное, слишком дороги. Нужна «дешевая церковь».

И вот торжествует лютеранство в Германии и в Скандинавии, кальвинизм — в Швейцарии, в Голландии, в Англии. Религиозные войны сотрясают Францию.

Новому классу необходимы и новые идеи и новая наука, которая давала бы практические результаты. Вера в авторитеты подорвана — ведь многие утверждения ученейших мужей, даже освященные авторитетом Рима, оказались на поверку чистейшим вздором. Воистину наступает на редкость «смутное и проклятое время», кое-кто (таких, правда, страшно мало) начинает сомневаться даже в самом бытии всевышнего.

Как в старой сказке про ученика чародея, погибшего от им же вызванных духов, новая эпоха порождает идеи куда более революционные, чем ей по плечу. И надо сказать, что католическая церковь — а власть ее все еще беспредельно велика — очень быстро и резко реагирует на новую ситуацию.

Впрочем, когда речь идет о ереси, реформаторы вполне солидарны с католиками, и костры в Риме и Женеве складываются из одинаковых поленьев. Особенно часто они пылают в «любимых чадах» Рима — Испании, Португалии и Италии.

И всякий христианин-католик слишком хорошо осведомлен об этом.

Но дело не только в том, что, восставая против общепринятых взглядов, ученый должен иметь в виду и такой неопровержимый научный аргумент, как «очищающее душу, по возможности кроткое, без пролития крови» отправление к предвечному.

Отшлифованная веками, продуманная и отточенная, всецело подчиненная Риму, система воспитания с детских лет прививает слепое поклонение авторитету и цитате. Метод изучения любого нового явления изумительно ясен: следует отыскать в текстах отцов церкви соответствующее место. Если же явление противоречит текстам — его не существует.

«Этот род людей полагает, — раздраженно пишет Кеплеру Галилей, — что философия — какая-то книга, как „Энеида“ или „Одиссея“; истину же надо искать не в природе, а путем сличения текстов… Они пытались логическими аргументами, как бы магическими прельщениями, отозвать и удалить с неба новые планеты».

И подобная система давала свои результаты. Страшно подумать, сколько талантливых людей растратило свою жизнь на толкование какого-либо туманного места Фомы Аквинского (а у святейших отцов подобных мест было предостаточно) или изучение такой, скажем, актуальной проблемы: каким образом произошло непорочное зачатие? Чтобы вырваться из цитатного плена схоластики, нужно обладать исключительно ярким умом. Но тогда…

Томмазо Кампанелла (1568–1639) — социолог, философ и астролог — «более страшная змея, чем Лютер и Кальвин», по категорическому заключению отцов-иезуитов, 27 лет провел в 50 различных тюрьмах, где его семь раз подвергали жесточайшим пыткам.

…Джордано Бруно — философ (1548–1600) — сожжен в Риме.

…Луиджи Ванини — философ (1585–1619) — злостнейший еретик, отрицавший, в частности, божественность Христа, повешен в Тулузе. Перед казнью ему вырвали язык; тело казненного сожгли, а прах развеяли по ветру.

…Нидерландский врач Везалий (1514–1564) — основатель научной анатомии — присужден к смерти испанской инквизицией.

…Испанский врач Сервет сожжен Кальвином в Женеве в 1553 году.

Можно долго продолжать этот жуткий реестр.

Мало кому из отступников суждено умереть своей смертью. Особенно тщательно за этим следит специально созданный для борьбы с ересью орден «Псов господних» — иезуитов.

Новый путь в науке, пожалуй, опаснее, чем дороги конквистадоров, ибо нет надежды на счастливый конец.

Казнь еретиков настолько обычное явление, что, например, смерть такого крупнейшего философа, как Джордано Бруно, сожженного при колоссальном стечении народа, почти не замечена современниками. Документальных свидетельств о его гибели крайне мало, и, как ни удивительно, существовала версия, что было сожжено его изображение, а сам Бруно остался жив.

Основная масса народа и даже просвещенные круги все еще полностью преданы церкви и находятся во власти самых диких суеверий. Ученые не составляют исключения. Нам почти невозможно представить, как в те времена причудливо уживались гениальные идеи рядом с поразительными нелепостями.

Многие все еще рассчитывают найти страну людей с песьими головами и остров Сирен. Во всяком случае, их существование охотно допускается.

Еще в конце XVII века на заседании Королевского общества в Лондоне серьезно проверяли, может ли паук выбраться из круга, сделанного из толченого рога носорога. Паук убегал, что и заносилось в протокол. А быть может, на следующем заседании Ньютон докладывал о своих работах.

Новой науки еще нет, и, пожалуй, основное — нет и нового метода, он только-только создается.

В науке же официальной все еще безраздельно царит Аристотель. Из его учения давно уже вычищено все, что может пробуждать самостоятельную мысль. Труды его тысячу раз прокомментированы и истолкованы.

Сам Аристотель, как совершенно «точно» известно, посмертно удостоен высшей награды — всевышний специальным указом избавил его от адских мук, которые были ему уготованы, как явному язычнику.

Почти приравнены к творениям отцов церкви его труды, и сомневаться в них (даже признавая истинным все священное писание) — очень и очень смахивает на ересь. А лавры еретика, напомним еще раз, слишком хорошо известны каждому христианину.

В этой приятной атмосфере и начинает Галилей.

Начало образования, конечно, монастырь. Он даже принят послушником в монашеский орден. Но, на счастье, отец забирает его домой, и духовная карьера Галилея прерывается. Надо думать, что его отец — обедневший флорентийский дворянин Винченцо Галилей — был, по существу, первым воспитателем ученого. Широко образованный, страстный поклонник музыки и математики, безусловно талантливый и интересный человек, он передал сыну свою любовь к науке и свой скептицизм по отношению к авторитетам.

Любопытная деталь — отцу принадлежит трактат о старой и новой музыке, написанный в форме диалога (в будущем — любимая литературная форма сына), в котором он, между прочим, весьма скептически характеризует цитирование авторитетов как высший довод в научных спорах. Подобные соображения по тем временем близки к крамоле.

По настоянию отца юноша начинает изучать медицину в Пизанском университете. Но дело не ладится, а физика Аристотеля, которую приходится скрупулезно штудировать, вызывает все более серьезные сомнения. И вообще Галилей не собирается быть медиком или физиком — он мечтает о карьере художника.

Снова вмешивается отец. По его совету сын изучает работы Архимеда и Эвклида. И Галилей быстро забывает о своем «призвании»: отныне и до конца дней своих он будет принадлежать физике.

Есть великолепный портрет Галилея в старости. С него глядит на нас не хрестоматийный старец, мученик инквизиции, терзаемый последние годы угрызениями совести. Умное, властное, суровое лицо человека, который прожил нелегкую и сложную жизнь, подчиненную одной идее.

С юных лет — покровители, без которых ученый той эпохи подобен моряку без компаса. Первый — маркиз дель-Монте, сам крупный ученый, бескорыстно восхищавшийся талантом юноши. В дальнейшем покровителей придется добывать при помощи интриг и унизительной лести.

Еще молодым он привыкнет держать свои мысли при себе. Слишком памятна история в Пизе… Сначала всеобщее возмущение «научных кругов» его критикой Аристотеля. Потом повод — резкий отзыв о нелепом проекте одного из многочисленных побочных сыновей его законного государя Козимо Медичи I — и его выгоняют с кафедры.

После этого восемнадцать лет Галилей ведет кафедру в Падуе. Его взгляды уже определились. Он давно знает, что физика Аристотеля несостоятельна; он знает и то, что учение Коперника истинно. Почти все, что появится через тридцать лет в «Диалоге о двух главнейших системах мира», уже готово. Но он продолжает читать лекции, придерживаясь Птолемея, а результаты своих трудов сообщает только друзьям. Он пишет Кеплеру (1597 год!):

«Я счастлив, что в поисках истины нашел столь великого союзника. Действительно, больно видеть, что есть так мало людей, которые стремятся к истине и готовы отказаться от превратного способа философствования. Но здесь не место жаловаться на печальное состояние нашего времени, я хочу лишь пожелать тебе удачи в твоих замечательных исследованиях. Я делаю это тем охотнее, что уже много лет являюсь приверженцем учения Коперника. Оно объяснило мне причину многих явлений, совершенно непонятных с точки зрения общепринятых взглядов. Я собрал множество аргументов для опровержения последних, но я не решаюсь их опубликовать. Конечно, я сделал бы это, будь больше таких людей, как ты. Но так как этого нет, я держу себя осторожно».

И все же временами он срывается. В 1604 году резкая стычка со схоластами по поводу новой звезды, появление которой противоречило учению Аристотеля о неизменности сферы неподвижных звезд. Настораживают и его отдельные сомнительные высказывания. Подозрительны и лекции, читаемые не на традиционной латыни, а на родном итальянском.

Репутация Галилея как благонамеренного католика явно не на высоте. И он предусмотрительно запасается высокими покровителями. Светлейший великий герцог Тосканский — его признательный ученик (а он его «первый философ и математик», «почтительнейший и преданнейший слуга и вассал»). Будущий папа Урбан VIII — кардинал Барберини — его личный друг, которому он посвящает свои работы.

Он живет среди интриг, споров о приоритете, нелепых возражений, чаще всего среди полного равнодушия и непонимания.

«Когда я через мою трубу хотел показать профессорам Флорентийской гимназии спутников Юпитера, то они отказались посмотреть и на них и на трубу…»

Все время приходится быть настороже. И все время он напряженно работает, работает до последних дней.

Тяжко больной, разбитый физически и морально, отрекшийся и осужденный, он заканчивает труд своей жизни «Беседы» и почти ослепший (!) ведет астрономические наблюдения. «Я хоть и молчу, но провожу время не совсем праздно», — как всегда, очень сдержанно напишет он в эти годы.

Десятилетия унизительной борьбы с невеждами наложили на Галилея свою печать. Он резок, замкнут, пожалуй, даже угрюм. Часто цинично насмешлив. Он уважает и ценит очень немногих и весьма нелестно отзывается о роде человеческом: «Число дураков бесконечно».

С годами он привык умело уклоняться и от светской болтовни о науке с титулованными «любителями» и от дискуссий с окружающими его бесчисленными «докторами зубрежки» (его собственное определение).

Но он не совсем одинок. Узкий круг друзей и ученики, которые боготворят своего учителя, — обетованный островок в море невежества. В этом обществе он не брюзгливый старец, не льстивый и искушенный царедворец, он тот, кто он есть, — гуманист, смелый тонкий мыслитель и всегда и прежде всего гениальный физик, влюбленный в свою науку.

Ученики, кстати, окажут ему позднее плохую услугу. Преклонение их так велико, что они сильно приукрасят его биографию, и многому, о чем они сообщат, попросту нельзя верить.

Его интересы широки. Он блестящий знаток античного и современного искусства и сам в часы отдыха слагает сонеты. В его книгах рассыпаны ссылки на поэтов, остроумные примеры, и, помимо всего, он создает новый жанр — научно-популярную литературу.

Но когда речь идет о работе, в нем нет ничего от поэта: точно, сухо и непредвзято он исследует факты и только факты, сдерживая полет фантазии. Проходят годы, прежде чем он сформулирует выводы.

Являя собой полную противоположность сверкающему фантазеру Джордано Бруно, которого так любят с ним сравнивать, исповедовавший одну религию — истину, Галилей обладал, на мой взгляд, не меньшим личным мужеством.

Вот таким представляется человек, о котором лучше всего сказал Лагранж:

«Открытие спутников Юпитера, фаз Венеры, солнечных пятен и т. д. потребовало лишь наличия телескопа и некоторого трудолюбия, но нужен был необыкновенный гений, чтобы открыть законы природы в таких явлениях, которые всегда пребывали перед глазами, но объяснение которых тем не менее всегда ускользало от изысканий философов».

У нас нет возможности, да это и не входит в наши задачи, сколько-нибудь подробно исследовать творчество Галилея, и дальнейшие страницы никоим образом не нужно расценивать как творческую биографию.

Даже простое перечисление работ Галилея заняло бы слишком много места, и о подавляющем числе научных результатов не будет даже упомянуто. Очень кратко мы коснемся только одной, правда, самой важной стороны творчества Галилея — анализа законов движения. Той работы, которая и поныне заставляет ученых поражаться его необыкновенным гением.

Еще одно маленькое отступление, и мы перейдем к сути дела.

Лучше всего понять гений Галилея можно, сопоставив его с Эйнштейном. Основные идеи Эйнштейна ничуть не сложнее и не парадоксальнее тех, которые выдвинул Галилей.

Но если идеи Галилея кажутся большинству людей нашего времени понятными и простыми, то взгляды Эйнштейна требуют известного напряжения мысли. Это естественно. С детских лет мы воспитываемся в духе классической физики, а люди с большим трудом изменяют привычные представления.

Поэтому лучше всего постараться как бы забыть все, что мы знаем, и спокойно делать выводы из тех фактов, которые мы находим в «самой великой книге — природе», как любил говорить Галилео Галилей.

Итак, движение. Причина движения, безусловно, сила. Телега не едет, если в нее не впряжены лошади.

Если в телегу впрячь четырех лошадей, то они повезут ее быстрее, чем две. Отсюда вывод: чем большая действует сила, тем больше скорость.

Далее, если выпрячь лошадей, телега остановится. В этом нас убеждает повседневный опыт. Следовательно, для поддержания скорости всегда требуется сила. А чтобы тело двигалось равномерно и прямолинейно, к нему должна быть приложена постоянная по величине и направлению сила.

Не стоит торопиться с улыбками. Вы сразу увидели ошибочность теории движения Аристотеля только потому, что с шестого класса помните законы механики, которые получили, что называется, даром.

И все же позволю себе предположить, что вы тем не менее обмануты. Вряд ли кто-либо обратил внимание на то, что были использованы такие понятия, как «равномерное и прямолинейное движение» и «постоянная по величине и направлению сила». А ведь, употребив эти слова, мы сказали либо очень многое, либо ничего. По существу, анализ этих понятий должен привести к вполне определенному взгляду на пространство и время. Можно возразить, что такие вещи, как пространство, время и сила, определять незачем — это самоочевидные категории и понятия. Но… самые глубокие заблуждения в науке возникают обычно тогда, когда что-либо считается самоочевидным.

Несколько забегая вперед, скажем: великая заслуга Эйнштейна именно в том, что он показал, что даже в конце XIX столетия у физиков не было ясного представления о таких «очевидных» понятиях, как время.

Довольно существенное назидательное замечание.

Однако оставим пока вопрос о времени.

Как опровергнуть Аристотеля? Как нельзя оценить обед, не пообедав, точно так же нельзя опровергнуть (или утвердить) физическую теорию, не прибегнув к эксперименту. И Галилей первый в средневековой Европе понял это с предельной ясностью и глубиной.

Конечно, не стоит преувеличивать — подобные взгляды высказывались и до него. Уже легендарный Парацельс^[3] чеканно сформулировал: «Теория, не подтвержденная фактами, — все равно, что святой, не сотворивший чуда». Но Галилей был первым, во всяком случае в физике, кто незыблемым принципом своего творчества положил изучение и анализ эксперимента, практики. И на этом пути он обнаружил ошибку Аристотеля. Галилей не доверяет словам. Он ставит опыты.

Сравнительно легко он находит, что за равные отрезки времени свободно падающее тело проходит все возрастающие отрезки пути и что постоянная сила — вес тела (хотя ясного представления о силе у Галилея нет) приводит к равноускоренному движению.

Правда, чтобы точно измерять малые отрезки времени (доли секунды), ему понадобилось создать совершенно новый для того времени вариант водяных часов, что он и делает с замечательным остроумием. Да и вообще ему не раз приходилось преодолевать чисто экспериментальные трудности подобного рода. Предшественников нет: первооткрывателем приходится быть во всем. Но в конце концов эта часть работы требовала всего лишь исключительного упорства и замечательной изобретательности.

Значительно труднее сделать совершенно неожиданное и неочевидное обобщение: если бы отсутствовало сопротивление воздуха, «то все тела падали бы одинаково, то есть с одинаковой скоростью при равных высотах падения… двигаясь при этом равномерно ускоренно так, что в равные промежутки времени скорость возрастает на равные величины». Иначе говоря, Галилей подмечает, что полученные цифры приводят к так хорошо известному в наши дни каждому восьмикласснику закону изменения скорости падения, как функции времени падения, V = g · t.

Говоря о Галилее как о физике-теоретике, стоит отметить два момента.

Во-первых, он не блуждает в бесконечных поисках причины явления, что было характерно для школы Аристотеля. (По существу, он принимает метод принципов Ньютона, речь о котором впереди.)

Действительно, Галилею не известно ничего о законе тяготения, он не владеет, по существу, понятием силы, он не знает, почему Земля притягивает все тела, сообщая им одинаковое ускорение. Галилей прежде всего ставит вопрос: как происходит явление? И ответ ищет в анализе опытов.

И во-вторых, гениальная интуиция позволяет Галилею учесть и отбросить все побочное, нехарактерное и выхватить основное при анализе наблюдаемого явления.

Так, изучая падение тел, он учитывает не только сопротивление воздуха, но и эффекты, обусловленные законом Архимеда. Он прямо указывает: «При падении тела в какой-нибудь среде надо иметь в виду, что на тело действует не полный его вес, а лишь избыток веса над весом вытесненной жидкости или среды».

Переход от опыта к теоретическому обобщению — обычно самый трудный этап. Физику никогда не доводится изучать явление в «чистом виде». Можно сказать, что он обычно оказывается в положении фотографа, рассматривающего снимок, на котором отпечатано сразу несколько негативов. История науки знает сотни примеров, когда ученые пропускали открытия только потому, что не понимали, что они наблюдают. И именно в анализе результатов проявляется полностью талант Галилея.

А как тяжело было разобраться в законах движения, можно судить уже по тому, что представления Аристотеля оставались незыблемыми около 2 тысяч лет.

Некоторые результаты исследований Галилея.

Изучая законы падения тел и рассмотрев вертикальное отвесное падение, Галилей, естественно, переходит к движению по наклонной плоскости. Он находит, что ускорение при падении постоянно во времени и тем меньше, чем меньше угол наклона. В предельном случае горизонтальной плоскости, утверждает Галилей, тело будет двигаться вообще без ускорения. И причиной движения тела по наклонной плоскости оказывается сила тяжести. При этом Галилей понимает, что когда тело находится на наклонной плоскости, то движение вызывается не всем весом, а лишь его частью, тем меньшей, чем меньше наклон.

Еще раз следует напомнить: Галилей не знает, почему тело падает на Землю. Более того, у него нет ясного понятия о силе, нет формулы, связывающей силу и ускорение, он не читал «Начал» Ньютона: они выйдут в свет лишь спустя 35 лет после его смерти.

Но его интуиция позволяет заключить: «Когда тело движется в горизонтальной плоскости, не встречая сопротивления своему движению… то движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца».

Итак, если отсутствует сила — скорость остается постоянной.

«Скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, строго сохраняется, если устранены внешние причины ускорения или замедления».

Образно говоря, это утверждение ставит с головы на ноги всю механику.

Стоит обратить особое внимание на соотношение теорий Галилея и Аристотеля. Как уже упоминалось, Аристотель считал, что для поддержания постоянной скорости необходимо воздействие постоянной силы. Взгляды Галилея диаметрально противоположны.

Впервые формулируется положение, похожее на закон инерции.

Только в том случае, когда на тело не действуют никакие силы, скорость остается неизменной. Речь идет не об уточнении старой теории, не об ее развитии или ограничении области ее применения. Отнюдь нет! Вся механика Аристотеля начисто зачеркивается.

Подобные ситуации очень редки в истории наук и обычно встречаются в годы их юности. Чаще всего у открывателей есть точка отправления, есть отметки на том пути, по которому они идут. Лишь пионерам нечего взять от предшественников и приходится начинать на пустом месте.

Таким основоположником в физике был Галилео Галилей. Он заложил фундамент той механики, создать которую было суждено Ньютону.

Очень многое ему оставалось неясным. Часто он ошибался и сворачивал с правильного пути.

Трудно и ожидать чего-либо другого; сам Галилей лучше всех сознавал и значение и недостатки своих работ (вспомните его слова в эпиграфе).

И хотя в его трудах часто встречаются утверждения, прочитав которые можно подумать, что не только первый, но и второй закон механики были ему известны и, следовательно, Ньютон в известной мере был лишь популяризатором его идей, пожалуй, не стоит увлекаться переоценкой работ Галилея. Даже первый закон механики, тот самый закон инерции, который Галилей сформулировал, казалось бы, предельно четко, ни он, ни все остальные предшественники Ньютона не понимали до конца. И только у Ньютона законы механики принимают ту ясную, законченную форму, в которой они известны нам. (Впрочем, мы увидим в дальнейшем, что даже сам Ньютон не избежал ошибок.)

Возможно, подобная оценка творчества Галилея излишне сдержанна, однако детальный анализ его работ, к сожалению, увел бы нас слишком далеко в сторону, и потому… Пойдем далее.

Если следовать Галилею, между покоящимся и равномерно движущимся телом в известном смысле устанавливается равноправие. Равномерно двигающийся по поверхности моря корабль и корабль, мирно стоящий на якоре, в равной степени не подвержены «воздействию внешних причин, вызывающих ускорение или замедление». Более того, наша Земля может покоиться в пространстве или равномерно двигаться — в обоих случаях отсутствуют «внешние причины».

Но если это так, то, может быть (может быть!), все физические процессы, протекающие на равномерно движущемся теле, в частности на Земле (если она равномерно двигается, конечно), должны протекать так же, как на покоящемся?

И (внимание!) Галилей высказывает эту мысль.

Да, он полагает, что с точки зрения механики совершенно равноправны тело, находящееся в покое, и тело, которое равномерно движется.

Любой механической опыт, поставленный на равномерно и прямолинейно движущемся теле, будет протекать точно так же, как если бы оно покоилось.

Вот он — принцип относительности Галилея!

Это положение — принцип относительности Галилея — один из самых замечательных и удивительных законов природы.

Однако уже сейчас необходимо сделать несколько замечаний.

Во-первых, внимательный читатель, вероятно, обратил внимание, что мы еще не объяснили, что такое движение, а следовательно, наши рассуждения о движущихся и покоящихся телах пока, строго говоря, бессодержательны. В дальнейших главах подробно разбирается понятие движения в механике — вопрос не такой простой и очевидный, как может казаться. Пока же мы следуем за Галилеем, а у него (как ни странно!) не было четкого представления о понятии механического движения.

Во-вторых, позже, когда будут сформулированы законы Ньютона, мы увидим, как принцип относительности Галилея можно вывести из этих законов. Сейчас же заметим, что одного закона инерции еще недостаточно, чтобы утвердить принцип относительности. И хотя несколько выше мы как бы связывали в сознании Галилея закон инерции и принцип относительности, следует признаться, что это не более чем литературная вольность.

Между законом инерции и принципом относительности действительно очень тесная связь, но Галилей скорее всего просто гениально угадал свой принцип, «подглядел» его в природе, не связывая с законом инерции. В это можно поверить, прочитав те страницы «Диалога о двух главнейших системах мира», где, по существу, утверждается принцип относительности. (Вероятно, излишне пояснять, что в современном виде сам Галилей никогда не формулировал «принцип относительности Галилея».)

«Диалог» Галилея — работа, окончательно уничтожившая систему Птолемея, — замечателен не только содержанием, но и формой. Прямо проповедовать учение Коперника нельзя — это запрещено. Но при обширных связях Галилея можно добиться появления книги, где всего лишь обсуждается эта «еретическая» система. Такая книга и написана. Он не защищает Коперника. Нет! С внешней стороны абсолютно беспристрастно анализируется спор «Птолемей — Коперник». Автор со своим отношением к предмету как будто отсутствует. Никаких выводов вроде бы не сделано. Два ученых — сторонник Коперника и защитник Птолемея — спорят между собой, а он, Галилео Галилей, просто пересказывает их дискуссию. Читатель же волен судить, чьи доводы убедительней. И вот, как беспристрастный судья, Галилей разбирает попытки опровергнуть Коперника, использовав законы аристотелевой механики.

Ведь если какие-либо механические опыты, произведенные на Земле, дали бы возможность установить, что Земля не движется вокруг Солнца, а находится в покое, то спор бы был разрешен.

И Галилей в «Диалоге» прямо приводит, казалось бы, очень веские возражения против Коперника.

Если Земля движется, то камень, падающий с башни, должен отклониться в сторону, поскольку он стремится двигаться только к центру Земли, а за время падения камня Земля «проезжает» под ним. Снаряд, выпущенный из орудия вертикально вверх, по той же причине должен упасть далеко в стороне от жерла пушки. Ядро, пущенное на запад, пролетит значительно дальше, чем на восток, так как суточное движение Земли, если оно существует, увлекает орудие к востоку, и в первом случае пушка «уезжает» от ядра, а во втором «догоняет» его. Облака и птицы должны отставать от Земли и т. д. Но повседневный опыт убеждает нас в обратном. Следовательно, Земля покоится?!

Между прочим, в «Диалоге» используется очень изящный прием спора. Все эти доводы против гипотезы о движении Земли высказывает и убедительно развивает Сальвиати — убежденный сторонник Коперника, а Симпличио — защитник Аристотеля — восхищенно слушает и поддакивает. И вот, продемонстрировав более глубокое понимание Аристотеля, чем его поклонники, использовав, казалось бы, неопровержимые аргументы в его пользу, Сальвиати — Галилей резко меняет фронт.

Провозглашая принцип относительности, он проводит аналогию между Землей и равномерно плывущим кораблем. Все тела на корабле ведут себя так, как будто он покоится: камень, падающий с мачты, всегда опускается у ее подножия; мяч, брошенный по движению или против движения корабля, полетит одинаково далеко. Ни один опыт на равномерно движущемся корабле не дает возможности установить: плывет корабль или покоится. А следовательно, ни один опыт на Земле не может сказать нам, покоится она или мчится в пространстве с колоссальной скоростью, вращаясь при этом вокруг оси.

Это утверждение Галилея, конечно, ошибочно.

Возможно, многие из вас с трудом сдерживают возмущение или, в лучшем случае, недоумение — ведь хорошо известны десятки опытов, проделанных на Земле и позволяющих установить ее суточное движение. Достаточно вспомнить о маятнике Фуко, о том, что камень, брошенный с вершины башни, отклонится к востоку^[4] и т. д. В наши дни проявлять подобную безграмотность, безусловно, неловко — эти факты известны любому десятикласснику. Эти факты известны и автору. Но Галилею они известны не были.

Ирония судьбы. Предлагая принцип относительности, Галилей не понимает, что он верен только для равномерного прямолинейного движения, и использует его для равномерного вращательного движения.

О принципе относительности подробно рассказывается в V главе.

Мы-то знаем, что механические явления на вращающемся теле будут протекать по-другому, чем на неподвижном или равномерно и прямолинейно движущемся.

Равномерное движение по окружности можно обнаружить благодаря центробежным силам и легко отличить от состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Но все эти азбучные для нас истины Галилею неведомы. Однако и в своих ошибках он значительно ближе к истине, чем Аристотель.

Уже сейчас уместно спросить, что означают слова: «тело равномерно движется»? Что значит: «тело вращается»? Ответ можно найти в IV и V главах.

Человек со средним образованием может легко увидеть ошибки и путаные места в его трудах. Но чтобы получить новые результаты такого же масштаба, необходим такой же «необыкновенный гений».

Вот и все о Галилее. В дальнейшем, вооруженные законами Ньютона, мы вернемся ко всем вопросам, которые нами разбирались. Мы четко сформулируем основные принципы механики, достигнем как будто предельной ясности и… особо остановимся на тех местах, которые остались неясными и Ньютону, — на его ошибках.

И далее мы увидим, как исследование, казалось бы, совсем другой области физики — учения об электромагнитных волнах — привело к необходимости полностью изменить все наши представления о пространстве и времени или, говоря точнее, заставить физиков задуматься над вопросом: «Что же такое время и пространство?»

Вероятно, через некоторое время произойдут новые революции в физике. Возможно, через несколько поколений взгляды нашего поколения будут казаться такими же наивными, какими представляются нам некоторые идеи Галилея, но физик любой эпохи будет с преклонением вспоминать Галилея — первого, который понял во всей глубине, что новые идеи надо искать в «великой книге — природе», опираясь только на факты.

В заключение стоит привести один пример, очень четко характеризующий строгий и честный стиль научного мышления Галилея. Многие слыхали, конечно, что гипотеза о бесконечности вселенной впервые выдвинута Джордано Бруно. Но это не совсем точно. Эта проблема, видимо, очень занимала Галилея, он неоднократно к ней возвращался. И пожалуй, пошел дальше Бруно.

Несколько сентиментальные выводы.

Поскольку еще нет никаких опытных данных в пользу конечности или бесконечности вселенной, Галилей заключает: «Я остаюсь в нерешимости, какое из этих двух положений правильно, хотя мои личные доводы заставляют меня склоняться скорее к идее бесконечности мира…»

Законы механики для человека нашего времени так же привычны и обыденны, как, например, электрическое освещение. Со школьной скамьи мы выносим непоколебимую уверенность в их идеальной строгости и безукоризненной понятости. И каждый школьник считает, что уж законы-то Ньютона ему известны и абсолютно ясны. Так ли это?

Первая попытка более пристального рассмотрения убеждает, что эти радужные представления — результат милой детской непосредственности и невинности. Это, может быть, и не очень странно. В конце концов много ли можно требовать от школьника?

Удивительным может показаться другое. До конца XIX столетия крупнейшие ученые, имена которых заслуженно блистают в золотой книге науки, не замечали, что среди основных положений ньютоновой механики есть, мягко говоря, довольно неясные утверждения.

Это весьма поразительное обстоятельство оказывается вполне понятным, если вспомнить, что за двести с лишним лет, которые разделяют «Начала» Ньютона и теорию относительности Эйнштейна, механика так великолепно оправдывалась на практике, выросла в такое стройное грандиозное здание, что для физиков даже отдаленный намек на некоторую шаткость фундамента — законов Ньютона — выглядел как вздорная, вредная и опасная ересь.

И в результате научный анализ подменила наивная и слепая вера — «вначале была механика, и Ньютон — творец ее». Можно повторить в оправдание, что в отличие от веры в дьявола вера в Ньютона каждый день подкреплялась реальными доказательствами. Но как бы то ни было, многие забыли, что основные положения механики сформулированы Ньютоном довольно нечетко. Математики не потерпели бы неясности в основах своей науки, а физики, грубо говоря, махнули на это рукой.

Не стоит в связи с этим заключать, что физики «глупее» математиков. Просто по складу своего мышления математик прежде всего стремится к безупречной логической строгости, а физик обычно полностью удовлетворяется, если его теория хорошо описывает реальные явления, и, как правило, мало заботится о строгом определении «самоочевидных» вещей. Для физика XIX столетия, например, понятия длины и времени казались совершенно ясными. Для Ньютона тоже. Но Эйнштейн показал, что как раз в этих «простых», «очевидных» вещах совершенно отсутствовала ясность.

После сказанного, естественно, возникают по меньшей мере два вопроса.

Во-первых, каким образом вообще могли работать с законами Ньютона, если они, как мы утверждали, сформулированы довольно нечетко?

Во-вторых, трудно все же поверить, что Ньютон — величайший Ньютон! — был так «наивен», как утверждалось выше. Не искажаем ли мы истину?

Ответы на эти вопросы легко получить, если вспомнить о методе Ньютона. Он прежде всего стремился установить принципы, уловить, анализируя опытные данные, общий закон. Принципы нужны ему, чтобы в дальнейшем с их помощью исследовать явления природы. Как физик, он весьма недолюбливал рассуждения общего характера. Прежде всего его интересовали практические применения законов. Может быть, поэтому Ньютон сравнительно легко относился к проблеме логически безупречного определения основных понятий. Очевидно, это его просто не очень занимало.

Главное — сформулировать законы настолько ясно, чтобы с ними можно было работать. Пусть принципы движения введены не идеально строго. Ньютона не очень заботит, что, например, понятие «масса тела» осталось, по существу, не определено, что ни слова не сказано о понятии «длина». Все равно каждому — не только физику, но любому смертному — ясно, что это такое.

Он небрежно формулирует понятие «сила», как будто не замечая, что просто несколько другими словами перефразирует свой первый закон: «Приложенная сила есть действующее на тело стремление изменить его состояние, состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».

У него просто нет времени заниматься деталями. Ему нужно создавать механику, решать конкретные проблемы.

Невольно складывается впечатление, что он стремится как можно скорее отделаться от докучливой работы по определению основных физических величин и перейти к делу. А систему аксиом механики пусть дополняют потомки.

В одном он уверен: его законы дают возможность изучать и описывать все движения, известные человечеству, а для этой цели они сформулированы достаточно ясно.

Можно высказывать различные мнения по поводу строгости обоснования механики. Можно считать, как думали до конца XIX века, что систематика Ньютона — лучшее из того, что может дать человечество. Можно, как мы убедимся далее, подвергнуть ее жестокой критике.

Но одно несомненно. Более двухсот лет ни один опыт, проделанный физиками, не давал повода сомневаться в законах Ньютона. И что бы ни говорилось в дальнейшем, ни на минуту не следует забывать, что «вначале была механика, и Ньютон — творец ее».

Прежде чем начать рассказ «без гнева и пристрастия», нужно сделать честное предупреждение.

Последующие страницы с идейной стороны, пожалуй, самый сложный раздел нашей беседы. Они могут показаться и утомительными и скучными. Но, к сожалению, чтобы понимать дальнейшее и главное, чтобы понять идеи Эйнштейна, их необходимо прочесть.

Сначала взглянем на сами законы — аксиомы механики Ньютона.

1. Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние.

2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

3. Действие всегда равно противодействию, или иначе — действия двух тел друг на друга равны и противоположно направлены.

Так их сформулировал Ньютон, такими мы узнаем их в школе. Впрочем, пока не определены основные физические понятия, использованные в них, законы механики так же содержательны и ясны, как, скажем, загадочные письмена индейцев племени майя.

Было бы наивно думать, что Ньютон не сознавал этого. Системе аксиом (своим законам) он предпосылает систему определений основных понятий. Но… уже упоминалось — систематика Ньютона неудачна. В ней кое-что лишнее, кое-чего недостает, а есть и неправильные или бессодержательные утверждения. К сожалению, впереди так много работы, что взгляды самого Ньютона мы рассмотрим только попутно, не останавливаясь на их детальном разборе.

Итак, какие основные понятия, используемые в аксиомах механики, подлежат определению и анализу?

Прежде всего понятия длины и времени. Далее — понятие движения. Затем — понятие силы. И наконец, понятие массы.

Кроме того, будет дано определение скорости и ускорения. А после этого мы проанализируем законы механики и попытаемся возможно более четко определить их физическое содержание. Такова программа.

Но прежде чем перейти к ее выполнению, необходимо сделать последнее замечание. Наша задача — не давать идеальные и общие определения, отнюдь нет! Мы просто стремимся понять физический смысл принципов Ньютона и по возможности ясно представлять себе, какое физическое содержание скрыто за теми символами и понятиями, которые мы используем.

Начнем с длины (расстояния).

Вопрос «Что такое длина?» Ньютон обходит молчанием. И напрасно. Этот вопрос продиктован не праздными выдумками хитроумного схоласта. Это вполне реальная физическая задача. Причем мы рассмотрим проблему чисто утилитарно. Мы хотим знать, как на практике определять расстояние между двумя точками или длину физического тела.

К счастью, вопрос об определении длины столь же касается геометров, как и физиков, и потому строгое математическое определение существует. (Математики не терпят никакой неопределенности.)

Определение. Длиной отрезка называется число, которое сопоставляется с каждым отрезком посредством процесса измерения.

Рецепт же для процесса измерения таков.

Чтобы измерить отрезок AB, нужно:

1) выбрать масштабный отрезок, обозначим его M (скажем, метр);

2) разбить этот отрезок на n равных между собой отрезков (допустим, 10 дециметров) — обозначим их M/n^[6];

3) откладывать отрезки AC₁ = C₁C₂ = … = C_m–1C_m = ^M/_n от точки А на отрезке AB, пока это возможно. Обозначим номер последнего m (например, 18);

4) увеличить неограниченно число n (разбивать масштабный метр на сантиметры, миллиметры и т. д.), находя каждый раз соответствующее число m (может быть, 183 см, 1834 мм…).

Это определение длины (или расстояния) остается и в специальной теории относительности.

Предел, к которому стремится отношение ^m/_n(¹⁸/₁₀; ¹⁸³/₁₀₀; ¹⁸³⁴/₁₀₀₀…), и называется длиной отрезка AB, измеренного с помощью масштабного отрезка M^[7].

Приведенное определение — типичный пример дедуктивной системы изложения — основного метода построения математики. Некоторым оно может показаться скучным и длинным, но другие, возможно, увидят в нем строгую и великолепную красоту математического мышления.

Попросту говоря, определение длины состоит в следующем.

Дайте нам масштабный отрезок, длина которого, по определению, равна единице. Откладывая его на измеряемом отрезке, мы увидим, сколько раз он уложился. Это число и есть длина измеряемого отрезка. Чтобы точно найти, сколько раз уложился масштабный отрезок на измеряемом, надо уметь откладывать и дробные доли масштаба, а значит, уметь делить масштабный отрезок на сколь угодно малые равные части. Вот и все.

Довольно существенное добавление. Математическое определение переводится на обыденный житейский язык.

Так решают вопрос математики. Но для физика и этого строгого определения недостаточно. И вот почему.

Дайте нам масштабный отрезок, говорите вы, мы его отложим вдоль измеряемого отрезка и скажем, чему равна длина. Ну, а если из-за физических условий задачи нельзя приложить масштаб? Скажем, требуется, не выезжая из Москвы, определить расстояние от Шаболовской башни до водокачки в Люберцах. Или, находясь у полотна железной дороги, не сходя с места, измерить длину проезжающего поезда. Ведь к нему масштаба не приложить. Он попросту уедет.

Далее, в процессе определения длины незримо присутствует понятие «движение». Если обратиться к геометрии, то мы будем приятно поражены, узнав, что математики считают движение понятием первичным и никак его не определяют. Физиков же это не очень устраивает.

И наконец, последнее. Математикам хорошо. Они оперируют с идеальными геометрическими отрезками. Их масштабный отрезок M не расширится при нагревании, не сократится под давлением — он обладает только геометрическими, а не физическими свойствами.

Если же мы хотим иметь строгое определение длины, пригодное для физиков, необходимо учитывать реальные свойства масштабного отрезка, а значит, сформулировать какие-то добавочные постулаты, описывающие эти свойства.

После только что сказанного может сложиться впечатление, что попытка четко определить длину и процесс ее измерения в достаточной степени безнадежна.

Впрочем, в науке, как и в жизни, можно примириться с любыми тяготами избранного пути, если знать, к чему мы стремимся, видеть перспективу. А пока вообще не очевидно, следует ли физикам заниматься такими вопросами, как скрупулезный анализ понятий длины времени и т. п. Или же решение подобных проблем, говоря грубо, досужая, никому не нужная болтовня?

«Может быть, оставим, господа, все эти вопросы математикам? Им и карты в руки. Пусть они дают строгие определения. А мы и без определений знаем, что такое длина. Это, изволите видеть, понятно каждому. И длину движущегося поезда без всяких рецептов и прикладывания масштабов прекрасно измерим. Отметим, знаете ли, просто точку на полотне и одновременно точку, против которой начало паровоза имелось. И все. Потом можете прикладывать к поезду ваш масштаб — сойдется. И вообще, господа, сводить все к прикладыванию масштаба, извините, глупость! Извольте вашим способом измерить расстояние между вершинами двух гор. Не выйдет-с! Без триангуляции не обойдетесь. А в триангуляции, изволите видеть, измерение углов присутствует, в определение ваше не входящее.

Некие сомнения. Попутно автор проявляет юмор.

Жили мы, милостивые государи, без этих определений, слава те господи, почитай с Ньютона, и ничего, неплохо жили-с. Измеряем и расстояние до звезд и длину микроорганизмов. И все без прикладывания.

Конечно, не отрицаю, нечто разумное в определении сем присутствует. К примеру-с, масштабный отрезок. Эталон длины иметь нужно, согласны? Но об эталоне длины, позвольте сказать, мы не менее вашего наслышаны. Без малого сто лет за семью замками храним. В подвалах-с.

А в целом все это не то. Натуру изучайте. Феномены-с. А основ механики не касайтесь. Здесь не вам чета люди трудились. Ньютон-с, к вашему сведению!»

Можно представить, что примерно такую отповедь пришлось бы нам выслушать от какого-либо ординарного профессора физики середины XIX века.

И с горечью приходится признать, что пока нечего возразить. Опыт, весь опыт классической физики свидетельствует против нас. Действительно, ведь обходились раньше без определений.

Тем не менее в данном случае физики основательно просчитались. Лишь Эйнштейн показал, что до теории относительности они, по существу, не знали, с какими представлениями о природе мира, о природе времени и пространства связана их наука.

Сейчас всем ясно, что такие понятия, как время или длина, нуждаются в совершенно четком определении, что в физике нет и не может быть места для самоочевидных утверждений.

Однако необходим был Эйнштейн, чтобы эти замечания, столь убедительные, когда их высказывают в общей форме, на деле стали достоянием ученых.

Физик XIX столетия не интересовался основами основ своей науки в первую очередь потому, что был убежден в невозможности появления каких-либо принципиально новых теорий.

Можно повторить, что в аналогичном случае математики оказались принципиальнее. Примерно два тысячелетия геометры мучились над доказательством пятого постулата Эвклида (постулата параллельности), руководствуясь при этом, пожалуй, только чисто эстетическими соображениями. Постулат о параллельных прямых выделялся среди остальных аксиом геометрии своей сравнительной неочевидностью и обособленностью. Именно это очень не нравилось математикам. Никакой другой причины для объяснения настойчивых попыток доказать пятый постулат не видно.

И авторы неэвклидовой геометрии (Лобачевский, Бояи, Гаусс) пришли к своим представлениям не потому, что геометрия Эвклида не соблюдалась на практике, а на основе чисто умозрительных построений.

Но если математики могли чисто логически прийти к идее, что возможны различные системы аксиом, что пространство может описываться различными геометриями, то физикам такой путь не был доступен. Во-первых, основы физики (ее аксиомы) тогда, по существу, не были разработаны. А во-вторых, сам характер исследовательской работы воспитывал предубеждение против скрупулезных логических, излишне абстрактных рассуждений. И только гений Эйнштейна помог физикам синтезировать оба метода.

Поэтому, зная, что детальный анализ основных положений классической физики необходим для понимания теории относительности, мы можем спокойно продолжать.

Посмотрим, как еще следует дополнить математическое определение длины. Мы оперировали с масштабными отрезками и с реальными физическими свойствами. Но эти свойства изменяются в зависимости от температуры, давления и прочих условий. И может оказаться, что эти свойства всегда изменяются даже в результате движения. Ну, скажем, так. У вас есть два стальных стержня — один в Москве, другой в Ленинграде. Если вы привезете ленинградский стержень в Москву и сравните с московским, они окажутся равны (то есть совпадут). А если заставить ленинградский стержень проделать более длинный путь, он может оказаться короче. Это предположение звучит дико, но оно не исключено.

Очень непривычные и потому очень трудные рассуждения.

А возможно, решает не расстояние, а время, которое стержень находится в пути. То есть чем дольше он будет в движении, тем короче (или длиннее) станет.

Тоже звучит дико. Не правда ли? Но если подумать, то придется признать, что эти предположения кажутся нам нелепыми единственно потому, что мы бессознательно, интуитивно привлекаем наш опыт. А опыт говорит, что ничего подобного не происходит.

Еще раз подчеркнем. Подобные вопросы нельзя отбрасывать на основании общих рассуждений, их можно разрешать только путем анализа опытных данных.

А всю совокупность фактов, накопленных физикой, можно выразить таким постулатом.

Постулат № 1. Всегда можно провести движение реального физического стержня относительно масштабного отрезка по любому, наперед заданному пути таким образом, что по окончании движения его длина останется такой же, как и до начала движения, при этом, конечно, предполагается, что прочие физические условия (например, температура) оставались неизменными в процессах движения.

Постулат, который по крайней мере иллюстрирует, насколько хитро строгое аксиоматическое определение длины.

Формулируя этот постулат, мы снова не стремились к безупречной строгости. Мы просто пытались, пусть грубо и неполно, отметить опытный факт: «Если в Москве имелось два равных стержня, то один из них можно провезти по всему свету так осторожно, что, вернувшись в Москву, мы найдем после окончания движения, что стержни остались равными».

Используя определение длины и этот постулат, можно утверждать, что если стержень A тождественно равен стержню B, а стержень B — стержню C, то A = C, то есть можно сравнивать длины тел, пребывающих в покое относительно друг друга, но удаленных один от другого на большое расстояние. Это, впрочем, уже тонкости.

Пожалуй, стоит отметить вот какую сторону вопроса. Несколько раньше мы уже сетовали, что в отличие от математиков физики имеют дело с реальными объектами и должны помнить о реальных физических свойствах. Так вот, постулат, по существу, утверждает, что длина физического стержня, участвующего по крайней мере в некоторых видах движения, остается постоянной (и в этом он ничем не отличается от масштабного отрезка), то есть после окончания движения он остается таким же, как и до начала.

Значит, имея определение длины, дополненное постулатом № 1, можно совершенно точно измерять и сравнивать длины неподвижных относительно друг друга предметов^[8].

Но пока мы не владеем никаким другим методом определения длины, кроме прикладывания к измеряемому предмету масштаба, и не знаем по-прежнему, как определять длину предмета, который двигается относительно масштабного стержня.

С первой трудностью можно разделаться сразу.

Чтобы измерить длину предмета, неподвижного относительно эталона длины, мы можем воспользоваться любым методом определения длины, разрешенным геометрией, например методом триангуляции, без которого были бы совершенно немыслимы точные геодезические измерения. Идея триангуляции очень проста и, конечно, многим знакома.

Обобщение рецепта измерения. На помощь приходит геометрия.

Допустим, нужно измерить отрезок AB. Тогда под произвольным углом к AB строим отрезок AC — базу, — длину которого точно определяем, откладывая масштаб. После этого измеряем угол A и угол C. Узнав их, мы однозначно определим ABC и, использовав формулы тригонометрии, можем вычислить длину AB.

Таким путем, имея базу АС, скажем, зная расстояние между двумя кремлевскими башнями, можно совершенно точно определить расстояние до шпиля университета (AB), не занимаясь утомительным, а часто и невозможным откладыванием масштаба. Полезно помнить, между прочим, что геодезические измерения вообще немыслимы без применения триангуляции.

Но для нас интересно другое. Для измерения длины AB использовался физический процесс, совершенно отличный от процесса измерения длины, данного в определении. Мы не откладывали вдоль AB масштаб, а привлекли измерение углов. Можно ли было утверждать заранее, что длина AB, полученная методом триангуляции, совпадает с длиной AB, измеренной откладыванием масштаба? Не есть ли «триангуляционная длина» AB нечто отличное от «нормальной длины»? Ведь мы использовали два совершенно различных рецепта измерения. Заранее, конечно, мы не могли ожидать такого совпадения.

Однако, вспомнив, что теоремы геометрии доказывают равенство результатов измерения длины путем триангуляции и откладыванием масштаба, а также зная, что в окружающем мире соблюдается наша геометрия^[9], мы заключаем, что «нормальная» и «триангуляционная» длины совпадают.

Описывает ли наша геометрия окружающий мир или нет — решает опыт. Если, используя в расчетах геометрию Эвклида, мы получили бы при триангуляции другие результаты, чем при откладывании масштаба вдоль прямой AB, то должны были бы заключить, что в мире осуществляется какая-то другая, неэвклидова геометрия.

Конечно, во всех практических задачах считают, что мир описывается геометрией Эвклида.

Все, что сказано о методе триангуляции, конечно, относится и к любому другому процессу определения длины, опирающемуся на геометрию.

Итак, зная геометрию мира (и сведя к ней вопрос об измерении длины), мы сразу овладеваем бесчисленным числом рецептов измерения длины, ибо геометрические теоремы доказывают, что все они тождественны основному рецепту — «откладыванию масштаба».

Приведем теперь краткое резюме. Вот что сделано.

Дано определение понятия длины, заимствованное у математиков. Из определения вытекает, что для измерения длины необходимо иметь выбранный по соглашению вполне реальный эталон длины — масштабный стержень.

Введен постулат, который мог показаться весьма туманным. Но он был необходим, чтобы в вопросах измерения длины неподвижных относительно измерителя тел полностью опираться на геометрию.

Вскользь отмечено, что только опыт показывает, какая геометрия описывает наш мир.

Было установлено, что все рецепты измерения длины неподвижных тел сводятся благодаря геометрии к основному рецепту — откладыванию масштаба.

И в результате… не получено как будто ничего нового.

Мало того, предложенный рецепт измерения не подходит для измерения длины тел, движущихся относительно наблюдателя. Довольно точно, хотя несколько вульгарно, это можно пояснить так: «К движущемуся предмету масштаб не приложить: измеряемый предмет просто-напросто уедет».

Казалось бы, возможно использовать многочисленные косвенные способы измерения, подобные, например, триангуляции. Однако если детально проанализировать все мысленные возможности, окажется, что все способы определения длины движущегося тела в конечном итоге сводятся к следующему рецепту-определению:

Чтобы измерить длину стержня, двигающегося относительно наблюдателя, необходимо одновременно зафиксировать начальную и конечную точки измеряемого стержня на предмете, неподвижном относительно наблюдателя.

После этого откладыванием масштаба измерить расстояние, которое получилось на нашем «неподвижном предмете». Эта длина и есть длина движущегося стержня.

Важнейшее определение. Длина движущихся тел. К этому месту стоит вернуться тем читателям, которые доберутся до главы XII.

Если выражаться не так учено, то все сводится к следующему.

Вы стоите, скажем, на платформе железнодорожной станции, снабженные всеми мыслимыми измерительными приборами. Мимо вас едет поезд, длину которого необходимо измерить. Тогда вы:

а) отмечаете на платформе две точки, против которых одновременно находились конец и начало поезда;

б) затем измеряете расстояние между этими точками и говорите, что это и есть длина поезда.

Именно такое определение длины движущихся тел бессознательно принималось в классической физике.

Возможно, многие не убеждены в том, что все применяемые физиками способы измерения длины движущихся относительно наблюдателя тел сводятся только к одновременному фиксированию начальной и конечной точек. Но это утверждение придется принять на веру. А сейчас важно отметить другое.

Если поверить, что действительно с принципиальной точки зрения нет другого рецепта измерения длины движущихся относительно наблюдателя тел, кроме указанного, то:

во-первых, необходимо определить, что такое одновременность событий и как вообще измеряют время;

во-вторых, где уверенность, что новый рецепт измерения даст тот же результат, что и старый — откладывание масштаба?

Но прежде чем отвечать на эти вопросы, подчеркнем одно важное обстоятельство, с непониманием которого очень часто связано непринятие теории Эйнштейна.

Так как старое определение длины (откладывание масштаба) не годится для движущихся тел, мы вынуждены были заново определять, что такое «длина стержня, движущегося относительно масштабного отрезка», вводя тем самым новое физическое понятие.

Это понятие определяется новым процессом измерения. И очень важно уяснить, что мы не можем, не имеем права считать, что длина движущегося тела обязательно совпадет с длиной неподвижного тела, которую мы уже определили ранее. И только опыт скажет, будут ли эти длины совпадать или нет^[10].

Но определение длины движущихся тел таково, что никакими логическими доводами не докажешь: «Длина движущегося тела — то же самое, что длина неподвижного тела». По существу, это два различных физических понятия.

Конечно, в классической физике (физике малых скоростей) длину движущихся тел определяли (точнее, бессознательно определили) так, чтобы она совпадала с длиной неподвижного тела. Опыты показывали, что совпадение было. Но когда добрались до скоростей, близких к световой, те же опыты показали уже другое. Оказалось, что на самом деле совпадения нет. Это было очень непривычно, но и не более…

Чтобы разобраться в понятии «длина движущегося тела», необходимо выяснить:

1. Что такое время?

2. Что такое одновременность?

Но перед этим полезно уделить немного внимания эталонам.

Эталоны. Их значение и чуть-чуть истории.

Вероятно, все слышали, что в каждом солидном государстве существует Палата мер и весов, где исключительно бережно хранятся эталоны длины, веса, времени и всех прочих физических величин.

Но, возможно, далеко не все задавались вопросом: имеют ли эти палаты какой-либо практический смысл, или они просто являют собой торжество чистой науки?

Любопытно, что иногда по этому поводу можно услышать, что точные часы в Палате мер и весов, безусловно, необходимы, а вот эталон метра спокойно можно выкинуть. Все равно никто его не использует.

Опять поучения.

Подобные замечания прекрасно иллюстрируют, как мы склонны, сознательно или несознательно, обобщать свой личный опыт, создавать правила, используя привычные, обыденные факты (в данном случае ежедневную проверку своих часов по сигналам точного времени).

Однако поскольку довольно ясно, как практически важны эталоны длины (так же, конечно, как и эталоны других физических величин), вряд ли стоит тратить время на опровержение подобных взглядов.

Наш современный эталон длины — метр — и, соответственно, вся метрическая система измерения введены в годы Великой французской революции. Метр был определен несколько необычно — как «одна сорокамиллионная (¹/_40 000 000) часть земного меридиана». Иными словами, за основной реальный объект, который предъявляет физик при измерении длины, был взят довольно неудобный предмет — Земля.

С таким странным выбором эталона связана любопытная история.

Председателю комиссии по введению метрической системы и автору этой системы замечательному французскому математику Лапласу для своих работ необходимо было точно измерить земной меридиан. Но в те годы Франция вела непрестанные тяжелые войны, и никто, конечно, не дал бы ему средств на организацию экспедиции, посвященной столь абстрактной проблеме.

Иное дело — решение такой практически важной задачи, как введение новой удобной и простой системы мер. До введения метрической системы во Франции, да и во всем мире, с измерениями царила жуткая неразбериха: чуть ли не в каждой провинции была своя система, причем все они были исключительно неудобны.

Лаплас (который, кстати, был недурным политиком, хотя, мягко говоря, не очень щепетильным и принципиальным государственным деятелем) запросто убедил всех, что измерение земного меридиана необходимо для введения новой системы мер.

Меридиан (точнее, дуга меридиана) был измерен. Наука получила очень важные данные, а человечество — очень удобную систему мер, быстро распространившуюся по всей Европе, исключая Британскую империю.

Англичане, как известно, весьма уважают традиции и старину и остались верны футам, дюймам и ярдам (хотя Кельвин как-то ехидно заметил, что английская система мер была бы самой нелепой в мире, если бы не существовало английской денежной системы).

Различные сведения об эталонах длины. Рассуждения.

После измерения меридиана был изготовлен металлический стержень — метр. Он и есть наш масштабный стержень — эталон.

Представители многих стран договорились расстояние между штрихами на этом стержне считать единицей длины. Все линейки, все шкалы измерительных приборов в конечном итоге скопированы с этого метра.

Дальнейшие более точные измерения показали, что архивный метр только приблизительно равен одной сорокамиллионной доле земного меридиана, но эталон из-за этого менять не стали. С парижского метра сняли точнейшие копии и разослали их во все государства. У нас в Советском Союзе за государственный эталон принята копия № 28 — стержень, изготовленный из платино-иридиевого сплава.

Непосредственно с этой копии градуируют шкалы наиболее точных измерительных приборов. С их шкал, в свою очередь, копируют шкалы менее точных и так далее, до школьной сосновой линейки, находящейся, пожалуй, на низшей ступеньке феодальной лестницы, на вершине которой царит парижский метр.

В общем вспоминается та незримая нить, которая, по авторитетному свидетельству горьковского жандарма, связывала государя императора с каждым дворником Российской империи.

А что будет, если парижский метр погибнет или, еще проще, изменит свои свойства?

Поскольку есть его точнейшие копии, реально — ничего страшного: «небольшой дворцовый переворот».

За эталон длины по международному соглашению примут, например, лондонский или московский метр. И так как новый эталон с высочайшей степенью точности совпадает с парижским метром, то перемена правления (эталона) не затронет «народ» — измерительные приборы. Все останется по-прежнему. В самом крайнем случае, если испортились и эталон и все его точные копии, можно будет восстановить эталон длины, опять измерив меридиан Земли. Впрочем, подобные предположения относятся к той фантастике, которая допустима только в детективно-фантастических романах.

Но если бы (что сравнительно реально) московский метр слегка удлинился от повышения температуры, в Советском Союзе была бы порядочная неразбериха и путаница, пока не установили бы, что копия испортилась. Поэтому эталоны длины хранят в глубоких подвалах, где все время поддерживается постоянная температура, исключены малейшие сотрясения и т. д. (Кстати, поэтому же эталоны готовят из сплавов с минимальным коэффициентом теплового расширения.) Короче, эталоны хранят в таких условиях, чтобы быть уверенными в неизменности их свойств.

Кажется, в Париже помещение, где находятся эталоны физических величин, заперто на три замка. Ключи от этих замков хранят три руководящих сотрудника Палаты, не передавая их никому другому. Чтобы проникнуть в хранилище, необходимо их одновременное согласие и присутствие. Пожалуй, это один из немногих случаев, когда можно приветствовать бюрократические методы.

Естественно, все, что сказано об эталоне длины, относится и к эталонам любой физической величины. Суть одна. Физики берут какой-то реальный предмет (или реальный физический процесс), свойства которого сохраняются неизменными, и говорят: «Вот единица длины (или единица массы, электрического сопротивления, времени и т. д.). Мы так условились, и теперь извольте все измерения производить нашей единицей». Понятно, что если свойства эталона нестабильны, то с измерениями произойдет такая путаница, что измерителя выгонят вон вместе с эталоном.

Об эталоне длины можно рассуждать еще весьма долго. Мы, например, совершенно умолчали, что в наши дни в качестве эталона длины следует выбрать длину волны какой-либо линии испускания или поглощения в спектре атома^[11]. Такой эталон хорош, поскольку весь опыт физиков показывает, что его свойства остаются неизменными.

Например, длина волны желтой линии натрия (желтого дублета натрия) неизменна для всех атомов натрия на Земле. Главное достоинство такого эталона в том, что он всегда под руками. Впрочем, есть и существенный недостаток — эталон очень мал (порядка микрона — 10^-4 см).

У нас нет возможности рассказывать обо всем этом более подробно. Но стоит упомянуть об истории системы мер.

Представьте, что историк прочел в древнегреческой книге: «Высота Александрийского маяка была 0,8 стадия». Не надо читать все предыдущее, чтобы понять, что этим мало что сказано. Чему равен стадий? Что это за единица длины?

Вы можете встретить и в других местах упоминание о стадии, можете узнать, сколько локтей (другая единица длины) содержит стадий, но пока вам не предъявят реальный предмет и не скажут: «Вот этот меч имеет длину один локоть, а в стадии 360 локтей», — вы ровно ничего не узнаете.

Мало того, вы еще должны быть уверены, что эталон сохранился неизменным.

Но и этого недостаточно. Допустим, в другой книге есть указание, что наименьшая ширина Геллеспонта — 4 стадия. Геллеспонт (Дарданеллы) существует и сейчас, и вряд ли изменилась ширина пролива. Но кто знает, с какой точностью измерили его греки? Этот пример перекликается с забавной историей определения длины земного меридиана. С детских лет мы слышим, что Эратосфен Киренский определил окружность Земли с удивительной точностью. Он получил 39 681 километр. Однако не очень ясно: как это стало известно? Ведь у Эратосфена длина меридиана определена в стадиях — 252 тысячи стадий. Очевидно, как-то определили, чему равен стадий. Изумительное по четкости сообщение можно найти в энциклопедическом словаре.

На число 39 681 следует обратить внимание, как на пример бессмысленного стремления к точности.

Стадий — древнегреческая мера длины: 174–230 метров!

Удивленный подобной точностью, я обратился к специалисту по древнегреческой истории. Он перерыл довольно много книг, прежде чем сообщил результаты. И увы! Создалось впечатление, что о системе мер у греков нам почти ничего не известно. Неясно, была ли вообще в эллинском мире единая система мер. Имели ли греки эталон длины? Чему равен стадий? И наконец, с какой точностью Эратосфен вычислил земной меридиан? Правда, на египетских гробницах высечены эталоны локтя, но никто, кажется, не знает, был ли этот локоть принят во всей Элладе. Вообще историки как будто не слишком интересуются историей системы мер, считая, что это частный вопрос. А, между прочим, по качеству системы мер можно очень много сказать о развитии, например, торговых связей. Широкая торговля, особенно денежная, немыслима без существования эталонов длины и веса.

Любопытные сведения имеем мы об эталоне длины у арабов. Там эталоном считалась толщина волоса с морды осла. Вряд ли имеет смысл объяснять, как нестабилен эталон, целиком определяемый личными качествами осла, которые, как показал многовековой опыт человечества, весьма разнообразны.

Еще более анекдотичен с нашей точки зрения эталон древних монголов — дневной конский переход. Тут уж ни о какой стабильности говорить не приходится, хотя соратников Чингисхана подобное измерение расстояний, очевидно, вполне устраивало.

Интересно также отметить, как практика диктует выбор эталона длины. Единица длины обычно выбиралась соразмерно с человеческим телом.

Ярд, как гласит предание, — это расстояние от кончика носа короля Генриха II до концов пальцев его вытянутой в сторону руки. Фут выдает само название (ступня). Локоть древних — тоже. Русская сажень — расстояние между пальцами раскинутых рук. И наконец, хитроумный Лаплас за единицу длины выбрал — ¹/_40 000 000 земного меридиана просто потому, что метр — длина того же порядка, что и рост человека.

На этом с длиной закончим…

Здесь начинается обсуждение понятия времени в физике. Это важнейший вопрос, но многое для читателя, вероятно, окажется неожиданным, а потому и сложным.

Пожалуй, до Эйнштейна почти никто не задумывался над вопросом: что же такое время? Практически физики удовлетворялись загадочным определением Ньютона.

Впрочем, надо заметить следующее.

Развернутую критику основных положений механики Ньютона провел Эрнст Мах. Это имя хорошо известно как имя автора реакционной идеалистической философской системы — махизма.

Что касается его философских взглядов, а также физических выводов общего характера, сделанных им на основе своей философской системы (например, отрицание существования атомов), тут, мягко говоря, ничего хорошего не скажешь.

Но его критика Ньютона, безусловно, в целом была прогрессивна, и Эйнштейн не раз упоминал, что эти работы Маха оказали на него большое влияние.

В работе Маха существенна негативная часть — фиксирование ошибок или бессодержательных положений Ньютона. Полной ясности в основные положения механики Мах, конечно, не внес. Его положительные утверждения также во многом ошибочны или бессодержательны. Но заслуга Маха в том, что он первый пробил брешь в стене слепого преклонения перед Ньютоном.

Ньютон о времени. Абсолютное время — образец бессодержательного определения.

Вот что писал о времени Ньютон: «Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью».

«Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год».

И еще очень интересное для нас замечание:

«Дело в том, что естественные солнечные сутки, которые мы обыкновенно как меры времени считаем равными, в действительности не равны».

Это определение абсолютного времени великолепно иллюстрирует, как Ньютон-философ противоречит Ньютону-физику.

Ньютон-физик признает только те физические понятия, которые можно реально исследовать. Ньютон-философ навязывает Ньютону-физику совершенно бессодержательное понятие абсолютного времени, причем само определение исключает возможность сказать что-либо об этом времени. Та же самая история повторяется при определении понятия пространства.

Ньютон-физик в таких вопросах безмолвствует и утешается только тем, что эти понятия он, по существу, не использует при решении конкретных задач. Впрочем, иногда физик позволяет себе скептические замечания, которые совсем не вяжутся со взглядами философа, но философ быстро призывает его к порядку.

Надо заметить, что ньютоновское абсолютное время введено крайне неудачно и с философской точки зрения, поскольку, если верить Ньютону, время никак не связано с материей.

Используя опыт определения понятия длины, мы сравнительно просто расправимся и с временем. Будем действовать по аналогии.

Прежде всего нам необходим эталон времени, аналог масштабного стержня.

Чтобы иметь эталон времени, мы должны взять какой-либо физический процесс (например, вращение Земли вокруг своей оси) и объявить: «Длительность этого процесса и есть единица времени».

Стоит еще раз напомнить, что речь идет о, так сказать, «физическом», а не о философском определении времени.

Так мы создаем часы — эталон. Причем эталон времени, так же как эталон длины, обязан сохранять постоянными свои свойства, должен оставаться неизменным.

Иными словами, чтобы создать часы, мы должны взять за основу такой физический процесс, который можно тождественно повторить сколь угодно большое число раз. И безразлично, повторяется ли этот процесс сам по себе, по своей природе (как вращение Земли вокруг своей оси), или мы искусственно можем создать условия повторяемости (часы с маятником).

Как видите, определение эталона времени очень сходно с определением эталона длины.

Имея эталон времени, мы, естественно, должны сформулировать рецепт измерения времени. И уж после этого можно облегченно вздохнуть.

Но прежде чем давать рецепт, вспомним замечание Ньютона:

«Естественные солнечные сутки^[12], которые мы считаем равными, в действительности не равны».

Начинается детальный и кропотливый анализ, казалось бы, совершенно ясного вопроса, и, естественно, все усложняется.

После сказанного выше эти слова не очень понятны — ведь если за эталон времени мы взяли солнечные сутки, то тем самым мы решили, что они равны между собой по определению.

Тогда бессмысленно как будто ставить так вопрос: «Равны между собой сутки в действительности или нет?»

Но не будем торопиться с выводом. Уже несколько раз упоминалось, что существеннейшее требование, предъявляемое к эталону, — неизменность его свойств. И пожалуй, давно пора ответить на вопрос, который, вероятно, возник у многих.

Как установить, что свойства эталона (например, длина эталона длины) изменились или остались неизменными? И вообще какой смысл вкладываем мы в эти слова? Что значит «остались неизменными»? По отношению к чему?

Ставится, вероятно, неожиданный, но существенный вопрос.

Ведь эталон сам определяет единицу измерения той или иной физической величины, и ему мы обязаны верить в первую очередь. Предъявив реальный предмет — единицу измерения, мы тем самым кладем конец всяким разговорам. Можно считать, что парижский метр, по определению, останется единицей длины, даже если он, например, расширится от нагревания.

И такое решение будет совершенно логично.

Однако часто построения, безукоризненные с точки зрения логики, могут не иметь ничего общего с реальным миром. Самые яркие тому примеры дает математика. Можно построить очень много логически безупречных геометрий, но в реальном мире осуществляется какая-то одна-единственная.

Поэтому если эталон длины — метр — вдруг перестанет совпадать со всеми своими копиями, а между копиями по-прежнему будет царить полное согласие, физик скажет, что его эталон в действительности испортился, и выберет новый.

Но заметить, что свойства эталона изменились, можно только одним путем — сверить эталон по объектам, в неизменности свойств которых нет оснований сомневаться. Если будет получен новый результат — значит эталон изменился. Поясним примером.

Если представить себе десяток трехлетних ребятишек, выбравших за неизменный эталон длины рост одного из своих сверстников, то с их точки зрения может оказаться, что рост любого члена компании остается почти неизменным. Более того, если выбранный ими «эталон» станет опережать остальных в росте, они будут горестно утверждать, что их рост уменьшается.

Но довольно скоро они заметят, что все окружающие предметы: стулья, столы, родители, комната, собаки — становятся как бы меньше (точнее, не такими большими). Тогда наиболее толковый заключит и, вероятно, быстро убедит остальных, что «на самом деле» все они растут. Старый «эталон» будет свергнут, и они выберут новый: например, за эталон возьмут отметку на двери, сделанную отцом.

Причем расстояние от пола до этой отметки они будут считать строго неизменным, поскольку соотношение между этим расстоянием и окружающими предметами не будет нарушаться.

В принципе точно так же рассуждают и ученые.

Под руками у физика сотни самых разнообразных предметов, соотношения между которыми ему известны. Если говорить о длине, то ученые располагают парижским метром, десятками его копий и сотнями и тысячами объектов, длина которых измерена эталоном. Например, длина земного меридиана приблизительно равна 40 000 000 эталонов длины. И это соотношение изменится только в том случае, если изменит свои свойства либо Земля, либо метр.

Пусть прямыми измерениями когда-то были установлены соотношения между эталоном длины и самыми разнообразными по своим свойствам объектами (длины волн в спектре атомов, длина земного меридиана, копии метра и т. д.).

Если эти соотношения между всеми объектами остаются неизменными, можно утверждать, что длина каждого объекта неизменна.

Действительно, все соотношения остаются неизменными, поэтому если длина и изменяется, то совершенно идентично у всех изучаемых предметов. А нет никаких оснований думать, что есть какая-то скрытая причина, которая совершенно единообразно (пропорционально) изменяет длину самых разнородных по своей природе объектов.

Уместно вспомнить слова Ньютона: «Скрытым свойствам нет места в натуральной философии!»

Напротив, если нарушится соотношение между одной из копий эталона со всеми остальными, мы говорим, что данная копия эталона изменила свои свойства.

В целях удобства один из таких объектов объявляется «главным» эталоном, а остальные — его копиями.

Но если нарушатся соотношения между «главным» эталоном и его копиями, мы скажем, что его свойства изменились, и поступим так же, как мальчишки, о которых шел разговор, — за эталон длины выберем какую-нибудь из копий.

Конечно, все только что сказанное относится не только к длине, но и ко времени и вообще ко всем основным физическим величинам.

Итак, по существу, физик имеет не один эталон длины, времени и т. п., а целое семейство эталонов. Причем замечательно, что его члены должны иметь как можно меньше физического родства. Пока в «семье» царит согласие, мы говорим, что свойства каждого члена остаются неизменными. Если мы, исследуя новый физический объект, замечаем, что соотношения между ним и каждым членом семьи эталонов остаются неизменными, эталоны принимают его в свою фамилию.

Но как только один из «родственников» нарушает согласие, его безжалостно выкидывают на улицу.

Поэтому можно сказать: «Длина предмета изменилась в действительности, если изменились соотношения между каким-либо предметом и всем семейством эталонов длины».

Точно так же, установив изменение соотношения между солнечными сутками и всем семейством эталонов времени (звездными сутками, периодами полураспада радиоактивных элементов, периодами колебаний пьезокварцевой пластинки и т. д.), мы говорим, что в действительности изменяется продолжительность солнечных суток.

Но в эти слова мы вкладываем совсем другой смысл, чем Ньютон. Он говорил об изменении продолжительности суток по отношению к некоему неведомому «абсолютному времени». Мы же говорим об изменении продолжительности суток по отношению к семейству эталонов времени. Этот и только этот смысл имеют слова «в действительности».

Очень существенно отметить вот что.

Уточнив понятие эталона, введя понятие семейства эталонов, мы уже не субъективно рассуждаем о неизменности свойств эталона, а используем объективные свойства реального мира. Неизменность соотношений между эталонами — совершенно реальный факт реального мира, и поэтому утверждение, что свойства семейства остаются неизменными, совершенно объективно.

Можно, однако, предложить неприятный, хотя и достаточно странный вопрос.

Разбирается некий пример, принадлежащий, очевидно, какому-либо агностику.

Представьте себе, что жители туманности Андромеды (если верить И. А. Ефремову, они значительно опередили в своем развитии жителей нашей планеты), обладая значительно более мощными, чем мы, телескопами, установили, что с их точки зрения доступная нашему обозрению часть вселенной непрерывно пульсирует. Измеряя своими эталонами, они убедились, что все наши предметы и расстояния между предметами совершенно единообразно увеличиваются и уменьшаются.

Допустим, «с их точки зрения» все линейные размеры, и в том числе, конечно, линейные размеры семейства эталонов длины, абсолютно единообразно периодически уменьшаются и возрастают в 100 раз.

Для жителей туманности Андромеды этот факт будет таким же объективным и реальным, как для нас утверждение, что линейные размеры семейства эталонов длины остаются неизменными.

Действительно, поскольку согласие внутри семейства эталонов не нарушилось, мы не заметили бы, что все линейные размеры периодически изменяются.

Что происходило бы «в действительности»? Не с нашей точки зрения, не с точки зрения гипотетических жителей этой самой туманности Андромеды, а в реальном, объективном мире, который, как известно, не зависит ни от каких точек зрения?

Может быть, ответ мы получим, вспомнив, что есть физические законы, связанные с расстоянием и с другими физическими свойствами. Это, например, законы взаимодействия частиц, закон всемирного тяготения, закон Кулона, законы межмолекулярных взаимодействий. Ведь поскольку с нашей точки зрения все физические законы и свойства остаются неизменными, жители туманности Андромеды увидели бы, как периодически меняется масса тел, закон всемирного тяготения, законы межатомных взаимодействий — словом, все физические свойства и законы нашей части вселенной. Они говорили бы, что эта часть вселенной — удивительный мир, законы которого поразительно странны.

А мы были бы уверены, что все законы природы остаются неизменными. Может ли так случиться? Ну что ж, такое предположение еще более странно, но чем черт не шутит…

Возможно, ученые двух миров, встретившись между собой где-нибудь на нейтральной почве — скажем, в районе туманности Лиры, — увидели бы что-то совершенно, новое (допустим, пульсировали бы оба мира).

Так что же все-таки происходило бы в действительности в реальном, совершенно не зависящем от любого из наблюдателей едином мире?

А в мире совершенно реально, совершенно независимо от наблюдателей происходило бы вот что: изменялись бы вполне определенным образом все физические соотношения между частями вселенной. И каждый из наблюдателей описывал бы эти изменения, используя те понятия и законы, которые он установил, изучая свою часть вселенной.

Все наблюдатели опирались бы на вполне объективные факты, на свои совершенно объективные определения основных физических понятий. И каждый рассказал бы, что происходит в действительности, на своем языке, потому что физические понятия и физические законы — это наш язык для описания реального мира.

Таким образом, в рассматриваемом совершенно невероятном случае были бы правы и жители туманности Андромеды и мы, жители Земли.

Почему мы склонны считать, что рассмотренный пример абсолютно фантастичен? Только поэтому, и никаких других оснований нет, что ни один опыт не заставляет нас предположить что-либо подобное.

И мы уверенно говорим, что звездные сутки неизменны в действительности. Хотя твердо помним, какой смысл имеют эти слова, и не будем слишком поражены, узнав, что с точки зрения наблюдателя, находящегося в других физических условиях, это неправильно. Мы быстро договоримся с этим наблюдателем, с какой точки зрения описывать реальный мир. Вероятно, будет избрана наиболее простая и логически более стройная система законов. Но это уже другой вопрос. Важно, чтобы оба описания отражали реальность.

Впрочем, и звездные сутки сейчас «скомпрометированы». Самые надежные эталоны — кварцевые, молекулярные и атомные часы.

Как видите, для выяснения, казалось бы, абсолютно четких слов «в действительности» потребовался сложный анализ.

Почему стоило потратить на это время?

Только для того, чтобы по возможности ясно представить природу физических понятий. После этого идеи и выводы Эйнштейна не должны особенно смущать. Так что сейчас мы страдаем для будущего.

…Теперь дадим рецепт измерения времени и покончим с этим понятием.

Чтобы измерить длину, необходимо было уметь делить эталон длины на сколь угодно малые равные части. Аналогично, чтобы измерить время, необходимо уметь делить на малые равные части эталон времени.

Возвращение к рецепту измерения времени. Этот отрывок имеет особое значение для понимания теории Эйнштейна.

С длиной было сравнительно просто — нас выручила геометрия. Но понятие времени в геометрии отсутствует, и придется обойтись без помощи математиков.

Разбить эталон любой физической величины на равные отрезки — значит ввести, по существу, в семейство эталонов новый, меньший эталон. Мы всегда сможем его найти среди бесчисленного числа физических процессов, нас окружающих^[13].

Если есть эталон — часы, то, чтобы измерить продолжительность любого физического процесса, достаточно засечь показания часов одновременно с его начальным и конечным моментами. Интервал времени, прошедший на часах, и определяет продолжительность исследуемого явления.

Но что значит, что два физических события произошли в одной точке пространства одновременно? Кажется, это довольно очевидно. Однако, чтобы читатель знал, что его страдания не напрасны, заметим: это «очевидное» понятие — центральный пункт теории Эйнштейна.

Дадим строгое определение:

Определение 1. Два события, происшедших в одной и той же точке пространства, и таких, что, вообще говоря, любое из них может быть причиной или следствием другого, называются одновременными в том единственном случае, когда ни одно из них не может быть причиной или следствием другого.

Это определение остается и в теории Эйнштейна.

Ясно и логично. Не так ли? После такого определения нам не составит никакого труда сравнить, например, ход двух часов, находящихся в одной точке пространства.

А как это сделать с часами, находящимися в разных точках?

Кажется, тоже ясно. Надо одновременно засечь показания обоих часов.

Но как это сделать? Ведь мы определили понятие «одновременности двух событий, происшедших в одной точке». А что означает: «два события произошли одновременно в разных точках пространства»?

Приходится дать еще одно определение.

Определение 2. Два события, происшедших в разных точках пространства, называются одновременными в том единственном случае, когда ни одно из них не может быть причиной или следствием другого.

А вот это определение пришлось существенно изменить.

Итак, определение дано. Но вот что осталось неясным. Пусть в одной точке пространства X₁ произошло событие A. Вообще говоря, пройдет некоторое время, прежде чем в другой точке — X₂ — смогут узнать, что это событие произошло.

Пожалуй, стоит пояснить эти несколько абстрактные рассуждения примером.

Совсем недавно в газете появилась заметка «Секундомеры щелкают одновременно». Речь шла о том, что раньше судья на финише беговой дорожки не мог точно зафиксировать момент стартового выстрела. Пока звук доходил от старта к финишу, терялись десятые доли секунды (для стометровой дорожки — больше 0,2 сек.). Теперь к пистолету судьи-стартера приделана лампа-вспышка, синхронно срабатывающая с выстрелом, и судья на финише пускает секундомер, как только увидит свет^[14]. Считается, что эти события (выстрел и пуск секундомера) происходят одновременно. Но если рассуждать строго, придется признать, что выстрел на старте (точка X₁ и событие А) и пуск секундомера (точка Х₂ и событие В) по-прежнему неодновременны. Ведь свету потребовалось время, чтобы добраться до финиша, хоть и ничтожно малое, но все же потребовалось. И то, что судья на финише нажимает секундомер, как раз вызвано вспышкой на старте (событие В причинно связано с А).

Слегка нарушим «детективный» стиль и признаемся, что именно это предположение лежит в основе теории относительности.

Однако самые любопытные выводы получатся, если допустить, что существует максимально возможная конечная скорость передачи сигналов (может быть, скорость света?). Тогда есть и какое-то минимальное время t_инф, за которое сигнал от Х₁ дойдет в Х₂ (от старта к финишу).

Но если так, то любая пара событий в точках Х₁ и Х₂, разделенных интервалом времени, меньшим времени информации, не может быть связана соотношениями причины и следствия. (Нельзя сообщить на финиш о выстреле судьи стартера быстрее, чем световым лучом. А пока луч идет…)

Значит, если следовать нашему определению, то событию А в точке Х₁ будет соответствовать сколь угодно большое число одновременных с ним событий в точке Х₂. И раз так — определение не однозначно.

Как видите, приходится обсуждать и такое «очевидное» понятие, как одновременность. Странно, но, по-видимому, одновременность двух физических событий в разных точках пространства отнюдь не самоочевидное понятие.

В общем такой докучливый анализ может порядком утомить.

Поэтому давайте введем гипотезу: «Имеются, по крайней мере принципиально, сигналы, которые распространяются с бесконечно большой скоростью».

Вот эта гипотеза оказывается как раз и неверной.

Теперь можно однозначно определить два одновременных события в разных точках пространства. А значит, можно сравнить ход часов, расположенных в двух различных точках, и установить, в частности, синхронны они или нет.

Неправильное доказательство. Законы тяготения Ньютона справедливы только приближенно.

Откуда взята наша гипотеза? Строго говоря, у физиков не было почти никаких доводов в ее пользу. Впрочем, один был. Дальше мы увидим, что вся теория тяготения основана на предположении, что тяготение распространяется с бесконечно большой скоростью. А теория тяготения Ньютона соблюдается идеально точно. Это опытный факт. Тяготение и есть пример сигнала с бесконечной скоростью. Следовательно, постулат о распространении сигнала с бесконечной скоростью тоже результат опыта.

На этом с определением понятия времени и одновременности покончим и сделаем выводы.

Нет никаких оснований считать, что вся наша система понятий длины и времени справедлива сама по себе. Все положения, все постулаты опираются на опыт и только на опыт. Поэтому можно быть уверенными, что хотя бы приближенно они верны. Но если новые опыты покажут, что, строго говоря, наши выводы несправедливы, мы их изменим. И при этом никакой трагедии не произойдет. Мы просто еще раз отметим, что наши постулаты лишь приближенно описывают реальный мир. И порадуемся тому, как убедительно доказывает нам это «верховный судья физики — эксперимент»^[15].

Начнем с цитат. Исаак Ньютон — «Математические начала натурфилософии» (из основных определений):

«Абсолютное пространство, благодаря своей природе безотносительно к чему-либо внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным».

«Относительное пространство есть мера или подвижная часть абсолютного пространства; наши чувства обозначают относительное пространство положением относительно каких-либо тел и обыкновенно принимают за пространство неподвижное».

«Место есть часть пространства, занимаемая телом, и по отношению к пространству бывает или относительным, или абсолютным».

«Абсолютное движение есть перенесение тела из одного абсолютного места в другое. Относительное — из одного относительного места в другое… Мы не без удобства пользуемся в делах житейских относительными местами и движениями вместо абсолютных; в философских же вопросах необходимо отвлечение от чувств. Может оказаться, что в действительности не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих».

Все это говорит Ньютон-философ. Он, а не физик вводит абсолютное пространство и абсолютное движение.

Абсолютное пространство находится вне связи с материей, вне связи с чем-либо внешним. Это чисто абстрактное, умозрительное понятие. Некое загадочное вместилище божественного начала.

Но Ньютон-философ, Ньютон-богослов верует. Он верует в господа и в абсолютное пространство. Он удивительным образом забыл свое собственное правило: «Не должно требовать в природе других причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений».

Да простит тень великого Ньютона столь непочтительные слова, но факт остается фактом — физического содержания в определении абсолютного пространства нет!

Но вот звучит голос физика: «Впрочем, узнавать истинные движения отдельных тел и отличать их от мнимых очень трудно, потому что части того неподвижного пространства, в которых тела действительно движутся, не могут быть чувственно познаны… Дело, однако, не вполне безнадежно».

И на поле боя в защиту философа выступает Ньютон-физик, как всегда во всеоружии своего поразительного таланта. Он предлагает способ определения абсолютного пространства. Он полагает, что может найти «истинное движение» — движение относительно абсолютного пространства. И тем не менее…

Впрочем, не стоит преждевременно навязывать выводы; послушаем лучше самого Ньютона:

«Действующими причинами, из-за которых абсолютные и относительные движения различны между собой, являются центробежные силы, направленные от оси движения. При движении в круге только относительном эти силы не существуют. Но они бывают больше или меньше в зависимости от величины абсолютного движения.

Знаменитый ньютоновский опыт с вращающимся ведром!

Подвесим, например, сосуд на очень длинной нити и будем вращать его до тех пор, пока нить не закрутится очень сильно. Потом наполним этот сосуд водой. Если теперь под действием мгновенной силы сосуд станет вращаться в противоположном направлении и это движение будет продолжаться долго, поверхность воды будет сначала плоской, как до движения сосуда^[16], но потом, когда сила^[17] начнет постепенно действовать на воду, стенки сосуда увлекут воду в своем движении, и она начнет вращаться. Постепенно жидкость отдалится от середины (оси вращения), подымется у стенок сосуда, и в результате образуется некоторое углубление в виде воронки (этот опыт я проделал сам).

Вначале, когда движение воды в сосуде относительно стенок сосуда было наибольшим, вода не обнаруживала ни малейшего стремления удалиться от оси. Она не стремилась приблизиться к краю, поднимаясь вдоль стенок, а оставалась плоской, и истинное кругообразное движение жидкости еще не начиналось.

Но потом, когда относительное движение воды стало уменьшаться, ее поднятие по стенкам сосуда стало указывать на стремление удалиться от оси.

Это стремление указывало на все возрастающее истинное круговое движение воды. Когда, наконец, это движение стало наибольшим, вода относительно сосуда находилась в состоянии покоя».

Итак, появляется критерий абсолютного движения — центробежные силы. Наличие центробежных сил всегда можно установить либо по форме движущегося тела, либо по внутренним напряжениям, которые возникают в теле, — словом, их легко обнаружить.

Может быть, Ньютон действительно нашел способ определения абсолютного движения, а следовательно, и абсолютного пространства?

Может быть, его определение абсолютного пространства просто не очень удачно сформулировано, но им указан реальный путь для определения абсолютного пространства и движения?

Опыт показывает, что центробежные силы возникают в теле в том случае, если оно вращается относительно неподвижных звезд.

Может быть, имеет смысл говорить, что движение абсолютно, если оно происходит относительно звезд?

Может быть, неподвижные звезды и определяют абсолютное пространство?

Итак, существует ли такое движение, о котором можно говорить, как об абсолютном? Или всякое механическое движение относительно?

Внимание! Это центральный, важнейший вопрос.

Не предрешая ответа, мы перейдем к анализу, «по-видимому, всем знакомого» понятия движения.

Прежде всего — главнейшее. «О движении механическом имеет смысл говорить, только указав систему отсчета или в конечном счете какие-то реальные физические объекты, которые считаются неподвижными. Пока система отсчета („неподвижные тела“) не указана, слова „тело движется“ лишены всякого содержания».

И, как видно из предыдущих страниц, Ньютон это великолепно понимал. Говоря об относительном движении, он, собственно, и вводит понятие системы отсчета. Причем именно Ньютон первый из физиков осознал, какую решающую роль имеет система отсчета. Даже сам Галилей не имел о ней ясного представления, а значит, не имел четкого понятия и о механическом движении. Он обрывает свой анализ как раз тогда, когда надо ответить: «Что же такое движение?»

И снова внимание!

И это не удивительно.

Несмотря на свою кажущуюся очевидность, понятие системы отсчета настолько абстрактно, что могло возникнуть лишь на довольно высокой стадии развития науки.

Этот тезис подтверждает, в частности, хотя бы такое несколько неожиданное обстоятельство. Даже в наши дни многие люди, знакомые с механикой и способные решать задачи, недоступные Ньютону, теряются при вопросе: что же происходит «на самом деле» — паровоз движется относительно Земли или Земля относительно паровоза?

Так чем же определяется выбор системы отсчета? Какие конкретные тела следует считать неподвижными?

Тела, которые надо считать неподвижными — систему отсчета, — мы выбираем по своему произволу. Точнее, выбор системы отсчета определяется соображениями простоты и удобства.

Сегодня, рассматривая полет снаряда, мы выбираем систему отсчета, жестко связанную с Землей. Завтра, рассматривая движение Земли, мы выбираем систему, связанную с Солнцем. А изучая Солнце, мы относим его движение к системе, связанной со звездами.

Поскольку выбор системы отсчета (координатной системы) произволен, пассажир поезда Москва — Ленинград и провожающие его на вокзале родственники имеют равные основания утверждать, что они находятся в состоянии покоя.

Пассажир может ввести систему отсчета, жестко связанную с вагоном, и в этой системе Ленинградский вокзал в Москве (вместе с родственниками, конечно) будет двигаться, удаляясь от начала координат.

А в системе отсчета, жестко связанной с Землей, естественно, движется поезд.

Если в обыденной жизни любой человек скажет, что «на самом деле», конечно, двигается поезд, то объясняется это очень просто. Интуитивно, используя повседневный опыт, мы всегда выбираем систему отсчета, связанную с Землей.

Пример геоцентрической^[18] системы Птолемея лучше всего показывает, как может подвести такая интуиция.

Но, может быть, среди всех бесчисленных возможных систем есть одна (одна!) особая и неповторимая, такая, физические свойства которой столь резко отличаются от свойств любой из бесчисленного множества возможных систем отсчета, что есть основания считать ее абсолютной?

Стоит напомнить, что вопрос о существовании абсолютной системы и абсолютного движения пока по-прежнему остается открытым.

А если есть абсолютная система, то можно говорить и об истинном (абсолютном) движении, можно говорить об абсолютном пространстве.

Мы вернулись к вопросу, поставленному выше. Ньютон, как помните, предложил способ определения абсолютных движений (центробежные силы!), но мы пока еще не можем судить, прав ли он. А определение абсолютной системы по Ньютону нас не устраивает; в нем навязывается загадочное понятие абсолютного пространства.

Поэтому, отложив на время решение этого вопроса, сформулируем совершенно общее определение процесса движения.

Приводится определение понятия движения, которое, как видно, соответствует ньютоновскому «относительному движению».

Движение данного физического тела относительно других физических тел есть изменение его положения относительно этих тел.

Как видите, не сказано ничего нового. Просто подведен итог. Для полного удовлетворения необходимо точно объяснить, что означают слова «изменяет свое положение относительно других тел». Ответ сравнительно прост.

К тому телу (или телам), которые мы считаем неподвижными, мы жестко «привязываем» систему координат. Затем измеряем координаты изучаемого тела и определяем его «положение».

Из школьного курса геометрии хорошо известна только одна координатная система — Декартова. В этой системе положение точки в пространстве однозначно определяется ее кратчайшими расстояниями до трех взаимно перпендикулярных плоскостей.

В математике и в физике часто пользуются другими координатными системами, но, чтобы однозначно определить положение точки в пространстве, всегда необходимо знать три числа, три координаты.

Это, между прочим, и означает, что пространство имеет три измерения!

Не будем очень углубляться в математику и потому не будем особенно расшифровывать наш «саперный» жаргон — «жестко привязать» к физическому телу координатную систему. Просто в случае, когда координатные оси направлены в строго определенные неизменные точки твердого тела, мы говорим, что координатная система «привязана жестко». Лучше всего пояснить это примером.

«Привяжем» Декартову координатную систему к Земле. Начало координат — центр Земли. Ось z направлена от центра к Северному полюсу. Ось x — от центра к точке пересечения Гринвичского меридиана с экватором (0° широты и 0° долготы). Ось y — от центра к точке 0° широты и 90° восточной долготы.

«Привязать» можно, конечно, и по-иному. Взять за центр другую точку, по-другому расположить оси и т. п.

После небольшого экскурса в математику можно более четко перефразировать определение движения.

Тело относительно данной координатной системы движется, если с течением времени изменяется хотя бы одна из его координат.

Как именно меняются координаты, показывает важнейшая характеристика движения — скорость.

Если не стремиться к строгим формулировкам (это потребовало бы несколько больше математики, чем разрешают каноны популярной литературы), то понятие скорости можно ввести так.

Пусть мы хотим определить скорость тела в какой-то момент времени t₀. Тогда нужно сделать следующее:

определить в выбранной нами системе отсчета положение тела в момент t₀. Иначе говоря, определить его координаты;

посмотреть, где окажется наше тело в какой-то следующий момент t₁ (найти координаты в момент t₁);

определить длину прямолинейного отрезка, соединяющего первую и вторую точки. Эту длину обозначим ΔS(t₁ · t₀);

поделить ΔS(t₁ · t₀) на соответствующий интервал Δt = (t₁ – t₀). Тогда приближенно абсолютная величина скорости тела в момент t₀ равна [v(t₀)] ≈ ΔS/Δt. Чем меньше мы выберем интервал Δt, тем точнее отношение ΔS/Δt будет определять скорость в момент t₀.

А в пределе при t₀ → 0 наша дробь точно определяет абсолютную величину скорости тела в момент t₀. Это записывают так:

На рисунке иллюстрируются те операции, о которых только что говорилось, для частного случая, когда движение происходит вдоль прямой линии.

При этом, как видно, начиная с некоторого момента времени, S уменьшается. Это значит, что тело возвращается в начальную точку. В верхней точке кривой скорость равна нулю. Слева от этой точки скорость положительна, а справа — отрицательна. Обратите внимание, что, используя приближенное выражение для скорости, в верхней точке мы не получим нуля.

Уже упоминалось, что одной абсолютной величины еще недостаточно для полной характеристики скорости. Нужно знать направление в котором тело убегает из начальной точки.

Если тело движется не по прямой, то направление его движения изменяется весьма прихотливо, и это отражается в определении скорости. Скорость тела можно считать постоянной только тогда, когда неизменны и ее абсолютная величина и направление движения (равномерное прямолинейное движение). Очевидно, что направление скорости определяется направлением отрезка (ΔS).

А теперь перейдем к самому важному.

Интервал пути ΔS^→, как говорилось выше, определяется в данной выбранной нами системе отсчета. При этом и абсолютная величина и направление ΔS^→ зависят от выбора системы отсчета. В одной системе отрезок ΔS^→ будет один, а в другой — другой. То есть пройденный путь — величина относительная и зависит от выбора системы отсчета.

Это должно быть всем известно из школьного курса физики, поэтому ограничимся только наглядной «железнодорожной» иллюстрацией.

Путь, который проходит экспресс Москва — Ленинград в системе отсчета, жестко связанной с экспрессом, тождественно равен нулю (поезд все время находится в начале координат, и ΔS^→ = 0).

Если систему отсчета связать с товарным поездом, который вышел из Москвы в одно время с экспрессом, но, естественно, отставал по дороге и в момент прибытия экспресса в Ленинград находился в Бологом, то путь, пройденный экспрессом, равен расстоянию Бологое — Ленинград (ΔS^→ = 325 километрам).

В системе же отсчета, связанной с Землей, экспресс пройдет расстояние Москва — Ленинград, то есть ΔS^→ = 650 километрам. Но так как скорость определяется отношением ^ΔS/_Δt, то она также оказывается величиной относительной и зависит от системы отсчета.

Между прочим, надо заметить, что подобные примеры довольно часто сложнее, чем четкие математические формулы.

А как интервал времени Δt? Он, может быть, тоже зависит от системы отсчета?

Может ли оказаться, что, определяя время движения экспресса Москва — Ленинград, мы получим в системе отсчета, связанной с Землей, один результат, а в системе, связанной с самим экспрессом, — другой? Или нелепа сама постановка такого вопроса? Надеюсь, что такой мысли ни у кого не появилось.

Время — физическое понятие, которое ввели, используя опытные данные. В классической физике мы полагаем, что интервал времени Δt одинаков во всех системах отсчета. И это утверждение сделано как обобщение опытных фактов. Но если, паче чаяния, новые опыты покажут, что в различных системах отсчета интервал времени различен, мы примем это с удивлением, но без ужаса^[19].

По этому поводу, пожалуй, уместно вспомнить одного персонажа Марка Твена, твердо уверенного в том, что в деревне время течет существенно медленнее, чем в городе. Полное незнание физики позволило выдвинуть ему эту смелую гипотезу, причем он, конечно, также опирался на свое нелепое, но интуитивное (основанное на «эксперименте») представление о времени.

Однако в классической физике понятие времени таково, что интервал Δt имеет абсолютное значение независимо от системы отсчета.

Следовательно, скорость, так же как и пройденный путь, — относительное понятие и при переходе от одной системы отсчета к другой изменяется точно так же, как и путь.

Ну вот, собственно, все, что стоило напомнить о скорости. Владея понятием скорости, мы совершенно аналогично определяем ускорение:

Ускорение по отношению к скорости — то же, что скорость по отношению к пути.

Настойчивые повторения. Выводы и нерешенный вопрос.

Подведем итоги. Мы очень подробно и многократно повторяли, по существу, совершенно тривиальную мысль, и тем не менее ее стоит повторить еще раз:

«Только объявив какие-то реальные физические тела неподвижными, указав систему отсчета, можно говорить о механическом движении. Без указания системы отсчета слова „покой“ и „движение“ совершенно бессодержательны».

Как видно из цитированных отрывков «Начал», Ньютон ясно сознавал все значение понятия системы отсчета.

Но он полагал, что есть некая особая, выделенная, замечательная, неповторимая — абсолютная система отсчета, и даже предложил способ определения абсолютных (истинных) движений (опыт с ведром!).

Существует ли такая система отсчета, мы не выяснили. И именно поиски ответа на этот так просто поставленный вопрос приведут к теории относительности.

В следующей главе мы увидим, что законы механики таковы, что нельзя выделить какую-то одну особую систему отсчета.

Есть целый класс совершенно равноправных с точки зрения механики систем, так называемых «инерциальных систем», о которых никак не скажешь, что какая-то одна из них чем-либо выделяется.

Но тогда можно поставить вопрос так: нельзя ли найти эту загадочную абсолютную систему, исследуя не механические явления, а какие-либо другие? Допустим, электрические, магнитные, гравитационные или еще что-либо?

Может быть, существует все же одна замечательная система, данная нам свыше, и совершенно отличная от других?

Возможно, например, что, изучая электромагнитные явления, можно отыскать какую-то особую систему отсчета?

Начиная с седьмой главы мы (к сожалению, очень поверхностно) проследим за попытками дать ответ на этот вопрос, за теми поисками, которые завершились созданием теории относительности.

Итак (снова и снова!), перед нами проблема: «Можно ли при помощи любого физического опыта отыскать такую одну замечательную систему отсчета, которая по своим физическим свойствам резко отличается от всех остальных мыслимых систем?»

Известно, что многословные объяснения далеко не лучшие, и потому автора мучают сомнения. Не покажется ли только что проведенный кропотливый и скучноватый анализ излишним? В конце концов все содержание предыдущей главы можно свести к нескольким фразам:

говорить о механическом движении какого-либо тела имеет смысл, только если указана система отсчета, связанная с какими-либо реальными телами.

Выбор системы отсчета определяется в конечном итоге только тем, в какой системе описание данного явления более удобно.

Если существует такая замечательная система отсчета и в ней законы природы выглядят как-то особенно просто (или, точнее, выглядят как-то совершенно по-другому, чем в любой другой), то такую систему имеет смысл назвать абсолютной и, соответственно, говорить об абсолютном движении.

Существует ли такая абсолютная система или нет — осталось неизвестным.

При этом вся тяжесть рассуждений — так сказать, линия главного удара — была сосредоточена на разъяснении первого положения.

Может быть, теряя столько слов и времени, чтобы расшифровать, «по-видимому, всем знакомое» понятие движения, мы ломились в открытую дверь, запутываясь в бесконечных оговорках, уточнениях и пояснениях? Может быть, все предыдущее, как говорится, идет от лукавого? Пожалуй, все-таки нет.

Позвольте (уже в который раз!) напомнить, что самые серьезные проблемы очень часто скрыты как раз за тем, что кажется самоочевидным. Первыми из ученых это поняли, вероятно, математики (пятый постулат Эвклида). Физики в наши дни также признают, что нет таких вопросов, от которых можно отмахнуться со словами: «Это совершенно очевидно». Однако для физиков стремление к безупречной логике все же не так естественно и привычно, как для математиков.

В подтверждение этого несколько обидного тезиса разрешите привести один пример, непосредственно связанный с понятием движения.

Вероятно, почти все слыхали, что астрономы совершенно твердо установили факт вращения нашей Галактики вокруг какой-то оси, проходящей через ее центр.

Так вот, в популярных, а часто и в специальных книгах пишут о вращении Галактики, ни слова не говоря, в какой именно системе отсчета она вращается. Но без указания системы отсчета слова о вращении Галактики лишены всякого содержания.

А как ввести систему отсчета, описывающую Галактику? Чтобы убедиться в том, что предложен не совсем праздный вопрос, представьте себе вселенную как далеко рассеянные друг от друга рои пчел, повисшие в «пустом» пространстве. Каждый такой рой — одна из галактик. А теперь попробуйте разумно ввести систему отсчета. Она, естественно, должна быть связана с реальными телами. Но ведь, кроме пчелиных роев, в нашем распоряжении ничего нет. «Вбивать» координатные оси в пустое пространство нельзя. Систему отсчета нужно как-то определить, используя «подручные материалы» — пчелиные рои^[20].

Мы не будем сейчас говорить о том, на основании каких именно фактов смогли заключить, что в некоторой системе отсчета все пчелы нашего роя — нашей Галактики — участвуют в закономерном движении — вращении. Это завело бы слишком далеко в сторону. Можно заметить только, что ни один физический опыт, поставленный на самой Земле, не помогает обнаружить вращение Галактики, и вывод сделан только на основании наблюдения относительного движения звезд.

Нас интересует другое.

Как была введена система отсчета? С какими звездами — «пчелами» — она связана? Как, не используя никаких иных объектов, кроме пчел самого роя, «вбить» в пространство те три взаимно перпендикулярных стержня, которые образуют систему координат?

На все это также разрешите ответить уклончиво.

Как именно была выбрана система, мы разбирать не будем. Ограничимся только утверждением, что такую систему можно определить. Можно «вколотить» некие условные мысленные «гвозди» в мировое пространство, к которым «привязывают» систему отсчета.

Сейчас важно даже не то, как была введена система отсчета, а то, что это совершенно необходимо сделать, прежде чем говорить о каком-либо движении (в нашем случае вращении) звезд Галактики. Важно представлять, что выбор системы — центральный, основной вопрос. Только когда есть система отсчета, слова «Галактика вращается» имеют смысл.

После этих общих замечаний дидактического характера вернемся к законам Ньютона.

Проблемой № 1 при обсуждении законов движения оказывается вопрос: «В какой системе отсчета формулируются эти законы?»

И надо сказать, что этот первый вопрос является, может быть, самым неприятным.

Ньютон ответил просто. Он ввел некую абсолютную систему отсчета — абсолютное пространство и, соответственно, абсолютное движение. Но, как помните, определение Ньютона лишено физического содержания.

Однако определение… не более чем определение. Ведь сам же Ньютон предложил способ, как находить «абсолютное движение» (центробежные силы) и, следовательно, как найти абсолютную систему отсчета. Если так, то в конце-концов вся проблема сводится к тому, что определение неудачно и его следует изменить.

В таком случае не было бы особого повода для волнений. Определение Ньютона изменили бы, но абсолютная система отсчета осталась бы в механике.

Дело, однако, в том, что Ньютон ошибался по существу.

Снова провозглашается, а затем исследуется принцип относительности Галилея.

Нет такого опыта из области механики, который позволил бы выделить какую-нибудь избранную систему отсчета. И как раз законы механики, законы Ньютона убеждают в этом.

Это мы сейчас и увидим. Откажемся пока от попыток логически безупречно определять ту систему отсчета (или, может быть, тот класс систем отсчета), для которой (которых) справедливы законы Ньютона.

Предположим просто, что, экспериментально исследуя движение тел, мы нашли систему отсчета, где в пределах точности наших измерений соблюдаются законы Ньютона. Такую систему отсчета мы назовем инерциальной системой.

Делается первая попытка дать определение инерциальной системы. И его стоит запомнить.

Ньютон сформулировал свои законы в некоей абсолютной системе отсчета. Что это за система, мы не знаем. И пока не хотим обсуждать, существует она или нет. Введя же инерциальную систему, внешне мы также не сделали ничего значительного, просто заменили одни слова другими. Вместо «абсолютная система» написали «инерциальная система».

Но, по существу, наша позиция совершенно отлична от ньютоновой. Мы апеллируем к опыту, а не к абстрактным понятиям. Нашу систему мы отыскали опытным путем и назвали ее так, как нам нравится.

А теперь посмотрим. Если в мире существует одна-единственная инерциальная система (других нет), то разумно считать ее абсолютной системой отсчета. Но если таких инерциальных систем бесчисленное множество, придется признать, что по крайней мере для механических явлений говорить о существовании абсолютной системы бессмысленно.

Вспомним теперь законы Ньютона и сформулируем их в некоторой инерциальной системе.

Предварительный анализ первого закона механики.

Первый закон — «В инерциальной системе отсчета всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние».

Стоит обратить особое внимание, что первый закон механики торжественно провозглашает для свободного тела, рассматриваемого в инерциальной системе, полное равноправие состояний покоя и равномерного прямолинейного движения.

Довольно очевидно, что если ввести какую-либо другую систему отсчета, равномерно и прямолинейно движущуюся относительно нашей инерциальной системы, то в этой новой системе свободное тело также сохраняет свою скорость неизменной. Таким образом, первый закон Ньютона и в этой «новой» системе имеет точно такой же вид, как и в «старой» инерциальной системе.

Сложный, но существенный отрывок.

И напротив, если для описания состояния свободного тела использовать систему отсчета, ускоренно движущуюся относительно нашей инерциальной системы, то в этой «ускоренной» системе отсчета поведение свободного тела уже не будет описываться первым законом Ньютона. В такой «нехорошей» системе отсчета свободное тело не будет находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Оно будет двигаться с ускорением.

Выводы.

Можно сделать вывод: если найдена одна система отсчета, в которой для свободного тела выполняется первый закон Ньютона, то этот же закон будет соблюдаться в любой из бесконечного числа систем отсчета, равномерно и прямолинейно движущихся относительно первичной системы.

И с другой стороны, существует бесконечное множество систем отсчета, в которых первый закон Ньютона не соблюдается. А именно: любая из систем, ускоренно движущихся относительно инерциальной системы.

Более строгие, но несколько абстрактные рассуждения, подтверждающие нашу точку зрения.

Возможно, предыдущие рассуждения оставили чувство неудовлетворенности. Ведь мы сами утверждали, что необходимо добиваться полной ясности и четкости, даже говоря о самых очевидных вещах. Поэтому, как ни очевидно утверждение: «Если первый закон Ньютона выполняется в одной системе отсчета, то он выполняется и во всех системах отсчета, равномерно и прямолинейно движущихся относительно нашей», — его нужно обосновать.

Схема рассуждений должна быть примерно такой. Пусть дана какая-то система отсчета: обозначим ее для удобства, скажем, буквой K. В ней мы умеем описывать движение тел и предметов при помощи законов Ньютона. Так, если изучаемое тело изолировано и свободно, оно в нашей системе либо покоится, либо движется с постоянной скоростью V.

Но вот есть другая система отсчета, скажем K¹, которая движется относительно К равномерно и прямолинейно с известной нам скоростью v.

При этих условиях мы должны научиться определять положение изучаемого тела в новой системе отсчета. Ведь чтобы ответить на вопрос, каков характер движения тела в новой системе K¹, надо знать его координаты в этой системе в любой момент времени.

Иными словами, нужно найти закон перехода от одной системы отсчета к другой.

Найти этот закон довольно просто в самом общем случае, но мы рассмотрим наипростейший, а именно: во-первых, когда система K¹ движется с постоянной скоростью вдоль оси x системы K; и во-вторых, когда скорость нашего свободного тела V направлена также вдоль оси x системы K.

Тогда, если в момент t₀ = 0 системы отсчета совпадали, то за время t начало координат системы K¹ «уедет» на расстояние S = vt. Как видно из чертежа, координаты тела в новой системе можно найти, зная координаты в старой системе и используя очевидные соотношения:

x¹ = х – vt;

у¹ = у;

z¹ = z.

Прошу поверить на слово, что если рассматривать общий случай (скорости V и v направлены не вдоль осей и не совпадают по направлениям), наши выводы останутся правильными.

Но вернемся к примеру. В каждый данный момент времени в старой системе отсчета координаты нашего тела определяются соотношениями:

x = x₀ + Vt;

y = y₀;

z = z₀.

Здесь x₀, y₀, z₀ — координаты тела в начальный момент t = 0.

Вспомнив формулы для перехода от одной системы к другой, получаем:

x¹ = x₀ + (V – v)t;

у¹ = у₀;

z¹ = z₀.

Итак, в новой системе тело снова двигается равномерно и прямолинейно вдоль оси x¹, но уже с новой скоростью V¹ = V – v.

Когда читатель познакомится с преобразованиями Лоренца, стоит еще раз взглянуть на эти формулы.

Иначе говоря, мы доказали, что если первый закон Ньютона справедлив в системе K, то он справедлив и в K¹.

Точно так же (хотя с формальной стороны это несколько сложнее) можно показать, что если K¹ движется неравномерно или непрямолинейно относительно K, то тело, которое в K покоилось или двигалось с постоянной скоростью, в системе K¹ будет двигаться уже неравномерно или непрямолинейно.

Очень важные соображения.

И тем не менее в наших рассуждениях есть очень существенный пробел. Когда мы переходили от одной системы отсчета к другой, мы молчаливо допускали, что время в обеих системах течет одинаково. Если внимательно проследить за выводом, то можно увидеть, что в выражении x¹ = x₀ + (V – v)t величина t по своему смыслу означает время, измеренное в системе K. А строго говоря, чтобы описывать движение тела в системе K¹ мы должны вместо t использовать t¹, то есть время, измеренное в системе K¹. Может быть, в системе K¹ к моменту определения координат тело прошло 5 минут, а в системе K только 4?! Но мы молчаливо предполагали, что t¹ = t.

Почему мы сделали это предположение?

Только потому, что повседневный опыт убеждает нас в его справедливости^[21].

Однако возникает законный вопрос, что вообще означают слова «время, измеренное в одной системе, время, измеренное в другой системе», какой смысл вкладывается в эти понятия?

Какой физический процесс соответствует символам t¹ и t, а, кстати, заодно и x¹ и x?

Символы — это ведь не более чем символы. Они получают жизнь только тогда, когда мы однозначно определим, как именно можно отыскать те физические величины, которые они описывают.

Таким образом, вопрос о переходе от одной системы отсчета к другой возвращает нас снова к проблеме измерения времени.

Поэтому логично и естественно дать именно сейчас рецепт для измерения и координат и времени в данной системе.

1. Координата или длина в системе K определяется сравнением ее с масштабной линейкой, неподвижной в этой системе.

2. Время в системе К определяется показаниями часов, покоящихся в данной системе.

В другой координатной системе K¹ необходимо иметь часы и масштаб, которые покоятся в этой системе, и все измерения производить именно этим масштабом и этими часами.

Как видите, x¹ и x, или t¹ и t, соответствуют, вообще говоря, разным физическим процессам — измерениям, которые проводятся в разных физических условиях. Но достаточно предположить существование сигналов, распространяющихся с бесконечной скоростью, чтобы убедиться в том, что t¹ = t.

Не будем далее углубляться в дебри анализа. Мы зафиксировали наше предположение и объяснили смысл значков x и x¹, t и t¹. Пока этого достаточно.

Итак, формулы перехода от одной системы K к другой K¹, равномерно и прямолинейно движущейся вдоль оси x первой системы, имеют вид:

x¹ = x – vt;

y¹ = y;

z¹ = z;

t¹ = t.

Это преобразование координат и времени при переходе от одной системы к другой называют преобразованием Галилея.

Естественно расширить вопрос. А как обстоит дело с остальными законами механики? Будут ли справедливы в системе K¹ все остальные законы в том случае, если они соблюдаются в системе K? Говоря другими словами, будет ли система K¹ также инерциальной системой отсчета? Оказывается, что да, будет.

Если K — инерциальная система, то любая система отсчета (K¹), равномерно и прямолинейно движущаяся относительно K, также инерциальна.

Выражая ту же мысль другими словами, говорят: законы механики инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованию Галилея. Но если только K¹ движется ускоренно относительно K, то в ней законы механики имеют другой вид.

Вот утверждения: инерциальных систем отсчета бесконечно много, при описании механических явлений все они равноправны, законы механики во всех инерциальных системах отсчета имеют один и тот же вид, — как раз и составляют принцип относительности Галилея — важнейший принцип механики Ньютона.

Снова принцип относительности Галилея.

Но не будем обольщаться. Мы не доказали принцип относительности совершенно строго. Мы проделали только часть работы — обосновали инвариантность (дословно — неизменяемость) первого закона Ньютона при переходе от одной инерциальной системы к другой. Инвариантность других законов Ньютона мы провозгласили. (Собственно говоря, мы их еще и не сформулировали.)

Однако если принять преобразование Галилея и четко сформулировать второй и третий законы Ньютона, то доказательство инвариантности этих законов во всех инерциальных системах отсчета — задача по своему характеру чисто математическая. Поэтому не будем этим заниматься, а постараемся понять физическое содержание остальных законов Ньютона, после чего (снова и снова) вернемся к первому закону и к принципу относительности Галилея.

Уже в первом законе механики встречается понятие силы. По существу, все остальные законы механики как раз и расшифровывают это понятие.

Опять уклонимся от идеально четких определений и формулировок, так как попытка дать строгое, аксиоматическое определение понятия силы завела бы слишком далеко. Просто постараемся отметить самое характерное.

Сила, вообще говоря, характеризует взаимодействие тел между собой^[22].

Кое-что о силе.

Однако сказать, что сила характеризует взаимодействие, значит сказать очень мало. Нам надо знать: как проявляется это взаимодействие?

Первое, что можно утверждать, — это следующее.

Если на данное тело действовать силой, то тело приобретает ускорение.

Если одну и ту же силу прикладывать к различным телам, ускорения, полученные этими телами, также, вообще говоря, будут различны.

Поскольку сила (взаимодействие) проявляется в появлении ускорения, а ускорение характеризуется не только величиной, но и направлением, ясно, что сила также характеризуется не только своей абсолютной величиной, но и направлением своего действия. Оказывается, что сила — вектор^[23].

Вы, возможно, заметили, что для того, чтобы предыдущие рассуждения были содержательны, мы должны уметь измерять силу, прикладывать равные силы к разным телам и т. д.

Чтобы силу можно было измерять, полагают, что сила, действующая на данное тело, пропорциональна тому ускорению, которое получает это тело: F^→ = ma^→.

Величина m — масса — характеризует стремление тела в отсутствии взаимодействий оставаться в инерциальной системе в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Она отражает инерцию тела, его «косность».

Ответ на вопрос о количественном взаимодействии тел между собой и, в частности, ответ на вопрос: «Как прикладывать к разным телам равные силы?» — дает третий закон Ньютона:

«Действие равно противодействию, или иначе — действия двух тел друг на друга равны и противоположно направлены».

F^→_1;2 = –F^→_2;1

Замечания о массе в классической механике.

Что касается меры инерции — массы, то это замечательная, удивительная величина. Во-первых, масса — аддитивна, то есть, если сложить два тела («слепить вместе два пластилиновых шарика»), то, оказывается, их суммарная масса равна сумме их масс: M = m₁ + m₂.

Многие читатели, возможно, подумают, что аддитивность массы настолько же очевидна, как и то, что «Волга впадает в Каспийское море». Но если задуматься над этим, придется признать, что нет никаких оснований заранее ожидать, что масса обладает таким свойством. Еще и еще раз стоит подчеркнуть, что, как правило, очевидным представляется привычное, хотя «привычное» и «очевидное» несколько разные понятия.

Другое и, может быть, не менее замечательное свойство массы — ее неизменность при переходе от одной инерциальной системы к другой. Другими словами, последнее утверждение можно выразить так: «Масса тела не зависит от скорости его движения»^[24].

Масса тела — мера его инертности — в механике Ньютона совершенно не зависит от тех разнообразных физических условий, в которых находится тело. Можно изменять температуру, давление, местоположение тела, можно помещать его в электромагнитное или гравитационное поле — масса (или инертность) останется неизменной.

Самые различные по своей природе тела, между которыми нет, казалось бы, абсолютно ничего общего, получают одну общую характеристику — инертность (массу). А с другой стороны, второй закон Ньютона позволяет единообразно описывать взаимодействия тел самой различной природы.

Если рассматривается движение тел с переменной массой, второй закон Ньютона приобретает более общую форму:

Величина mv = p называется импульсом, или количеством движения тела.

В том случае, если вы не удовлетворены этими отрывочными замечаниями, можно разрубить узел, — считая массу первичным понятием.

Тогда второй закон Ньютона можно рассматривать как определение силы.

Если вас не удовлетворяет и это, можно порекомендовать обратиться к более серьезным работам, где вопросы аксиоматики механики разбираются детальнее^[25]. Мы не будем дальше исследовать эту сторону законов Ньютона.

Но законы механики связаны с одним, может быть, не столь непонятным, сколь удивительным фактом, и об этом нужно сказать.

Когда мы говорили о законах механики, само собой подразумевалось, что все рассмотрение проводится в инерциальной системе отсчета.

И теперь настал момент снова спросить: «Что же такое инерциальная система отсчета?»

Попытка строго определить понятие инерциальной системы. «Порочный круг».

В начале главы мы сказали, что, воздерживаясь от строгих определений, удовлетворимся тем, что экспериментально проверим, выполняются или нет в данной системе отсчета законы Ньютона.

Но, проверяя на опыте, скажем, первый закон, мы сталкиваемся с такой проблемой: как установить, что на тело не действует никакая сила, что тело свободно?

Единственный логически строгий ответ таков: мы видим, что на данное тело не действуют силы, если в инерциальной системе отсчета оно покоится или находится в состоянии равномерного прямолинейного движения.

Но как раз этот единственный ответ и не годится потому, что мы не знаем, мы как раз хотим узнать, инерциальна наша система отсчета или нет.

Такая попытка определить инерциальную систему приводит нас к печальной ситуации «порочного круга».

И вполне понятно, что, пытаясь логически безупречно определить понятие инерциальной системы отсчета, использовав законы Ньютона, которые, в свою очередь, сформулированы только для инерциальных систем, мы попадали в «порочный круг».

Но сейчас наши желания значительно скромнее. Мы махнули рукой на логику. Мы хотим как-то чисто опытным путем с достаточной достоверностью найти: инерциальна ли данная система отсчета или нет?

И у нас нет лучшего рецепта, чем положиться на интуитивное представление о силе.

Не претендуя на строгость, скажем: что «если какое-то тело отнесено от всех остальных „достаточно далеко“ и никакие силы на него не действуют — тело свободно».

Тогда, если это тело равномерно и прямолинейно движется или покоится в какой-то системе отсчета, эта система инерциальна^[26].

Что значат слова «достаточно далеко»? Ну, они просто означают «очень далеко». А в каждом конкретном случае можно как-то приблизительно сказать, на какое именно расстояние.

Конечно, эти замечания малоутешительны. О каком-либо логически строгом определении инерциальной системы говорить не приходится. Но ничего лучшего предложить нельзя. И можно отчасти успокаивать себя тем, что наше определение свободного тела очень наглядно и физично.

Скажем, исследуя движение планет вокруг Солнца, можно надеяться, что все окружающие солнечную систему звезды никак не влияют на движения планет и силы, действующие на планеты, обусловлены только их взаимодействием с Солнцем и между собой. Сделав это предположение и анализируя результаты наблюдений, мы устанавливаем, что в системе отсчета, связанной с Солнцем и небом неподвижных звезд, выполняются законы Ньютона, — и, значит, эта система инерциальна.

Система отсчета «небо неподвижных звезд» — эталон инерциальной системы отсчета.

Надо признать, однако, что наша система — эталон — в известном смысле фиктивна. Небо неподвижных звезд не остается неизменным. Напротив, совершенно точно установлено, что звезды движутся относительно друг друга с колоссальными скоростями, порядка десятков и сотен километров в секунду. Поэтому взаимное расположение звезд непрерывно изменяется. Но они так страшно далеки от нас, что видимое их положение остается неизменным в течение многих-многих лет.

Тот, кто когда-нибудь наблюдал, лежа на спине, высоко плывущие облака, сразу вспомнит, что часто облако кажется неподвижным, и только через несколько минут, когда оно уходит из поля зрения, соображаешь, что оно движется. Требуются некоторые усилия рассудка, чтобы понять, что скорость движения облака может быть весьма велика.

Можно легко прикинуть, на какую величину изменится за 100 лет угловое направление на звезду, которая движется со скоростью, скажем, 100 километров в секунду, по сфере, в центре которой находится Земля, а радиус сферы, допустим, 10 световых лет.

Этот пример приблизительно соответствует реальным расстояниям ближайших звезд и реальным скоростям их движения относительно Земли.

А вот уже совершенно точные данные о наибольших угловых смещениях звезд, наблюдаемых за год.

Годичное смещение

Звезда Барнарда (созвездие Змееносца) — смещается на 10,27″

Звезда Каптейна — смещается на 8,75″

Грумбридж-1830 — смещается на 7,04″

Здесь приведены три звезды с наибольшими известными угловыми смещениями — аномальные в этом смысле звезды. Смещения же остальных звезд иногда меньше в сотни раз.

Так что, рассуждая наивно, можно считать, что звезды как бы «прибиты гвоздями» к некоей твердой сфере. В центре сферы — Солнце, а около центра — Земля, которая вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси (и участвует еще в нескольких сложных движениях).

В частности, из-за суточного вращения нам представляется, что вся звездная сфера вращается как целое, но взаимное расположение звезд на ней остается неизменным.

Так вот, система отсчета, «привязанная» к звездной сфере, инерциальна. А если так, то любая иная система, равномерно и прямолинейно движущаяся относительно неподвижных звезд, также инерциальна. Таковы законы механики. И никто не мог заранее утверждать, что законы механики инвариантны относительно преобразования Галилея и, следовательно, все инерциальные системы равноправны. Могло оказаться так, а могло бы быть и наоборот. Физики не придумывают, как устроено мироздание, а констатируют, что оно устроено именно так.

Но вот оказалось, что все бесконечное множество систем отсчета, равномерно и прямолинейно двигающихся относительно неподвижных звезд, с точки зрения механики абсолютно равноправно.

Теперь естественно заинтересоваться, что представляют собой неинерциальные системы и каковы в них законы механики.

Допустим, есть эталон инерциальной системы — предположим, система неподвижных звезд. Тогда можно утверждать, что в любой из систем, неравномерно и непрямолинейно движущихся относительно неподвижных звезд, законы Ньютона не выполняются (другими словами, такие системы будут неинерциальными).

Например, ньютоново вращающееся ведро, при помощи которого он рассчитывал обнаружить абсолютное движение. Оно может помочь отличить неинерциальную систему отсчета (вращающееся ведро) от инерциальных. Но мы уже знаем: выделить из инерциальных систем какую-нибудь особую, «наинерциальнейшую», этот опыт не сможет. Да и никаким другим опытам из области механики это не под силу.

Существование же неинерциальных систем отсчета можно легко обнаружить чисто опытным путем. Одна такая система, что называется, «под руками» у нас — это Земля.

Неинерциальные системы отсчета.

Суточное (впрочем, точно так же и годичное) вращение Земли относительно неподвижных звезд приводит к тому, что в системе отсчета, жестко связанной с Землей, законы ньютоновой механики не соблюдаются. Правда, на наше счастье, неинерциальность, вызванная суточным и, тем паче, годовым вращением Земли, очень мала. В противном случае механика Ньютона, вероятно, запоздала бы лет на сто-двести. Все механические явления выглядели бы куда сложнее, и Галилею (который и не подозревал о неинерциальности системы отсчета «Земля») пришлось бы встретиться с такими непонятными явлениями, что… Впрочем, нас в данный момент интересует совсем другое.

Неинерциальность системы отсчета «Земля» твердо установлена десятками разнообразных экспериментов.

И первым был знаменитый опыт Фуко. Если бы система отсчета, связанная с Землей, была инерциальна и в ней выполнялись бы законы Ньютона, маятник должен был бы колебаться все время в одной плоскости. Но оказалось, что плоскость колебаний маятника, подвешенного в соборе, непрерывно изменяла свое положение.

Проще всего понять опыт Фуко, если представить себе маятник, подвешенный на полюсе.

Очень часто суть опыта Фуко не понимают именно потому, что интуитивно привыкли считать Землю инерциальной системой.

Относительно инерциальной системы отсчета — системы неподвижных звезд — плоскость колебаний маятника неизменна. (Например, маятник все время колеблется в плоскости, проходящей через Полярную звезду, Вегу и Южный Крест.) Но Земля в своем суточном вращении «проворачивается» под маятником, и потому земной наблюдатель видит, что плоскость качаний все время изменяется. За сутки эта плоскость повернется на 360° и возвратится в первоначальное положение. Если к концу маятника приделать перо, то оно начертит на полу такую «розетку», какая показана на верхнем рисунке на стр. 122 (конечно, она изображена в весьма утрированном виде).

Если же подложить под маятник лист бумаги, неподвижный в системе неподвижных звезд, то на нем будет нарисована просто прямая линия^[27]. Кстати, такой лист довольно просто подобрать. Нужно только, чтобы он вращался относительно поверхности Земли в направлении, противоположном ее вращению, и с той же самой угловой скоростью (полный оборот за 24 часа).

Если все события на поверхности Земли описывать, используя инерциальную систему отсчета — систему неподвижных звезд, — то, поскольку все тела, неподвижные относительно поверхности Земли, вращаются в этой системе отсчета, на них действует некоторая центростремительная сила:

F_цс = mω²r.

Здесь ω — угловая скорость вращения, а r — расстояние до оси вращения.

Перебираясь же по меридиану от экватора к полюсу, мы видим, как уменьшается r.

Ведь r = R · cosφ, где R — радиус Земли, а φ — географическая широта данного места.

Так что на экваторе на тело действует наибольшая центростремительная сила, а на полюсе она совсем отсутствует.

Естественно спросить: откуда вообще берется эта сила?

На все тела, лежащие на поверхности Земли, действует сила тяготения. Эта сила для покоящихся на поверхности Земли тел уравновешивается реакцией опоры, а давление на опору мы называем весом тела. Часть силы тяготения «расходуется» на создание центростремительной силы — силы, заставляющей тела двигаться по окружности вместе с Землей. На экваторе этот расход максимален, и вес тела — сила давления на опору — оказывается меньше, чем на полюсе.

Не стоит только пытаться определить уменьшение веса при помощи весов с гирями. Если такие весы были в равновесии на полюсе, они останутся в равновесии и на экваторе, потому что вес гирь уменьшится точно так же, как и вес взвешиваемого тела.

Но если воспользоваться достаточно точными пружинными весами, сразу можно заметить, что давление на пружину на экваторе меньше, чем на полюсе.

Угловая скорость суточного вращения Земли очень невелика, поэтому этот эффект мал (уменьшение веса на экваторе составляет примерно 4 грамма на один килограмм).

Но если бы Земля вращалась раз в двадцать быстрее, переместившись на экватор, мы испытывали бы чудесное чувство облегчения, освобождения от силы тяжести.

При подходящей скорости вращения самый неспортивный человек мог бы запросто побить мировые рекорды по бегу, прыжкам в длину, высоту и другие рекорды, установленные в районе полюса. В спортивную классификацию пришлось бы вводить еще один показатель: географическую широту, на которой был показан результат. Впрочем, надо заметить, что подобное изменение скорости вращения привело бы к ряду несколько более серьезных проблем.

Для любителей можно предложить еще более экстравагантную ситуацию. Если увеличить скорость вращения Земли в несколько десятков раз, то начиная с некоторой широты силы тяготения просто не хватало бы, чтобы удерживать предметы на земной поверхности. Существовала бы некая роковая параллель, на которой вся сила тяготения использовалась бы на создание центростремительной силы. И ближе к экватору все объекты, не прикрепленные к поверхности Земли, моментально улетали бы в мировое пространство. Для обитателей такой странной планеты пересечение экватора явилось бы исключительным подвигом (эта проблема, правда, несколько теряет свой интерес, если вспомнить, что в первую очередь подобная «Земля» потеряла бы свою атмосферу). Поэтому мы имеем лишний повод порадоваться, что наша планета так удачно устроена.

Так как неинерциальность системы отсчета Земли сравнительно малозаметна, при решении многих механических задач можно использовать законы Ньютона. Но, с другой стороны, для широкого класса задач неинерциальность Земли приходится учитывать. Например, описывая движение спутника в системе отсчета, связанной с Землей, совершенно необходимо учитывать силы инерции. Если о них забыть, можно получить поразительные нелепости.

В повседневной жизни каждый из нас несколько раз в день оказывается в «сильно неинерциальной» системе отсчета. Когда троллейбус равномерно и прямолинейно едет по улице, неинерциальность системы отсчета «троллейбус» связана только с неинерциальностью системы «Земля». Мы ее не замечаем. Но стоит водителю внезапно затормозить или резко увеличить скорость, как троллейбус становится «сильно неинерциальной» системой, и сила инерции бросает нас вперед или назад.

Вероятно, и водитель и недовольные пассажиры не очень представляют, что в конечном счете все неудобства ускоренной езды вызваны тем, что троллейбус тормозит относительно неба неподвижных звезд.

Несколько неожиданное замечание, которым автор очень гордится.

В заключение отметим, что если учитывать силы инерции, то формально законы Ньютона сохраняются и в неинерциальных системах отсчета, хотя содержание их несколько иное — к реальным силам приходится добавлять некие силы инерции не совсем понятной природы.

Весьма любопытное место.

А теперь можно поставить тот вопрос, ради которого и был затеян весь разговор о неинерциальных системах: почему, собственно, мир устроен так, что равномерное и прямолинейное движение относительно неба неподвижных звезд не связано ни с какими заметными воздействиями на тело, а неравномерное или непрямолинейное движение требует приложения силы? Другими словами, этот же вопрос можно сформулировать так: можно ли предложить какое-либо разумное обоснование того факта, что существуют неинерциальные системы отсчета?

На первый взгляд может показаться, что подобный вопрос относится к «проблемам» такого рода, как «Почему вода мокрая?» или «Почему в бублике дырка?». Однако это не так.

Законы Ньютона мы «привязываем» к вполне определенной физической системе — системе неподвижных звезд. При этом, как помните, было сделано интуитивно вполне естественное физическое предположение, что все процессы в солнечной системе никак не зависят от остальных звезд. Только тогда можно утверждать, что система неподвижных звезд инерциальна.

Законы механики, как оказывается, таковы, что все системы, равномерно и прямолинейно движущиеся относительно неподвижных звезд, совершенно равноправны. Никакой механический опыт не позволит выделить какую-то одну, особую систему.

Хорошо, мы готовы принять это довольно спокойно. Так устроен мир.

Но стоит перейти к любой из систем, ускоренно движущихся относительно неба неподвижных звезд, положение резко меняется.

Законы механики в таких системах выглядят совершенно по-другому: в таких системах приходится вводить некие особые силы инерции; причем совершенно неясно, чем система отсчета, ускоренно движущаяся относительно звезд, хуже (или лучше, как угодно!) инерциальных систем отсчета. Не видно никаких физических причин, по которым ускоренное движение относительно далеких неподвижных звезд должно отличаться от равномерного и прямолинейного. И то, что такое отличие существует, несколько странно и настораживает.

Интуитивно чувствуется, что мы столкнулись с чем-то очень существенным, с каким-то из тех основных вопросов, которые занимают физика. Но разрешите ограничиться только указанием, что за неравноправием инерциальных и неинерциальных систем скрывается что-то непонятное и удивительное.

Совершенно новую постановку проблема неинерциальных систем получила в общей теории относительности Эйнштейна, но, к сожалению, в нашей беседе мы не в состоянии говорить об этом^[28].

Чтобы достойно закончить разговор о законах Ньютона, стоит сделать еще одно замечание о принципе относительности Галилея.

Много раз уже говорилось: законы механики таковы, что все явления одинаково протекают в инерциальных системах отсчета. Все инерциальные системы равноправны.

Довольно существенное уточнение физического содержания принципа относительности.

Однако, казалось бы, простейший пример противоречит этому утверждению. Допустим, наблюдатель на Земле видит отвесно падающий камень. А наблюдатель в окне вагона (равномерно и прямолинейно двигающегося по полотну) скажет, что в его системе отсчета камень двигается по параболе (это очень легко показать). Одно и то же явление в различных инерциальных системах выглядит различно. Как же с принципом относительности?

Однако никакого противоречия здесь нет.

Принцип относительности не утверждает, что один и тот же физический процесс (в нашем примере — падение камня) выглядит одинаково в разных инерциальных системах.

Пусть в одной инерциальной системе был проделан опыт. (Исследовалось, например, падение камня на Землю.)

Пусть затем в другой инерциальной системе был проделан другой опыт, причем все условия первого опыта были точно сдублированы, но уже относительно новой системы отсчета.

А «сдублировать все условия» означает, в частности, что начальные условия в новой системе отсчета должны быть такими же, как и в старой.

В нашем же примере в момент начала падения в системе отсчета, связанной с Землей, камень не имел скорости в горизонтальном направлении, а в системе отсчета, связанной с вагоном, имел в начальный момент горизонтальную составляющую скорости. Поэтому и не следует думать, что описание опыта в обеих системах должно быть одинаково. Но если опыт с падением камня на Землю точно сдублировать и повторить в вагоне, вот тогда, утверждает принцип относительности, в вагоне поезда все должно произойти точно так же, как и на Земле.

Камень, который в начальный момент не имел горизонтальной составляющей скорости относительно вагона, должен падать отвесно вниз относительно стенок вагона, и закон падения должен быть таким же, как и при падении на Земле. Это, естественно, и наблюдается в действительности.

Вот то обстоятельство, что полная идентичность экспериментов в разных инерциальных системах означает также и одинаковость начальных условий относительно «своей» системы отсчета, иногда упускают из вида и приходят к недоразумениям.

В механике отсутствует одна выделенная система отсчета, все инерциальные системы совершенно равноправны.

Резюме и новые сомнения.

Но, может быть, опыты из какой-либо другой области физики — например, опыты со светом, с электромагнитными волнами — помогут установить существование такой особой, выделенной системы?

Этот вопрос оставался открытым до 1905 года, когда Эйнштейн предложил специальную теорию относительности. И можно сказать, что, по существу, именно решение этой проблемы и привело его к созданию своей теории.

Рассуждения на тему, какой именно раздел физики (или любой другой науки) сыграл в ее развитии наибольшую роль, всегда условны и несколько схоластичны.

Можно только с уверенностью сказать, что во все времена свет (позднее — вообще электромагнитные явления) находился в центре внимания физиков. Можно сказать, что передовая линия фронта физики всегда в большей или меньшей степени была связана с электромагнетизмом. В результате изучения электромагнитных явлений возникли и специальная теория относительности, и квантовая механика, и (полезно помнить!) такие технические достижения, которые привели к полному изменению жизни человечества.

Пионерами на этом пути были Ньютон (снова Ньютон!) и Ганс Христиан Гюйгенс (1629–1695).

Современник Ньютона, по своему гению, безусловно, второй физик того века, Гюйгенс («славнейший Гугениус» — как почтительно писал М. В. Ломоносов) оставил след во многих областях физики.

Помимо классических работ в области оптики, ему принадлежат великолепные труды по астрономии и особенно по механике. Ему же мы обязаны изобретением первых точных часов (часы с маятником) — открытием, которое по значению можно спокойно поставить рядом, например, с созданием реактивной авиации.

Сам Ньютон говорил о нем: «великий Гюйгенс», а президент Королевского общества и первый физик мира не был слишком щедр в своих оценках…

Поскольку разговор зашел о свете, имеет смысл хотя бы очень и очень поверхностно коснуться его истории, ибо тут можно найти неожиданные и любопытные факты.

Сведения об изучении света у греков и римлян, которыми мы располагаем, крайне отрывочны, но тем не менее достаточно интересны.

То, что греческие, а за ними римские философы умели создавать весьма сложные и тонкие умозрительные теории, общеизвестно. Однако обычно считают, что едва ли не основная особенность античной науки — сознательное пренебрежение экспериментом. И очевидно, это утверждение довольно справедливо.

Природа отплатила за это древним полной мерой. Можно только поражаться, насколько низок был уровень развития физики по сравнению с математикой.

Но в оптике положение, по-видимому, было несколько иное. Существовало большое число самых различных теорий, которые в высшей степени гипотетичны. Кстати, и атомистическая теория света Демокрита и Эпикура не являет исключения. Все теоретические построения абстрактны, умозрительны и не основаны на эксперименте.

Но есть данные, заставляющие серьезно задуматься над тем: действительно ли греки так уж полностью пренебрегали экспериментальной физикой?

В трактате по оптике Птолемея вдруг можно обнаружить углы преломления световых лучей на границе воздух — вода. Причем значения этих углов с высокой степенью точности совпадают с истинными. Очевидно, Птолемей экспериментировал.

Римские историки сообщают, что близорукий император Нерон использовал для улучшения зрения отшлифованный изумруд. Следовательно, принцип очков — прибора совершенно уникального значения — был известен в древности.

Наконец, знаменитая легенда об Архимеде, который будто бы зажег при помощи зеркала римские корабли, осаждавшие Сиракузы, тоже свидетельствует об экспериментальной работе в области оптики.

Вероятнее всего, сама история целиком вымышлена. Но появиться она могла только в том случае, если хорошо известно фокусирующее действие вогнутых зеркал.

Есть еще десятки сообщений, которые заставляют предполагать, что многие чисто опытные данные в области оптики (особенно геометрической) были хорошо известны эллинам.

Все эти факты внушают сильные подозрений в том, что мы хорошо осведомлены о состоянии науки в древнем мире. Однако… по современным данным, в античном мире физики как науки экспериментальной не существовало.

С начала эпохи Возрождения возобновляется интерес к оптике. Изобретают (или вновь открывают?) очки.

Леонардо да Винчи в своих разбросанных записях высказывает иногда совершенно блестящие идеи. Появляются интересные работы и других ученых. Но все это только отдельные разрозненные мысли.

Перелом наступает в начале XVII столетия. И связан он все с тем же именем — Галилео Галилей!

Дело не в том, что Галилей создал новую стройную теорию световых явлений. Нет, этого не было. Он считал, что свет — это поток мельчайших неделимых частиц, и был в этом не нов.

Галилей построил совершенные оптические приборы. Но их делали и до него.

У Галилея есть любопытнейшие наблюдения по различным вопросам физической оптики (например, фосфоресценция). Но они отрывочны, разбросаны и сами по себе не сыграли значительной роли в истории развития науки о свете.

Но в оптике, как и в механике, Галилей первый последовательно применил новый метод исследования.

В оптике, как и вообще в физике, он всегда и прежде всего экспериментирует.

И подобная, совершенно новая для того времени постановка научных проблем наталкивает его на поразительный вопрос: «С какой скоростью распространяется свет?»

Собственно, сам-то вопрос не так уж неожидан. Удивительно то, как он сформулирован. Галилей не плавает в бесконечных рассуждениях: почему и отчего свет должен распространяться с конечной или бесконечной скоростью? Заниматься подобными домыслами он предоставляет современникам. Сам же он мыслит конкретно: «Можно ли придумать опыт, позволяющий определить скорость света?»

Эта проблема обсуждается знакомыми нам Сальвиати, Сагредо и Симпличио на страницах «Бесед» — последней и самой замечательной работы Галилея.

Симпличио пробует заметить, что повседневный опыт убеждает в мгновенном распространении света.

«Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность звуку, который доходит до уха через значительный промежуток времени».

Но подобные соображения не стоит высказывать такому физику, как Галилео Галилей. И Сагредо (Галилей) тут же снисходительно объясняет:

«Ну, синьор Симпличио, из этого общеизвестного опыта я не могу вывести никакого другого заключения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха через большие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня в том, что распространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого, времени. Не более того дает мне и другое наблюдение, которое выражают так: „Как только Солнце поднимается на горизонте, блеск его тотчас же достигает наших очей“.

В самом деле, кто может доказать мне, что лучи его не появились на горизонте ранее, нежели дошли до наших глаз?»

И далее Сальвиати рассказывает об опыте, который, очевидно, проделал Галилей, пытаясь определить скорость света, но не получил никакого результата. Схема опыта Галилея в принципе предугадывает схемы всех опытов по определению скорости света в земных условиях.

Галилей пытается определить скорость света.

Два наблюдателя находятся на значительном расстоянии друг от друга (несколько километров). Они снабжены фонарями с заслонками. Первый в момент t₀ открывает заслонку, и через некоторое время свет достигает второго участника опыта. Последний сразу открывает свой фонарь, и первый наблюдатель фиксирует тот момент времени t₁, когда он увидел свет от фонаря второго наблюдателя.

Считая, что свет по всем направлениям распространяется с одной и той же скоростью, и зная расстояние между участниками — r, находим скорость света:

C = 2r/(t₁ – t₀).

Нам-то понятно, что такой опыт в лучшем случае позволит определить скорость реакции наблюдателей, но не скорость света. Но Галилей еще не представлял себе, как исключительно велика скорость распространения световых волн.

Естественно, у Галилея не возникает вопроса: как меняется скорость света при переходе от одной системы отсчета к другой? Вопроса, который затем мучил физиков два с лишним столетия. Но этого и нельзя ожидать. Достаточно и того, что в оптике Галилей первым подошел к изучению проблемы как физик. Сначала точный эксперимент, и только на его основе — теория.

После Галилея надо назвать его соотечественника Франческо Мария Гримальди (1618–1663). Учитель риторики, а затем математики в иезуитских коллегиях Болоньи, он всю жизнь посвятил изучению оптических явлений.

Гримальди очень не повезло в истории науки. Он не был способен к большим теоретическим обобщениям и не мог толково объяснить собственных наблюдений. Может быть, в подобной ограниченности значительную роль сыграло то обстоятельство, что он был примерным членом иезуитского ордена и всю свою жизнь боролся против идей Коперника и Галилея.

Но экспериментатор Гримальди был выдающийся. Достаточно сказать, что он открыл интерференцию, дифракцию и разложение солнечного света в спектр при помощи призмы (дисперсию света). В его теоретических представлениях уже содержатся некие элементы волновой теории света. Однако (и это не вина, но беда Гримальди) работы Ньютона были посвящены тем же вопросам и настолько превосходили труды Гримальди, что довольно понятно, почему после появления «Оптики» он был основательно забыт.

До Ньютона теорией световых явлений много занимались и Декарт и особенно Гук. Однако Декарт в большей степени был математик и философ, чем физик, а Гук, как обычно, не доводил ничего до конца и в основном бросал идеи (правда, идеи замечательные).

«Частицы» или «волны»?

Первая теория световых явлений, заслуживающая этого названия, дана Ньютоном. Как помните, даже в механике он не обошелся без гипотез. Но там они скрыты, завуалированы.

В оптике гипотезы необходимы. Слишком разнообразны по своей природе оптические явления, чтобы можно было установить несколько единых принципов. Необходимо объединяющее все эти факты предположение — гипотеза.

Весь известный во времена Ньютона материал показывал, что конкурировать могут только две гипотезы:

корпускулярная: свет — поток частиц;

волновая: свет — это волновое движение.

Ньютон скорее склонялся к первой идее, а Гюйгенс последовательно развивал вторую.

К началу XIX столетия спор как будто был окончательно решен в пользу Гюйгенса. Не оставалось никаких сомнений в том, что свет — это волны.

Впрочем, физика XX века реабилитировала Ньютона и в этом пункте.

Пожалуй, стоит несколько напомнить, что такое волновое движение, поскольку в данном случае неглубокие повседневные наблюдения могут основательно затруднить правильное понимание.

Бросив в воду камень и наблюдая, по совету Козьмы Пруткова, разбегающиеся волны, мы обычно вполне удовлетворяемся фразой: «Волны распространяются с такой-то скоростью». Мы можем даже измерить эту скорость, не очень задумываясь, что же в действительности переносится в процессе волнового движения, каким образом ведут себя частицы той среды, в которой распространяется волна.

Волновое движение — это процесс передачи энергии, происходящий в какой-то среде. Частицы среды при этом колеблются около равновесных положений.

Нечто вроде определения!

Распространение волны заключается в том, что все новые и новые частицы среды начинают колебаться. Причем они могут смещаться совсем не в направлении распространения волны…

Игра в «испорченный телефон» неплохо иллюстрирует так называемую продольную волну. Какая-то фраза передается с одного конца цепочки участников игры на другой, но не непосредственно, а каждый говорит на ухо лишь ближайшему соседу.

Вообще говоря, «испорченный телефон» — аналог волнового движения в поглощающей и искажающей волны среде.

Еще более точная аналогия — сигнальная эстафетная служба, широко распространенная у древних. Есть несколько десятков курьеров. Получив сведения, первый бежит на соседний пост, сообщает другому и возвращается назад; второй бежит к третьему и т. д. Такая эстафета воспроизводит продольную волну; «передаваемой энергией» является сообщение, а «частицами среды» — курьеры.

В продольной волне смещения частиц происходят в направлении движения волны.

Нетрудно подыскать житейскую аналогию для поперечной волны. В ней частицы среды смещаются перпендикулярно распространению волны.

Если в большой стае птиц, сидящих рядком на проводе, крайнюю взволнует какая-то ложная тревога, она взлетит, а потом, убедившись, что все спокойно, сядет на место. Ее соседки проделают то же самое, но с некоторым запаздыванием во времени. Беспокойство постепенно распространится по всей стае, и когда на одном конце все уже успокоится, на другом волнение может оказаться в полном разгаре.

Как почти любая аналогия, приведенный пример очень грубо и неточно иллюстрирует волновое движение.

Здесь передается тревога («энергия»!), а птицы («частицы среды») двигаются перпендикулярно к направлению распространения сигнала.

Итак, частицы среды, в которой распространяется волна, только колеблются около положения равновесия. Если начальное возбуждение имеется в одном месте, то волна может распространяться только при условии, что частицы среды связаны между собой. Это совершенно понятно.

Менее тривиально такое замечание: волна будет распространяться без всяких искажений и потерь только в том случае, когда силы связи между частицами среды имеют совершенно определенный характер — так называемые упругие силы. Такая среда называется идеально упругой и вообще-то представляет собой некоторую идеализацию. Но известно много тел, в которых волны распространяются с очень малыми потерями энергии. Между прочим, эти тела и среды могут быть совершенно различны по своим прочим свойствам. Например, стальной стержень и воздух.

Что упругие свойства воздуха в известном смысле очень хороши, убеждает, например, то, что, разговаривая, мы слышим друг друга на расстоянии нескольких десятков метров. Чрезвычайно малой энергии колебаний голосовых связок достаточно (если бы все люди на Земле подняли крик, они развили бы мощность всего лишь 10 л. с.), чтобы звуковая волна распространилась на десятки метров, прежде чем она поглотится средой.

Впрочем, разговор о свойствах упругих тел завел бы нас слишком далеко. Отметим только, что в твердых упругих телах могут образовываться волны обоих типов — продольные и поперечные. А в глазах возникают только продольные волны.

Пожалуй, наиболее яркими свойствами волнового движения — своеобразным «паспортом» — являются интерференция и дифракция. Суть обоих этих явлений очень проста, но почему-то дифракцию обычно представляют себе хуже, чем интерференцию.

Дифракция — это огибание препятствия волной. Если на пути распространения волн на воде окажется камень, то в образованном за камнем конусе резкой волновой тени не образуется. Волновое движение частично «захлестнет» и ту область, которая находится в «тени».

Скороговорка о важнейших свойствах волнового движения.

При прочих равных условиях огибание препятствия тем значительней, чем больше отношение длины волны к размерам преграды.

Поэтому можно слышать голос человека, рот которого прикрыт ладонью и не виден. Звуковые волны легко огибают ладонь, а дифракция световых волн слишком мала, чтобы обогнуть это препятствие. Иначе говоря — чем меньше длина волны, тем труднее наблюдать дифракцию.

Дифракцию видимого света, впрочем, можно обнаружить при помощи сравнительно простых приспособлений, но дифракция рентгеновых лучей наблюдается при рассеянии на таких препятствиях, как отдельные атомы.

Интерференция — непосредственное следствие принципа суперпозиции.

Ученый характер фразы не должен смущать. Содержание принципа суперпозиции очень ясно. «Когда в одной точке действуют несколько возмущений, то, чтобы выяснить окончательный результат, их следует просуммировать».

А суммируя даже две одинаковые волны, можно получить самые различные результаты в зависимости от разности фаз этих волн (кстати, неплохая аналогия явления интерференции — закон сложения сил). В частности, теоретически вполне возможен случай, когда при громком разговоре двух людей в комнате устанавливается абсолютная тишина.

По ряду причин именно этот эффект отсутствует, но всегда можно создать экспериментальные условия для наблюдения интерференции. И в оптике, и в акустике, и при изучении упругих волн в твердых телах интерференцию легко наблюдать.

Может быть, наиболее трудно воспринимается еще одно замечательное свойство волн — поляризация, но пока мы «минуем это препятствие».

Изучая свет, физики наблюдали эффекты, которые явно указывали на его волновую природу. Интерференцию и дифракцию, как помните, наблюдал еще Гримальди. За ним Гук, Ньютон и Гюйгенс в своих опытах неоднократно наталкивались на те же явления.

Здесь заканчиваются обрывочные замечания о волнах и (внимание!) снова появляется эфир.

Но если принять, что свет — волновое движение, необходимо, казалось бы, предположить, что существует какая-то материальная среда, в которой это движение происходит. Иначе говоря — необходим эфир.

Эфир, который у Декарта появился в результате чисто умозрительных спекуляций.

Эфир, который был принят Ньютоном, хотя всю свою жизнь он относился к нему крайне подозрительно.

Эфир, по поводу которого Ньютон к концу своих дней просто избегал говорить что-либо определенное.

Этот эфир у Гюйгенса как будто впервые получает реальное обоснование.

Что же понимали физики до начала XX века под эфиром?

Изучение звуковых волн в воздухе и упругих телах убеждало, что волновое движение возможно только в сплошных средах. А если свет — это волны, то, очевидно, все наше пространство залито какой-то сплошной средой, обладающей чрезвычайно удивительными свойствами.

Свойства этой среды удивительны потому, что ни один физический опыт, кроме опытов со светом, не давал возможности обнаружить ее существование.

С другой стороны, представить себе распространение волн без наличия какой-то материальной среды физики не могли^[31]. Ведь их опыт (волны в воздухе, на поверхности воды, в упругих телах) заставлял считать, что волны могут распространяться только в среде, состоящей из каких-то частиц, связанных между собой.

Ученые вообще любят мыслить аналогиями. Но здесь она не та, что напрашивалась, ее немыслимо было избежать!

И торжество волновой теории одновременно ознаменовалось победой гипотезы эфира.

Идея Декарта о существовании некоей тончайшей материи materia subtilis^[32], заливающей всю вселенную, вместе с волновой теорией света завоевывает умы физиков.

Все последующие годы — это годы споров о свойствах эфира. Эфир Гюйгенса во многом не похож на эфир Декарта, а эфир XIX столетия наделяется совершенно новыми свойствами. Но гипотеза о существовании эфира в той или иной форме прочно входит в физику.

Но если вся вселенная залита некоторой «жидкостью» (или «газом») — эфиром, то, казалось бы, решен вопрос о существовании системы отсчета, настолько выделенной по своим свойствам, что ее можно считать абсолютной.

«Слушайте, слушайте!» (как любят говорить англичане).

Эта система отсчета — покоящийся эфир.

Движение относительно эфира — абсолютное движение.

Несущественно, что, исследуя механические явления, невозможно отличить абсолютное движение от относительного.

Мы найдем такие световые явления, которые позволят наблюдать неподвижный эфир.

Так мы определим абсолютную систему. Между прочим, если принять существование эфира, довольно естественно предположить, что центробежные силы возникают именно при вращении относительно эфира.

Открываются новые перспективы для объяснения природы инерциальных и неинерциальных систем отсчета.

Взаимодействие через эфир, возможно, позволит объяснить механизм тяготения.

Гипотеза эфира выглядит как будто очень привлекательной, даже если отвлечься от попытки объяснить свойства света.

Так в конце XVII столетия завязывается в физике тот узел, разрубить который довелось Альберту Эйнштейну в 1905 году.

В прошлой главе допущена существенная неточность, продиктованная схематичностью изложения. Говорилось, что Гюйгенс первым обосновал волновую природу света, а Ньютон в противовес выдвинул корпускулярную теорию.

Все это не совсем верно. Гюйгенс не объяснил в своих работах многие основные явления, с которыми сталкиваешься при изучении света. Он, например, не представлял, что свет — периодический процесс. И не мог, следовательно, хорошо объяснить интерференцию света. Он ничего не говорил о дифракции и, возможно, вообще не подозревал о существовании такого явления; наконец, основные свойства световых лучей — прямолинейность их распространения и образование цветов — также не получили объяснения в теории Гюйгенса.

Волновая теория света во времена Гюйгенса — Ньютона очень неудовлетворительно описывала наблюдаемые эффекты, и Ньютон не случайно от нее отказался.

Впрочем, он не был безусловным сторонником и корпускулярной теории.

Для творца механики и оптики гипотеза всегда оставалась не более чем гипотезой. Все это он относил к физике второго сорта. Впрочем, когда без гипотез нельзя было обойтись, Ньютон демонстрировал, что может их измышлять лучше всех современников.

В свойствах света он разбирался лучше, чем Гюйгенс, лучше, чем любой из живших в то время физиков. Но… к своим собственным теориям он относился так же недоверчиво и, можно сказать, с такой же иронией, как и к построениям других авторов.

Л. И. Мандельштам очень тонко заметил, что Ньютон не создал волновой теории только потому, что лучше, чем Гюйгенс, видел ее недостатки. Но и к корпускулярной теории он не испытывал особо нежных чувств…

Совершенно так же он, пожалуй, «недолюбливал» и эфир, хотя в течение своей жизни предложил несколько изящных гипотез эфира — несколько «эфиров».

К сожалению, есть только один способ передать изумительную гибкость и изобретательность его мысли — подробно изложить эти гипотезы. А как раз это мы не в состоянии проделать.

Можно привести только один любопытный факт. Менделеев в конце XIX столетия (!) рассуждал об эфире совершенно в плане идей Ньютона. Его уверенность в существовании эфира была так велика, что в периодической таблице он оставил нулевое место для химического элемента «ньютония» — эфира. То, что эфир Ньютона двести лет спустя привлек такого ученого, как Менделеев, уже одно может служить рекомендацией.

А вот как расценивал сам Ньютон эту группу своих работ. Знаменитое письмо об эфире к Роберту Бойлю заканчивается неожиданной, если не знать Ньютона, фразой:

«Что касается меня, то я имею столь мало вкуса к вещам такого рода, что без поощрения вашего, побудившего меня, я никогда бы, полагаю, не взялся за перо для такого рода дел».

Это сказано в заключение нескольких страниц, с которых блещет такой фейерверк остроумнейших и тончайших гипотез, что, право, идей одного этого письма хватило бы, чтобы оставить свое имя в истории науки.

Конечно, могут быть различные мнения по поводу отношения Ньютона к гипотезам как к методу научной работы. Но думаю, бесспорно, что в данном случае иронически-пренебрежительное отношение Ньютона к своим собственным результатам, продиктованное беспощадной требовательностью, пробуждает чувство глубокого преклонения перед ученым и человеком.

Скепсис Ньютона был забыт последующими поколениями. И произошло это не случайно.

В начале XIX столетия волновая теория света могла, наконец, торжествовать триумф.

До конца XVIII века, отчасти под влиянием авторитета Ньютона, а главным образом ввиду недостатков волновой теории, большинство физиков считало, что свет — это поток корпускул, а не волны. Корпускулярную теорию в первую очередь защищала наиболее передовая и сильная научная школа того времени, объединенная Французской академией наук.

Первый чувствительный удар корпускулярной теории был нанесен в 1801 году. Роберт Юнг объяснил интерференцию световых волн с точки зрения волновой теории. Цвета тонких пластин и кольца Ньютона^[33] в волновой схеме Юнга получили хорошее теоретическое объяснение.

Но сторонников корпускулярной теории это не убедило. У них тоже были свои достижения. Например, Лаплас успешно объяснил с точки зрения корпускулярной теории явление двойного лучепреломления. И вопрос оставался открытым.

В 1818 году Французская академия наук предлагает премиальную тему: «Теоретическое объяснение дифракции». При этом рассчитывали, что появится работа, объясняющая дифракцию с корпускулярной точки зрения. Но увы, надежды так часто не сбываются. На конкурсную комиссию было подано сочинение, в котором все явления дифракции объяснялись с волновой точки зрения. Автором работы был еще сравнительно молодой физик Огюст Жан Френель. Он, по существу, и есть творец волновой теории света.

Работу признали неохотно, поскольку почти все члены комиссии придерживались корпускулярной теории. Но в комиссии были настоящие ученые, и труд Френеля в конце концов получил блестящий отзыв.

При обсуждении произошел очень поучительный эпизод. Один из крупнейших математиков XIX столетия, Пуассон, не понимал и не принимал идей Френеля. Он и обратил внимание на такой «нелепый» вывод волновой теории. При определенных размерах препятствия в центре тени должно было образоваться светлое пятно.

Проделали опыт. Оказалось, что светлое пятно действительно находится в той точке, где предписывала теория. «Опровержение» Пуассона обернулось блестящим доказательством волновой природы света.

После Френеля не оставалось никаких сомнений в том, что свет — волны; не оставалось сомнений и в существовании эфира.

А эфир по-прежнему представлял для физиков камень преткновения. Более того, как раз работы Френеля, убедив в существовании эфира, с одной стороны, с другой — очень и очень запутали положение.

Трудности, связанные с гипотезой эфира.

Как только появилась гипотеза эфира, возник вопрос: «Почему же планеты, да и вообще все тела не испытывают сопротивления, двигаясь через эфир?» Единственное удовлетворительное объяснение можно дать, считая эфир каким-то исключительно разреженным газом мельчайших частиц. В этом случае еще можно как-то говорить, что трение об эфир ничтожно и потому экспериментально не выявляется.

Но если эфир — газообразная субстанция, «некий тончайший спиритус, проникающий во все тела…», как говорил Ньютон, то в нем могут осуществляться только продольные волны. В газах поперечных волн не бывает. Следовательно, световые волны должны быть продольными.

И вот тот же Френель показал, что свет — это поперечные волны.

Первая неприятность!

Естественно заинтересоваться: как вообще установили — продольные или поперечные световые колебания, если не было возможности наблюдать частицы той среды (эфира), в которой распространяется свет? Ведь никто не видел, что именно колеблется в световой волне?

Продольны или поперечны световые волны?

И тем не менее поперечный характер колебаний эфира был установлен совершенно безупречно. При доказательстве использовали очень элегантный прием — соображения симметрии.

Рассмотрим световой луч. Согласно волновой теории, он обусловлен колебаниями эфира. А та область, в которой эфир колеблется, представляет собой узкую «трубку», центральная ось которой и есть ось светового луча.

Если в цилиндре колебания эфира продольны (направлены вдоль оси) и если свойства эфира во всех направлениях одинаковы (изотропность эфира!), можно утверждать, что физические свойства луча света должны обладать осевой симметрией.

Предыдущая фраза может показаться непонятной и потому стоит пояснения.

Что означают слова «изотропность эфира»? Только то, что в эфире нет выделенного по своим физическим свойствам направления. В этом убедились на опыте. Если, например, произвести вспышку света, то световая волна абсолютно одинаково распространится во всех направлениях.

Важнейшее физическое понятие «изотропность».

Точно так же для лыжника в ровном поле на нетронутом снегу в смысле трудности пути все направления равноценны. Но если на поле проложены лыжни или если он стоит на склоне горы, изотропность нарушена — есть более и менее благоприятные направления.

Осевая симметрия всех свойств луча означает, что в световом луче совершенно равноправны все направления, перпендикулярные оси. Если мы повернем световой луч вокруг его оси, ничего не изменится. Вся физическая картина останется прежней. Обычные световые лучи действительно обладают такой симметрией. И ни один опыт не показывает, что какое-то из направлений, перпендикулярных к оси, выделяется по своим свойствам.

Казалось бы, все это подтверждает гипотезу о продольных колебаниях эфира.

Впрочем, не будем торопиться с выводами…

В 1670 году Гюйгенс обнаружил, что если пропустить через кристалл исландского шпата луч света, то на выходе из кристалла он раздвоится!

Факт предельно удивительный. Правда, Гюйгенсу удалось формально (математически) объяснить двойное лучепреломление, но физику явления он не понял и не нашел ничего лучшего, как выдвинуть гипотезу о существовании двух эфиров (!) в исландском шпате.

Вот оно — двойное лучепреломление, доказывающее поперечность световых волн!

Естественно, Ньютон жестоко критиковал Гюйгенса за эти построения. Сэру Исааку с лихвой хватало одного эфира, а уж примириться с двумя он никак не мог.

Несколько отвлекаясь, заметим, что вообще наблюдается, казалось бы, мистический факт. Чем более искусственны предположения, чем сложнее гипотеза, тем меньше вероятия, что она оправдается. Впрочем, это довольно естественно, потому что для сохранения правильной гипотезы по мере накопления противоречащих фактов приходится добавлять все новые искусственные предположения.

Но двойное лучепреломление таило в себе еще одну неприятность.

Если взять два одинаковых кристалла исландского шпата и через оба пропустить луч света, то на выходе мы увидим четыре луча.

Начнем вращать теперь правый кристалл относительно левого. Яркость каждой из четырех точек на экране будет изменяться. Причем при определенном положении кристаллов друг относительно друга вместо четырех лучей мы увидим только два, а два других исчезают! Значит, каждый из лучей, вышедших из первого кристалла, во втором уже не расщепляется^[34].

Итак, интенсивность каждого из наблюдаемых четырех лучей меняется в зависимости только от взаимного расположения кристаллов.

Каждому лучу, который вышел из первого кристалла, не безразлично, в каком положении будет второй кристалл. Луч света, оказывается, как-то «подготовлен» к прохождению через второй кристалл. Все это довольно странно.

При вращении нижнего кристалла для лучей света, казалось бы, ничего не изменилось — ведь оба кристалла однородны, одинаковой толщины, и при вращении меняется только взаимное расположение их кристаллографических граней.

Если же вращать оба кристалла вместе, не меняя их взаимного расположения, интенсивность каждого из четырех лучей на выходе строго постоянна и не зависит от вращения.

Это сразу указывает, что весь эффект скрыт в свойствах световых лучей, вышедших из первого кристалла. Чем-то такой свет отличается от обычного. Но чем?

Этот эффект, назовем его пока условно «эффектом Гюйгенса», оставался необъясненным более ста лет.

И это не удивительно. Если принять, что свет — продольные колебания эфира и сам эфир изотропен, невозможно понять, чем могут отличаться друг от друга два луча белого света равной интенсивности.

Но стоит предположить, что свет — это поперечные колебания, как появляется еще одна характеристика — направление колебаний частиц эфира.

Руководящая идея для объяснения двойного лучепреломления — поперечных световых волн.

Если колебания поперечны, то в цилиндрике, который «вырезается» из эфира световым лучом, выделяется одно из плоских сечений. Это плоскость, в которой колеблются частицы эфира.

Как объяснить тогда, что в обычном световом луче мы не наблюдаем такой выделенной плоскости?

Ну, это сравнительно просто. Вспомним, например, что белый свет — это смесь световых волн различной длины, смесь различных цветов (Ньютон!). Может быть, в обычном луче, кроме того, равномерно смешаны световые колебания, происходящие в различных плоскостях. А тогда, естественно, выделенное направление отсутствует.

Кристалл же исландского шпата, возможно, как-то сортирует лучи. И у двух лучей, вышедших из первого кристалла, направления плоскости колебаний различны.

Правда, такая гипотеза пока не кажется очень убедительной. Тем более что при изучении исландского шпата мы наблюдаем довольно сложную картину (4 луча!). Проще проделать аналогичный опыт с кристаллом турмалина.

Очень изящный опыт с кристаллом турмалина.

Возьмем определенным образом вырезанную пластинку турмалина, направим перпендикулярно к ее поверхности луч света. Пройдя сквозь пластинку, он не преломится^[35].

Не изменится и его интенсивность, если вокруг оси луча вращать пластинку.

Но усложним опыт. Будем пропускать свет последовательно через две пластинки.

Если вторую пластинку вращать относительно первой вокруг оси светового луча, то увидим, как при каком-то взаимном расположении пластинок интенсивность света на выходе достигнет максимума, а потом постепенно уменьшится до нуля. Свет не проходит! При дальнейшем вращении турмалина интенсивность снова растет.

Вывод.

Значит, луч света, проходящий через две пластинки, очень чутко реагирует на взаимное положение пластинок. Допустив, что колебания эфира продольны, невозможно понять, как вращение пластинок может влиять на луч.

Следовательно, приходится, по-видимому, признать, что колебания эфира в световой волне поперечны. А луч, выходящий из кристалла турмалина, поляризован. Кстати, давно пора сказать, что такое поляризованная волна.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, если колебания частиц той среды, в которой она распространяется, происходят все время в одной плоскости.

Итак, из кристаллов исландского шпата и турмалина свет выходит плоскополяризованным (по-видимому!).

Стоило ли так подробно останавливаться на этих опытах, усложняя при этом рассказ упоминанием об опытах Гюйгенса с исландским шпатом? Ведь с турмалином поперечность колебаний устанавливается значительно проще.

Пожалуй, все-таки стоило. Очень часто приходится слышать, что в XVII веке ученым работать было легче. Достаточно было проделать элементарный опыт или «угадать» тривиальный вывод — и новый шаг в науке сделан. Поэтому, мне кажется, полезно чуть-чуть серьезнее проанализировать «элементарные» выводы Галилея, Ньютона, Гюйгенса.

У нас, конечно, нет возможности по-настоящему разобрать хоть одну из задач прошлого, но хочется дать хоть какое-нибудь представление о том, какими удивительными и необъяснимыми предстают всегда новые эффекты независимо от того, в каком веке их наблюдают.

Назидательные рассуждения о сложности науки и о возможности других попыток для объяснения двойного лучепреломления.

Если говорить строго, то даже опыт с турмалином не позволяет заключить, что в световой волне имеются только поперечные колебания эфира. Пока не было приведено ни одного факта, утверждающего отсутствие продольных колебаний.

Более того, можно, например, выдвинуть гипотезу, что частицы эфира — нечто вроде «световых магнитиков», причем расположены они совершенно беспорядочно. Можно думать, что в световом луче эти частицы испытывают продольные колебания. В обычном световом луче колеблются все беспорядочно направленные магнитики эфира. После прохождения через кристалл турмалина почему-то возбуждаются продольные колебания только в определенным образом ориентированных магнитиках эфира. Тогда, хотя колебания и продольны, появляется выделенное направление.

Конечно, легко сказать, что все это ерунда. Но сказать и обосновать — вещи разные.

А можно попробовать объяснить поляризацию света и с корпускулярной точки зрения. Для этого достаточно ввести гипотезу, что сами световые корпускулы аналогичны магнитикам, а кристалл просто приводит в порядок их расположение. Кстати, автор последней гипотезы не кто иной, как Ньютон. Именно он первый уловил исключительное значение опытов Гюйгенса, опытов, в которых, по его выражению, проявились «изначальные» свойства света.

Короче, не стоит удивляться, что гипотеза поперечности световых колебаний была принята физиками с таким трудом. Она казалась им очень неестественной. Признание поперечных колебаний в эфире означало отказ от модели газообразного эфира! Ведь в газах поперечные волны отсутствуют!

Поперечность световых волн и гипотеза эфира.

Следовательно, приходилось перестраиваться и представлять эфир каким-то аналогом твердых тел.

Но в этом случае уж совершенно непонятно, как в таком эфире небесные тела двигаются без трения! И это еще не все. Во всех твердых и жидких телах могут распространяться как поперечные, так и продольные волны. А Френель и Араго в начале XIX столетия проделали опыты^[36], объяснить которые можно было, только предположив, что продольные колебания в световых лучах совершенно отсутствуют. И это было уже совсем нехорошо!

В механике было доказано, что если на границу раздела двух упругих сред набегает даже строго поперечная волна, в отраженной и преломленной волнах должна иметься продольная составляющая. А в эфире никакой продольной волны не появляется! Отраженный свет состоит из строго поперечных колебаний!

Едва удалось найти удовлетворительную гипотезу, объясняющую этот факт, как физики оказались лицом к лицу перед совершенно удивительными открытиями.

Майкл Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации света вращается под действием магнитного поля. Световые и электромагнитные явления оказались тесно связанными между собой. Эфир «световой» оказался по меньшей мере очень близким родичем эфиру «электрическому»!

Начиная с этой главы, мы вступаем, так сказать, в «предгорья» теории Эйнштейна. Все дальнейшее посвящено, по существу, одному вопросу: «Можно ли какими угодно опытами обнаружить покоящийся эфир — выделить абсолютную систему?»

В XIX столетии отношение физиков к гипотезе эфира очень напоминало отношение родителей к единственному балованному ребенку.

Эфиру прощали все: и его совершенно странные свойства сверхтвердого тела (строгая поперечность световых колебаний); и одновременно его исключительную разреженность, вытекающую из полного отсутствия влияния его на движение звезд и планет; и искусственность поведения эфира в сплошных телах (два эфира в исландском шпате?!). Позже вместо гипотезы о двух эфирах была выдвинута гипотеза о различной упругости эфира вдоль разных кристаллографических направлений (Нейман, 1835 г.), но это тоже вряд ли можно рассматривать как счастливую находку.

Физики мирились со всем потому, что без эфира, без какой-то среды немыслимо было представить, как распространяются электромагнитные волны в пространстве.

В наши дни мы довольно спокойно говорим, что само пространство обладает свойством передавать электромагнитные и гравитационные волны. Причем это свойство мы не связываем с наличием какой-то заливающей вселенную среды.

Механические методы эфира отброшены, и вместо них введено новое понятие — понятие поля. Чтобы не вдаваться в тонкости, просто отметим: современная физика отказалась от попыток представлять электромагнитные волны аналогично волнам в механических средах и газах.

Сейчас мы просто констатируем факт: в пространстве могут распространяться волны; эти волны обладают такими-то свойствами.

Мы знаем теперь, что гипотеза, будто пространство заполнено какой-то средой, аналогичной по своим свойствам газам или упругим телам, — эфиром, — несостоятельна, она противоречит опытам.

Короче, в вопросе об эфире физики вернулись к методу принципов. Но думаю, довольно ясно, как тяжело было отказаться от очень наглядной гипотезы эфира — упругой среды, заливающей вселенную.

Небольшое филологическое замечание.

Когда говорят, что теория относительности изгнала из физики эфир, имеют в виду «истребление» среды, заполняющей пространство и построенной из частиц. Сейчас мы утверждаем только то, что через пространство могут передаваться волны. Можно называть такое пространство эфиром, никто особенно не будет возражать; это вопрос сугубо терминологический.

Классический эфир погиб, когда установили, что в оптических явлениях так же, как в механике, отсутствует выделенная система отсчета.

Но прежде чем в этом убедились, прежде чем Эйнштейн создал свою теорию, пришлось потратить двести с лишним лет на поиски. Сотни опытов, десятки теорий, талант и трудолюбие многих поколений физиков подготовили триумф Эйнштейна.

Каждый по мере сил вносил свою долю: и те, чьи работы были похоронены навечно очень скоро после их рождения; и те, чьи труды оставили заметный след в физике.

Пожалуй, нет в истории науки более драматичной повести, чем поиски теории эфира. Несколько раз казалось, что все уже ясно, что все сомнения исчезли. Но проходил десяток лет, и новые опыты ставили под удар теории, столь убедительные в недавнем прошлом.

У нас, естественно, нет возможности даже очень схематично проследить этот великий и тяжелый путь.

Мы ограничимся лишь упоминанием о двух работах, сделанных на заре изучения световых явлений. Они выбраны не столько потому, что сыграли важнейшую роль в истории эфира и учении о свете, сколько потому, что, проследив за замечательными, неожиданными и поразительно смелыми выводами их авторов (в общем сравнительно рядовых ученых), можно почувствовать, что такое физика.

Первая работа.

Датский математик и астроном Олаф Ремер в 1676 году в движении ближайшего спутника Юпитера обнаружил очень странные неправильности: систематически нарушалась периодичность затмений спутника. Наблюдаемая картина представлялась в высшей степени удивительной.

Факт номер один.

Известно, что время одного полного оборота спутника Юпитера постоянно. Наблюдения, проведенные в разные времена года, давали одну и ту же цифру — 42 часа 47 минут 33 секунды. Конечно, иногда получали чуть больше, иногда чуть меньше, но отклонения не превышали пределов ошибок эксперимента, а среднее наблюдаемое значение продолжительности одного оборота оставалось постоянным, что, впрочем, было вполне естественным.

Мистификация! Наблюдаемое кажущееся время одного оборота спутника непостоянно. Но во времена Ремера заметить этого не могли из-за недостаточной точности приборов.

Далее. Орбиты Земли и Юпитера и скорости движения этих планет были хорошо изучены астрономами. Поэтому, казалось бы, зная момент наступления одного затмения спутника, можно легко предсказать, когда начнется любое последующее. Надо только провести кропотливые, но в принципе очень простые вычисления.

Действительно, есть три тела. Известно, как они двигаются. И совсем не сложно установить, через какие интервалы времени они окажутся на одной прямой.

Пусть затмение наблюдается в момент, когда Юпитер, Земля и спутник Юпитера находятся в положении 1. Зная время одного оборота спутника Юпитера, можно вычислить моменты наступления остальных затмений на весь земной год вперед.

Но вместо нарисованной мирной картины астрономы столкнулись с удивительным фактом номер два.

Факт номер два.

Оказалось, что моменты наступления затмений сначала запаздывают. Запаздывание все возрастает примерно в продолжение нашего земного полугода и достигает под конец значительной величины — нескольких минут.

Потом в течение следующего полугода запаздывание все уменьшается и уменьшается, пока не исчезает совсем.

Впечатление такое, будто спутник первые полгода вращается вокруг Юпитера несколько медленнее, а вторые полгода — несколько быстрее, чем это наблюдалось в момент, соответствующий положению 1.

Получалось так, будто движение спутника возмущено какой-то неизвестной причиной, которая то ускоряет его, то замедляет; причем воздействие ее по своему характеру периодично с периодом примерно в один земной год.

Но откуда может появиться подобное возмущение?

Ремер выдвинул смелую гипотезу: причина отклонений не в спутнике Юпитера, он вращается равномерно, а в том, что скорость света конечна, и в результате наблюдателю на Земле кажется, что время одного оборота различно.

Повторяю (насколько можно понять из имевшейся в распоряжении автора литературы), во времена Ремера инструменты были недостаточно точны, чтобы непосредственно поймать разницу во временах одного оборота спутника Юпитера, измеряя это время, скажем, сегодня и через полгода.

Но, регулярно накапливаясь, отклонения в доли секунды привели к различию между наблюдениями и предсказаниями теории для моментов наступления затмения в несколько минут.

Кстати, с явлением, «очень напоминающим» запаздывание затмений спутника Юпитера, приходится сталкиваться в повседневной жизни.

Довольно часто можно слышать: «У этих часов очень точный ход. Они отстают на минуту в месяц».

Попытка популярно объяснить кажущееся противоречие в наблюдаемых Ремером фактах.

Точность обычных наручных часов не позволяет обнаружить отставание на две секунды в сутки. Но, постепенно накапливаясь, за месяц эта малая ошибка дает вполне заметное значение — минуту. Уже через несколько суток по секундной стрелке можно заметить, что часы отстают, хотя, если сверять их по сигналам точного времени в двенадцать дня и двенадцать ночи, нет возможности заметить отставание на одну секунду. При такой проверке создается впечатление, что часы идут совершенно точно.

Но если в примере с наручными часами все достаточно очевидно, то со спутником Юпитера положение было очень запутано ввиду побочных эффектов.

Шеф Ремера — крупнейший французский астроном Кассини — сначала было согласился с его идеей. Но потом отказался от нее, так как наблюдаемые движения других спутников Юпитера как будто противоречили выводам Ремера. И как часто бывает, Ремер так и не дождался при жизни полного признания своей теории.

Принципиально эффект кажущейся неравномерности вращения, вызванный конечностью скорости света, очень ясен.

Рассмотрим два положения Земли и Юпитера. В этих двух положениях и проведем измерение интервалов между двумя затмениями. Заметим, что в положении 1 расстояние между Землей и Юпитером уменьшается со временем, а в положении 2 растет.

Учтем теперь, что скорость света конечна.

Пусть Юпитер, спутник и Земля находятся в положении 1. Пусть спутник зашел за Юпитер в момент времени t₁. В это мгновение на Земле мы получим световые волны, которые были посланы с поверхности спутника в какой-то предыдущий момент. Иными словами, мы увидим изображение спутника в том месте, где его уже нет.

Точно так же мы ничего не увидим, если попытаемся найти быстро летящий самолет в той точке, откуда доносится звук мотора. Пока звук будет до нас добираться, самолет улетит дальше.

Кажется, первая совершенно точная аналогия.

Изображение спутника, скрывающегося за Юпитером, мы получим не в момент t₁, а спустя некоторое время Δt₁(r₁), которое нужно затратить свету, чтобы пробежать расстояние r₁ от спутника Юпитера до Земли. Оно будет равно Δt₁(r₁) = r₁/c, где с — скорость света.

Пожалуй, и в этом случае проще разобраться в сути дела, используя формулы.

Земной наблюдатель по своим часам отметит, что затмение спутника Юпитера началось в момент t_т = t₁ + r₁/c^[37].

Когда произойдет второе затмение (а оно наступит примерно через двое суток), все повторится. И мы занесем в журнал наблюдений, что затмение началось в момент t_т¹ = t₁¹ + r₁¹/c, — где r₁¹ — расстояние между Землей и Юпитером в момент начала второго затмения.

Интервал времени между началами двух затмений = Δt_1 т = (t₁¹ – t₁) + 1/c(r₁¹ – r₁).

Но, как помните, в положении 1 расстояние между Землей и Юпитером все время уменьшается. Следовательно, r₁¹ < r₁, и вторая скобка отрицательная.

Правда, скорость света с очень велика, поэтому все второе слагаемое очень мало по сравнению с первым членом. Но все же измеряется несколько меньший интервал времени, чем действительный период между двумя затмениями.

Все сказанное можно повторить по отношению к измерениям, проведенным в положении 2, и тогда получим:

Δt_2 т = (t₂¹ – t₂) + 1/c(r₂¹ – r₂).

Есть, однако, существенное различие. Когда Земля и Юпитер находятся в положении 2, расстояние между ними все время растет, то есть r₂¹ > r₂.

Значит, вторая скобка положительна, и интервал Δt_2 т несколько больше действительного периода между затмениями. (Само собой разумеется, что Δt_2 т > Δt_1 т.)

Зная движение Земли и Юпитера, можно определить разность расстояний между ними в любые моменты времени. И, имея эти данные, путем несложных вычислений легко найти скорость света.

Вычисления самого Ремера были довольно грубы: по его данным, скорость света равна приблизительно 215 тысячам километров в секунду^[38].

Наш разговор о методе Ремера чуть менее схематичен, чем принято обычно. Но и мы обратили внимание только на одно затруднение — противоречивость кажущегося постоянства времени одного оборота спутника и предсказаний времени затмений на длительные сроки, — забыв о многих не менее тяжелых препятствиях на пути Ремера. Мало было связать руководящую идею конечности скорости света с тем, что предсказания затмений на длительные сроки были ошибочны. Требовалось еще обработать очень сложный и запутанный экспериментальный материал, материал настолько противоречивый, что Кассини отказался от теории Ремера.

Опять назидательные поучения!

Когда работа закончена, когда не остается сомнений в ее справедливости, все представляется очень простым. Это впечатление бывает особенно четким при поверхностном знакомстве. Но стоит присмотреться внимательней, как видишь, сколько было поисков и сомнений у исследователей, какой тяжелый путь скрыт за этой мнимой простотой. Избитый афоризм «гениальное всегда просто» мало поэтому соответствует истине. Более точно было бы сказать: «Простым кажется все, что уже ясно понято другими». Причем простота видна тем разительней, чем меньше мы сами понимаем, о чем идет речь.

Перейдем ко второй работе, сыгравшей в теории света и эфира исключительную роль.

Интересно, что в какой-то степени она была сделана случайно.

С тех пор как появилась система Коперника, ее сторонники пытались доказать вращение Земли, обнаружив кажущееся годичное движение неподвижных звезд — параллактическое смещение.

Очень издалека начинается рассказ об аберрации света — эффекте, замечательном как по своей физической сущности, так и своей историей.

Идея наблюдений очевидна.

Когда Земля находится в положении Т′, звезда представляется нам в точке S′. Спустя полгода мы из Т″ увидим ее в точке S″. И за год она совершает движение S′S″S′^[39].

Иными словами, видимое движение звезды проявляется в том, что в разные времена года надо направлять телескоп под различными углами к земной поверхности. А это на нашем языке и означает в различные точки неба.

Так как расстояние от Земли до звезд во много раз превышает размеры земной орбиты, годичный параллакс ничтожно мал. Поэтому астрономы XVI столетия, с их несовершенными приборами, заметить его не могли. Ведь наибольший параллакс у самой близкой к нам звезды Proxima (Ближайшая) Центавра равен 0,75″! Под таким углом виден человеческий волос на расстоянии 18 метров!^[40]

Любопытные сведения.

Известный датский астроном Тихо де Браге тщетно пытался обнаружить годичный параллакс Полярной звезды и после неудачных опытов в конце концов стал непримиримым противником учения Коперника.

В XVII столетии точность астрономических наблюдений значительно возрастает и действительно удается наблюдать смещение звезд. Решили, что обнаружен годичный параллакс и получено еще одно подтверждение идеи Коперника.

Но вот Брадлей, изучая годичные смещения многих звезд, приходит к выводу, что это отнюдь не параллактическое смещение. Наблюдаемые движения совершенно не совпадали с теоретическими представлениями.

Не было просто ничего похожего.

Во-первых, абсолютно все звезды, лежащие в плоскости эклиптики, в течение года дважды пробегали одну и ту же дугу, равную 40,9 секунды.

Далее. Все звезды, не лежащие в плоскости эклиптики, описывали на небе эллипсы, большая ось которых также равнялась тем же 40,9 секунды.

Если допустить, что эти движения и есть параллактические смещения, пришлось бы сделать невероятное предположение, что все звезды удалены от Земли на одно и то же расстояние. Впрочем, такой отчаянный шаг тоже не мог спасти положение.

В открытом Брадлеем движении наблюдались такие закономерности, которые уже совсем нельзя было объяснить, считая, что мы видим параллактическое смещение.

Действительно, если видимое движение звезд вызвано параллактическим смещением, то при тех двух положениях Земли, когда Солнце, Земля и звезды находятся на одной прямой, звезда должна наблюдаться в одной и той же точке небосклона. А Брадлей установил, что как раз при положении Земли в этих точках звезда максимально отклоняется от своего среднего положения на небосводе.

Естественно, возник вопрос: какова же причина наблюдаемого движения? Брадлей нашел совершенно неожиданное и изящное решение задачи.

Пусть скорость света конечна, говорит Брадлей. Свет — это поток летящих от звезды на Землю мельчайших частиц — корпускул (Брадлей твердо стоял за корпускулярную теорию света).

Тогда, поскольку Земля двигается по своей орбите со значительной скоростью, наблюдаемая картина звездного неба должна отличаться от реальной.

Пояснить идею Брадлея очень просто.

Предположим, что в какой-то обсерватории проводятся наблюдения и телескоп направлен точно в зенит вертикально к поверхности Земли. Чтобы сделать наш пример «более реальным», вооружим обсерваторию телескопом-рефлектором, в котором верхнее отверстие трубы телескопа ничем не закрыто. В какой-то момент может случиться так, что начнется совершенно отвесный дождь. Если телескоп не убрать, естественно, все зеркало, расположенное внизу трубы, будет равномерно залито дождем. Капли дождя, двигаясь вдоль оптической оси трубы сверху вниз, попадут строго в центр зеркала.

Уже вторая довольно точная аналогия!

Перенесем теперь мысленно обсерваторию, телескоп и рассеянного астронома на быстро плывущий корабль и снова прикажем начаться совершенно отвесному дождю.

Картина изменится. Пока капля проходит путь от верхнего отверстия трубы до зеркала, телескоп «проезжает» некоторое расстояние, и частица падает не параллельно оси телескопа. Ее «сносит» в направлении, противоположном движению. В результате левый край зеркала будет заливаться больше, чем правый (см. рисунок).

Чтобы частицы дождя двигались по-прежнему параллельно оси телескопа, его необходимо наклонить на некоторый угол вправо. Если бы наблюдателю пришла в голову идея — определять направление падения дождевых капель по оси телескопа в тот момент, когда капли падают параллельно стенкам трубы, то он ошибся бы.

Вернемся теперь к звездам. Мы смотрим на звезду в зените небосклона через диафрагму телескопа. Пусть Земля при этом покоится. Тогда «дождь световых корпускул», падающий от звезды, пройдет точно параллельно оси телескопа и попадет в приемное устройство.

А если Земля движется? Тогда за время падения световых корпускул вдоль трубы телескопа переместится и сама труба; лучи же пойдут не параллельно оси, а под каким-то углом к ней. И попадут они не в приемное устройство, а сместятся в сторону.

Чтобы световые корпускулы двигались параллельно оси телескопа, надо просто наклонить трубу вперед. Тогда в результате совместного движения частиц и трубы лучи света пройдут параллельно оси прибора.

Угол наклона определяется просто. Если скорость световых корпускул — c, а скорость телескопа (скорость Земли) — v, то

tgφ = v/c.

Направление на звезду астроном определяет по направлению оси телескопа в момент, когда изображение звезды находится в центре поля видимости (на оптической оси). В корпускулярной же теории Ньютона сравнительно просто показывается, что изображение предмета окажется на оптической оси прибора только в том случае, когда световые корпускулы от этого предмета летят параллельно оптической оси. А мы сейчас только убедились, что ввиду движения Земли корпускулы двигаются параллельно оси телескопа, когда он направлен не на звезду, а несколько отклонен. Вот что такое аберрация света^[41]. Из-за аберрации света мы, следовательно, видим звезду не в том направлении, где она находится.

Может быть, стоит заметить, что все мы не раз наблюдали аберрацию отвесно падающего дождя. Если судить только по дождевым следам на стекле двигающегося вагона, создастся впечатление, что дождь падает косо к поверхности Земли.

Очень существенное замечание.

Стоит особо отметить, что если бы Земля двигалась равномерно и прямолинейно по отношению к неподвижным звездам, мы, конечно, никак не могли бы экспериментально установить наличие аберрации света. Всегда во всех опытах телескопы были бы наклонены на один и тот же угол по отношению к истинному направлению на звезду; никакого аберрационного движения звезды по небосклону не наблюдалось бы, и об аберрационном смещении можно было бы заключить только на основе теоретических рассуждений. Аберрационное смещение звезд, как видно из рисунка, наблюдается потому, что в разных точках орбиты скорость Земли имеет различное направление.

…Теория Брадлея великолепно объяснила наблюдаемые смещения звезд. В частности, стало совершенно понятно, почему максимальные угловые смещения всех звезд равны между собой — ведь они всецело определяются отношением орбитальной скорости Земли к скорости света.

Кстати, по величине углового смещения можно было определить скорость света. Брадлей и нашел, что c = 303 тысячам километров в секунду, то есть определил скорость света с точностью до одного процента.

Аберрационное смещение звезд послужило также прекрасным доказательством системы Коперника.

Словом, Брадлей открыл значительно более интересное явление, чем то, которое он искал.

А параллактическое смещение было обнаружено только в середине XIX столетия, так как эффект был слишком тонок для инструментов XVIII века.

Итак, наука торжествовала…

Все это очень мило, но ведь корпускулярная теория оказалась неправильной! Следовательно, объяснение аберрации, которое дал Брадлей, удовлетворить нас не может! Необходимо объяснить аберрацию с позиции волновой теории, ибо без такого объяснения вся теория повисает в воздухе.

Толкование аберрации с волновой точки зрения нашел Роберт Юнг (1804). И тогда обнаружили, что проблема аберрации значительно ядовитее, чем думали вначале.

Неувлекаемый эфир! Внимание!

Юнг предположил, что эфир не увлекается Землей при ее движении; что Земля несется сквозь эфирное море и ее скорость относительно частиц эфира равна орбитальной скорости^[42]. Только в этом случае — в случае полностью неувлекаемого эфира — аберрационный эффект, рассчитанный по волновой теории, полностью совпадает по величине со значением, предсказанным корпускулярной теорией света и полученным экспериментально.

Сейчас мы коротко передадим сущность рассуждений Юнга, но пока важно отметить другое.

При попытке построить волновую теорию аберрации физики впервые столкнулись с центральной проблемой теории эфира — проблемой, которая в конечном счете погубила эфир.

Как взаимодействует эфир с движущейся Землей? Как движение Земли относительно эфира сказывается на оптических и электромагнитных явлениях? Можно ли обнаружить экспериментально движение относительно эфира? В итоге все это сводится к одному.

Существует ли абсолютная система отсчета — покоящийся эфир?

Итак, аберрация в волновой теории света получила важнейшее, принципиальное значение. Точное решение задачи аберрации в волновой теории довольно кропотливо, и мы ограничимся грубыми качественными замечаниями.

Впрочем, эти соображения отражают совершенно правильно суть вопроса.

Световые волны, излучаемые звездой, концентрически разбегаются от нее в неподвижном эфире^[43].

Аберрация и неувлекаемый эфир. Очень важное место.

Предположим, что Земля в своем движении не увлекает эфир. Тогда волны, прошедшие через диафрагму телескопа, будут как бы «снесены» относительно оси прибора влево.

А если бы Земля увлекала эфир в своем движении, никакой аберрации не было бы!

Существование аберрации показывало бы, что эфир не увлекается Землей. Значит, при движении Земли относительно неподвижных звезд вблизи нее должен возникать «эфирный ветер».

И естественно задать вопрос: можно ли обнаружить «эфирный ветер» при помощи других оптических явлений? Несложные теоретические соображения сразу привели к заключению: «Да, можно».

Например, коэффициент преломления света в случае, если Земля не увлекает эфир, должен быть разным в зависимости от того, движется Земля навстречу источнику света (звезде) или от него.

Проделали опыт — ничего не обнаружили. А точность приборов позволяла увидеть предсказанный теорией эффект.

Опыт Араго — 1818 год!

Такой результат очень смущал. С одной стороны, аберрация как будто подтверждала теорию неувлекаемого эфира. А с другой стороны, опыты с коэффициентом преломления противоречили этой теории.

Далее. С самой аберрацией также не все было хорошо. Угол наклона телескопа определяется отношением пути, который он «проезжает» за время, пока свет проходит от вершины телескопической трубы до основания, к ее длине. Или, что то же, угол наклона определяется отношением v/c.

Точнее φ = v/c^[44]. Причем (и это очень существенно) здесь с по своему смыслу не что иное, как скорость распространения света именно внутри трубы телескопа.

И вот кто-то (автор не узнал, кто именно^[45]) проделал исключительно эффектный опыт — трубу телескопа залил водой.

Скорость распространения света в воде отлична от скорости в воздухе и составляет примерно ³/₄ ее. Следовательно, угол аберрации звезд для таких «водяных» телескопов должен измениться, увеличившись в ⁴/₃ раза.

Проделали опыт, измерили угол и получили, что в «водяном» телескопе он остается прежним.

Это уже ни на что не было похоже!

Однако все неприятности на время притушил Френель, предложив очень произвольную и очень остроумную гипотезу о характере увлечения эфира сплошными средами. Он сказал: допустим, что плотность эфира в сплошных средах больше, чем в пустоте. Тогда эфир в пустоте — «внешний эфир» — движущимся телом не увлекается. А эфир, который находится внутри тела, частично увлекается. Френель мотивировал это тем, что количество эфира, втекающего в движущееся тело, должно равняться количеству вытекающего. А поскольку плотность эфира внутри тела больше, чем снаружи, то количество эфира внутри останется постоянно только тогда, когда скорость движения «внутреннего эфира» относительно тела меньше, чем «внешнего эфира».

Такая теория объясняла и опыты с коэффициентами преломления и опыты с «водяными» телескопами.

Расчеты, проведенные на основе теории Френеля, показывали, что в принципе эффект-то есть. Коэффициент преломления действительно должен меняться в зависимости от движения тела относительно эфира. И соответственно, аберрация у «водяного» телескопа также должна быть отлична от аберрации в «нормальном» телескопе. Эффект есть. Но в результате частичного увлечения он очень мал. Значительно меньше, чем ожидалось. И относительные изменения коэффициента преломления получаются порядка, v²/c², а не v/c, то есть «второго порядка малости». (Для Земли v²/c² ≈ 10^–8). Но такие поправки настолько малы, что проверить их экспериментально не представляется возможным. Ведь из доступных нам движений относительно эфира наиболее быстрым является только движение Земли (30 км/сек!).

Здесь впервые упоминается о квадратичном по отношению к ^V/_C эффекте. Его поискам физики посвятили почти все XIX столетие.

Точно так же аберрация в «водяных» телескопах должна отличаться от аберрации в обычных телескопах на величину порядка v²/c². Достаточно же хороших приборов для обнаружения таких ничтожных изменений не существовало. Поэтому после апелляции Френеля вынесение смертного приговора эфиру было пока отложено.

Мы уж очень долго следим за историей эфира. Самое поучительное, пожалуй, то, как упорно физики держались за эту идею. Теории эфира следовали одна за другой: эфир вихревой, эфир с неравномерной плотностью, эфир, построенный аналогично смолам, эфир, напоминающий систему зубчатых колес. Потом эфиры увлекаемые, неувлекаемые и увлекаемые частично!

Было бы очень опрометчиво насмехаться над всеми этими эфирами.

Теории эфира строились крупнейшими учеными. Эти теории были изящны, тонки, интересны: в них вкладывалось много таланта и выдумки. Все это делалось, чтобы спасти волновую теорию, потому что представить волны вне среды, состоящей из каких-то частиц, физики не могли.

Но чем дальше, тем яснее становилось, что эфир какой-то выродок среди физических субстанций.

Во-первых, никто не мог создать такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы весь комплекс известных фактов.

А во-вторых, гипотетический эфир приходилось наделять столь удивительными качествами, делать до того странные допущения, что примириться с таким эфиром ученые не могли.

Очень хорошо оценил положение с эфиром Кельвин. «Подобные теории могут не нравиться или нравиться, но удовлетворить они не могут».

И помимо всех неприятностей, а их у эфира было достаточно, висел нерешенный вопрос: влияет ли движение относительно эфира на оптические явления хотя бы и во «втором порядке малости»?

Если бы оказалось, что не влияет, пришлось бы отбросить френелевскую теорию частичного увлечения эфира — последнюю хрупкую опору, на которой он держался.

Что же мы можем сказать об эфире?

Эти выводы, естественно, относятся к положению дела в XIX столетии.

1. Волновая природа света заставляет предположить существование эфира — некой загадочной материальной среды. Эта среда удивительна и непонятна по своим свойствам, но без нее трудно представить себе распространение световых волн.

2. Факт аберрации света говорит, что эфир не увлекается Землей при ее движении. В увлекаемом эфире аберрация должна отсутствовать.

3. Отсюда сразу следует, что движение Земли относительно неподвижных звезд должно сказываться во многих оптических явлениях (в частности, изменение коэффициента преломления).

Теория аберрации показывает также, что угол аберрации в «водяном» телескопе отличен от угла аберрации в обычном телескопе.

4. Опыты опровергают пункт 3. Не удается заметить и влияние движения Земли относительно эфира на световые процессы. Все это очень смущает, но…

5. Положение спасает Френель, создав теорию частичного увлечения эфира. По Френелю, утверждение пункта 2 в принципе справедливо, но эффект должен быть ничтожно мал. Движение относительно эфира должно сказываться только «во втором порядке отношения».

6. Пока еще нет опытов, точность которых позволяет обнаружить эффект «во втором порядке», и потому вопрос остается открытым.

Итак, вопрос о существовании выделенной системы отсчета — покоящегося эфира — висел в воздухе. Может быть, стоит еще раз напомнить, что весь бой разгорелся вокруг принципа относительности.

Если движение какой-то системы (допустим, Земли) относительно эфира влияет на оптические явления — принцип Галилея в оптике несправедлив.

Если не влияет — напротив, справедлив.

По Френелю, движение не влияет «в первом порядке отношения ^v/_c». Это утверждение называли иногда практическим принципом относительности.

Но вот в шестидесятых годах весь вопрос об эфире был поставлен совершенно по-новому, и это еще больше запутало дело.

Уже упоминалось, что Фарадей первым установил связь оптических и электромагнитных явлений. Значение его работ, однако, значительно шире. Он создал твердую экспериментальную основу для дальнейшего изучения электромагнетизма, и после него исследования в этой области стремительно развиваются. Можно сказать, что Фарадей в истории электричества — то же, что Галилей в механике.

После Галилея, естественно, должен был появиться Ньютон. И вот в 1865 году Джемс Кларк Максвелл создает законченную теорию электромагнитных явлений.

Сходство Максвелла с Ньютоном не только в том, что его работу можно поставить в один ряд с «Началами». Не только в том, что, так же как Ньютон, он создал стройную теорию совершенно нового класса явлений.

Открытие Максвелла явилось полным торжеством метода принципов, причем метод был использован в совершенно новой форме.

Если говорить совсем схематично, Максвелл сделал вот что. Он составил уравнения. Эти уравнения очень хорошо описывали все известные электромагнитные явления. Но это далеко не все.

Среди решений уравнений были такие, которые как будто не соответствовали ничему. Эти решения описывали электромагнитные волны, распространяющиеся в «пустом» пространстве. А во времена Максвелла подобные волны не были еще известны. Из уравнений следовало, что, во-первых, волны поперечны и, во-вторых, они распространяются с определенной конечной скоростью.

Что означают слова «электромагнитные волны поперечны»? Что в них колеблется? Из этих же уравнений следовало, что в электромагнитной волне должны колебаться векторы электрического и магнитного полей, причем векторы эти перпендикулярны к направлению распространения волны.

А откуда взял Максвелл «скорость волн»?

В его уравнении входила некая постоянная величина, размерность которой совпадала с размерностью скорости. И Максвелл сделал смелое предположение. Он допустил, что полученные из уравнений периодические решения описывают реальные электромагнитные волны. При этом неизвестная постоянная величина получила физический смысл — как скорость волн.

Эту величину можно было измерить чисто электромагнитным путем. Измерили. Оказалось, что она равна 310 тысячам километров в секунду. Как видите, число, довольно близкое к скорости света. Эти измерения, естественно, были не очень точны. Более поздние опыты показали, что скорость электромагнитных волн равна 299 796 километрам в секунду.

Но Максвелл пошел еще дальше. Мало того, что он постулировал существование тогда еще никому не известных электромагнитных волн. На основании того факта, что их гипотетическая скорость очень близка к скорости света, он выдвинул гипотезу, что свет — это тоже электромагнитные волны.

Поразительная идея Максвелла.

Это очень дерзкая, предельно неожиданная мысль. Поглядев, что «постоянная» в его уравнениях совпадает со скоростью света, Максвелл решил: «Здесь что-то скрыто. Вероятно, свет и мои электромагнитные волны — это одно и то же».

К теории Максвелла далеко не сразу пришло признание. Но к концу столетия все были убеждены в ее справедливости.

Что же произошло с эфиром после появления теории электромагнитных волн?

Ничего хорошего. После Максвелла к эфиру предъявили еще большие требования. Теперь уже и все электромагнитные явления надо было объяснять при помощи того же эфира.

С другой стороны, и сами опыты с электромагнитными процессами давали новые возможности проверки теории эфира.

…Подробный разговор о дальнейшей судьбе эфира, естественно, невозможен. Поэтому, может статься, вы не будете очень убеждены в неотвратимости выводов Эйнштейна.

Может быть, это и хорошо.

Прошу поверить, что самое простое — изложить схемы нескольких решающих опытов и объявить: «Вот в результате того-то и того-то гипотеза эфира стала неприемлемой». Это можно сделать очень убедительно, так что читатели поверят, причем тем охотнее, что все это правда. После такого рассказа остается обычно чувство легкого недоумения. «Как же все это не видели ученые того времени?»

Автор, выполняя обещание, начинает рассуждать. Снова назидательные замечания.

Иногда закрадывается даже чувство известного превосходства над такими людьми, как Максвелл или Ньютон.

Автору кажется, что подобное понимание хуже самого черного невежества, и потому в нашей беседе он, автор, все время усиленно пытался охранить вас, читателей, от подобных иллюзий.

Если хорошо подумать, придется признать: почти все вопросы, затронутые в нашей беседе, разобраны неудовлетворительно. Это совершенно естественно, иначе и не могло быть, но об этом стоит все время помнить. В наибольшей степени последнее замечание относится к такой общей проблеме, как теория эфира. Мы можем только очень схематично коснуться основных затруднений, и следует честно признать: перед вами только очень плохой, неясный и грубый отпечаток той борьбы, которая бушевала в прошлом столетии. Причем не приходится сомневаться, что любой образованный физик середины XIX столетия спокойно разбил бы вас, если бы вы попытались доказать несостоятельность эфира только на основе нашего разговора.

…В прошлой главе мы остановились на хитроумной теории Френеля. Однако она касалась поведения эфира в сплошных средах. Френель объяснил, почему все опыты, в которых пытались уловить изменение оптических свойств сплошных сред относительно эфира, должны давать отклонения только «во втором порядке отношения ^v/_c».

Состояние гипотезы неувлекаемого эфира перед опытом Майкельсона.

Но, может быть, осуществимы опыты без привлечения сплошных сред, и тогда эффект движения относительно эфира можно выловить «в первом порядке отношения ^v/_c»?

Подобные опыты искали, но найти не могли. Природа как будто подшучивала над учеными.

Опыты, которые возможно было проделать, позволяли наблюдать движение относительно эфира, но только «во втором порядке отношения ^v/_c».

Было предложено несколько принципиальных схем возможных опытов «первого порядка»^[46], но все они оказались неосуществимыми из-за условий измерения.

С. И. Вавилов так характеризовал ситуацию: «Создается довольно курьезное положение. В неувлекаемом эфире должны существовать эффекты первого порядка… но измерить их нельзя».

Этот самый «курьез» и мучил физиков примерно полстолетия. А эфир пока жил потому, что против него не было решающих доводов.

Скорее даже наоборот. В интервале между созданием теории Френеля (частичное увлечение эфира в сплошных телах) и опытом Майкельсона (о котором мы сейчас расскажем) теория неувлекаемого эфира имела и крупные достижения.

Успехи теории эфира.

Во-первых, аберрацию света теория неувлекаемого эфира объясняла сразу.

Во-вторых, эфир устоял против обвинения, что «в первом порядке» эффект движения относительно него не удавалось обнаружить.

Отсутствие эффектов «первого порядка» в опытах со сплошными средами объяснил, как помните, Френель; причем теория Френеля получила блестящее подтверждение. В 1851 году Физо сделал опыт по проверке теории Френеля. Мы не будем разбирать схемы этого опыта и только заметим — об эксперименте Физо не кто-нибудь, а сам Майкельсон написал: «Произведенный им опыт — один из самых остроумных, когда-либо сделанных физиками».

Так вот, опыт Физо дал точное совпадение с предсказаниями Френеля. Впоследствии Майкельсон проверил результаты Физо и снова убедился, что они правильны.

И наконец, в-третьих. В 1842 году Ганс Христиан Допплер, используя гипотезу неувлекаемого эфира, теоретически установил, что при движении источника или приемника световых сигналов относительно эфира частота световых волн (или цвет света), воспринимаемая наблюдателем, отлична от «истинной», когда приемник и источник света покоятся относительно эфира. И вскоре, исследуя спектры звезд, получили качественные подтверждения этого предсказания.

Следует несколько наивный рассказ о явлении Допплера.

Вот схема эффекта Допплера в теории неувлекаемого эфира.

1. Приемник и источник неподвижны относительно эфира. Свет источника воспринимается в приемнике с частотой ω.

2. Источник покоится относительно эфира, а приемник движется со скоростью V. В приемнике отмечается, что свет имеет частоту ω′, отличную ω. (При сближении источника и приемника ω′ > ω; при удалении — ω′ < ω.)

3. Приемник покоится, источник движется с той же скоростью V. Свет воспринимается с частотой ω″, причем ω″ > ω, но не равна ω′, хотя относительная скорость источника и приемника не изменилась.

Вот последняя фраза очень важна. Если справедлива теория неувлекаемого эфира, то даже в том случае, когда относительная скорость источника и приемника одна и та же, воспринимаемая частота света различна в зависимости от того, движется ли относительно эфира приемник или же источник света.

Чтобы не очень отвлекаться, ограничимся замечанием, что, по Допплеру, теория эффекта изменения частоты воспринимаемых световых волн абсолютно аналогична соответствующему эффекту для звуковых волн. Это совершенно естественно, поскольку для звука существует неувлекаемый эфир — атмосфера.

И сейчас мы несколько отвлечемся, чтобы подробнее рассказать об эффекте Допплера. На это есть несколько причин. Но мы ограничимся ссылкой на две.

Во-первых, эффект Допплера играет исключительную роль в разнообразных областях физики. В частности, использование Допплер-эффекта — один из самых мощных экспериментальных методов современной астрофизики. А во-вторых, об эффекте Допплера почему-то у многих обычно смутное представление, хотя сущность явления очень просто понять.

Сейчас мы решим задачу примерно за 6–7-й классы средней школы. Задача совершенно точно отражает суть эффекта Допплера для звука, а также явилась бы совершенно точной аналогией Допплер-эффекта для световых волн, если бы была правильна теория неувлекаемого эфира.

Военно-морская аналогия.

Итак, есть некий порт A. От него со скоростью v удаляется некий корабль B. Естественно, скорость корабля определена относительно воды. По неким причинам связь между портом и кораблем поддерживается следующим не слишком удобным способом.

Через промежутки времени Δt начальник порта отправляет на корабль посыльные катера.

Капитан корабля делает то же самое. Он также отправляет катера в порт через интервалы Δt. Скорость катеров относительно воды обозначим c. Естественно, c > v. Иначе ни один катер из порта не попал бы на корабль.

Требуется узнать, какой интервал времени между двумя последующими приемами катеров из порта пройдет на корабле и каков интервал между приходами катеров в порту.

Найдем время, которое тратит катер, чтобы добраться из порта до корабля.

Если в момент отправления первого катера расстояние до корабля было a, то время пути катера определяется очевидным равенством:

S = c · t¹_пут = a + vt¹_пут, и отсюда:

t¹_пут = a/(c – v).

В момент, когда отправится следующий катер, корабль будет находиться уже на расстоянии a + Δt · v, и время пути этого катера, естественно, равно

t²_пут = (a + Δt · v)/(c - v)

Если первый катер был отправлен в момент t₀, а второй соответственно в момент t₀ + Δt, то времена их прибытия на корабль соответственно:

t¹_прибыт = t₀ + ^a/_c – v;

t²_прибыт = t₀ + Δt + ^{a + Δt · v}/_c – v;

А интервал времени между приемами катеров, очевидно, равен:

Δt_приема = t²_прибыт – t¹_прибыт = Δt(1 + ^v/_c – v).

Или если ввести β = ^v/_c:

Δt_приема = Δt(1 + ^β/_1 – β) = ^Δt/_(1 – β).

На эту формулу стоит взглянуть. Но этого мало, полезно ее сравнить со следующей.

Как видите, интервал между двумя приемами катеров больше, чем интервал между моментами их отправления. Это, конечно, совершенно понятно, потому что второй катер находился в худших условиях — ему нужно пройти бóльший путь, чем предыдущему.

Обратим теперь внимание, что в выражение для Δt_приема не входит величина a — начальное расстояние корабля от порта. Иными словами, для любой пары катеров, следующих друг за другом, растяжение интервала между их прибытием на корабль определяется только отношением

(^v/_c).

Если корабль не удаляется, а приближается, достаточно изменить знак скорости корабля. Характер решения не изменится. (Надеюсь, что в этом читатели могут убедиться самостоятельно.)

Итак, Δt_приема = ^Δt/_(1±β).

Знаки – и + соответствуют удалению и приближению корабля.

Если ввести новую характеристику — частоту отправления и приема катеров, а она, естественно, определится как ν = ¹/_Δt, то мы получим:

ν_приема = ν_{отправл}(1±β).

Рассмотренный пример совершенно точно показывает, как изменится частота звуковых волн, если источник покоится относительно атмосферы, а приемник движется.

Если бы была правильна теория неувлекаемого эфира, точно так же должно было обстоять и с электромагнитными волнами.

Полагаю, что читатели смогут сами определить частоту приема в порту катеров, посланных с корабля, и получить формулу:

ν_приема = ν_{отправл}/(1±β).

Здесь + соответствует приближению, а – удалению корабля.

Как видите, хотя качественно в обоих случаях частота меняется одинаково, количественно должны наблюдаться разные результаты в зависимости от того, источник или приемник движутся относительно эфира, даже если скорость их относительно эфира одинакова^[47].

Часто приходится читать, что, слушая рев сирены электропоезда, проезжающего мимо наблюдателя на полотне дороги, легко можно непосредственно наблюдать эффект Допплера.

Должен заметить, что, очевидно, это возможно лишь для людей с очень развитым слухом. Обычно же фиксируется не изменение частоты, а изменение громкости (интенсивности). Поэтому наблюдатели без особых музыкальных данных и несколько «испорченные» образованием отождествляют кривую изменения интенсивности звука с теоретически предсказанным изменением частоты и приходят к выводу, что кривая для изменения частоты в акустическом эффекте Допплера имеет примерно такой вид.

На самом же деле по оси ординат здесь откладывается интенсивность, а не частота.

Кривая же, характеризующая изменение частоты и обычно не воспринимаемая на слух, представлена на следующем рисунке.

ω — «истинная» частота сирены (то есть частота, наблюдаемая, если источник и наблюдатель находятся относительно атмосферы).

При скорости примерно 65 километров в час изменение высоты звука достигает приблизительно полутона (то есть вместо, скажем, ноты «до» мы должны услышать «до диез»). Однако поскольку сирена поезда редко дает «чистый» (монохроматичный) звук, вся наблюдаемая картина несколько хитрее. Могу повторить, что реально эффект Допплера без специальных лабораторных устройств наблюдать затруднительно, если вы не обладаете хорошим музыкальным слухом.

Сообщается о неких преимуществах музыкальных людей.

Вообще-то стóит добавить, что обычно наблюдаемая картина описывается несколько более сложными формулами, чем приведенные выше.

Мы рассмотрели те случаи, когда скорость направлена вдоль прямой, соединяющей источник и приемник. Когда это не так (а это почти всегда не так), вместо полной скорости v следует брать ее проекцию на прямую, соединяющую источник и приемник.

Мы ограничимся этим замечанием, отметив только, что, как показано на предыдущем рисунке, в момент, когда электричка проезжает мимо наблюдателя и проекция скорости на прямую, соединяющую наблюдателя и электричку, очевидно, равна нулю, воспринимаемая частота равна истинной.

Теперь можно обратить внимание на те любопытные следствия, что вытекают из эффекта Допплера для световых волн.

Когда приемник и источник света сближаются, воспринимаемая частота растет. Двигаясь со скоростью, достаточно близкой к скорости света, навстречу какой-либо звезде, мы увидим не ту спектральную часть ее излучения, что расположена в области видимых световых волн, а инфракрасную часть спектра или даже радиоволновую.

Теоретически вполне возможно увидеть яркое радужное сияние вокруг радиобашни, если только приближаться к ней со скоростью, сравнимой со световой.

Напротив, достаточно быстро удаляясь от источника, можно своими глазами наблюдать гамма-кванты. Какой-либо атомный котел явится в этом случае ярчайшим источником света.

Не помню, в каком именно научно-фантастическом романе некий хирург нашел способ изменять сетчатку глаза таким образом, что оказалось возможно непосредственно наблюдать электромагнитные колебания с большой длиной волны. Эффект Допплера открывает подобные возможности без оперативного вмешательства.

Все те выводы, что сейчас сделаны, остаются и в правильной теории эффекта Допплера, построенной на основе теории относительности. Можно сказать, что теория явления Допплера в схеме неувлекаемого эфира «почти правильна».

Однако есть и очень существенное отличие.

Во-первых, в теории неувлекаемого эфира, как мы видели, можно различить случаи: 1) приемник движется навстречу источнику со скоростью V относительно эфира; 2) приемник покоится, а источник двигается ему навстречу с той же скоростью V. В обоих случаях частота возрастет, но по-разному. Вспомнив формулы, приведенные выше, легко убедиться, что разность воспринимаемых частот по порядку величины равна β².

В теории относительности, как будет видно из дальнейшего, вообще бессмысленно говорить о существовании какой-либо абсолютной системы отсчета — мирового эфира. Бессмысленно поэтому и различить эти два случая. Изменение частоты целиком определяется относительной скоростью источника и наблюдателя. Частота по-прежнему возрастает при сближении и падает при удалении.

Но формула для изменения частоты несколько трансформируется. А именно:

Правильная формула для изменения частоты световых волн. Она еще раз появится в XIV главе.

Во-вторых, точная теория эффекта Допплера, построенная на базе теории Эйнштейна, приводит к заключению, что воспринимаемая частота должна измениться даже в том случае, когда проекция скорости на прямую, соединяющую источник и приемник, равна нулю (электричка находится прямо против наблюдателя). Этот замечательный вывод, так называемый поперечный эффект Допплера, очень тесно связан с изменением хода времени в разных системах отсчета. Экспериментальное подтверждение этого предсказания теории сам Эйнштейн считал важнейшим доводом в ее пользу.

К сожалению, автор не знает, как в доступной форме изложить существо эффекта Допплера с точки зрения теории относительности. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся только краткими замечаниями по поводу явления Допплера. Важнейшие же черты явления, пожалуй, отмечены в предыдущем кратком анализе.

Итак, возвращаясь к эфиру, можно сказать, что качественно теория эффекта Допплера, основанная на представлении о неувлекаемом эфире, совпадала с опытом. А точный анализ его был непосилен физикам XIX столетия, так как правильная формула для частоты отличается от той, что основана на представлении о неувлекаемом эфире на величину порядка (^v/_c)².

Итак, несмотря на все трудности с эфиром, многие факты свидетельствовали за его бытие.

Аберрация света, экспериментальное подтверждение частичного увлечения по Френелю, эффект Допплера, наконец, почти вся волновая теория — все это, казалось бы, очень веские аргументы в пользу неувлекаемого эфира.

Обычно говорят: решающим доказательством справедливости теории служит правильное предсказание результатов новых экспериментов. Пример с теорией Френеля может убедить, что в таких вопросах нужно быть необычайно осторожным. Даже если теория подтверждается экспериментальными данными, все же, пока этот экспериментальный материал не станет весьма обширным, не может быть полной уверенности в ее истинности.

Ведь предсказал же Френель результат опытов Физо!

Зато, безусловно, опровергнуть теорию вполне возможно одним опытом.

И в 1881 году Майкельсон провел, наконец, первый опыт, позволяющий уловить эффект движения Земли относительно эфира «во втором порядке отношения ^v/_c». Результат был отрицателен.

Движение Земли относительно эфира не влияло на оптические явления и «во втором порядке отношения ^v/_c»!

И вот опыт Майкельсона, погубивший эфир.

В этом месте традиции предписывают автору и читателям замереть в благоговейном молчании.

«Сыроватый подвал Потсдамской астрофизической лаборатории. Уже давно погасли все огни. Город бюргеров спал мертвым сном, когда Альберт Абрагам Майкельсон закончил, наконец, отладку прибора. Помедлив мгновение, он слегка дрожащими пальцами включил источник света и приник к окошечку интерферометра.

Вряд ли прошло больше нескольких секунд, но он мог поклясться, что протекла вечность, пока его глаза напряженно искали ожидаемое смещение интерференционных полос. Еще одна вечность протекла, прежде чем он осознал, что эффекта нет.

Нечто вроде назидательного лирического отступления.

Вместо бурной радости он чувствовал смертельную усталость. Радость придет позже; он знал это так же твердо, как то, что сейчас он закончил опыт, равного которому не было в истории физики».

Автор должен признаться, что когда-то он примерно так представлял себе научную работу и процесс крупного научного открытия.

На наше воображение легче всего действуют эффектные драматические сцены, и мы обычно отмечаем в своей памяти только подобные ситуации. Яблоко Исаака Ньютона, дуэли Яноша Бояи, отречение Галилео Галилея, гибель юного Эвариста Галуа, «эврика» Архимеда — все эти (и — увы! — часто только эти) разнообразные картины возникают в нашем сознании, когда речь заходит об ученых и их творчестве. В общем истинная романтика науки, романтика повседневного труда, несмотря на частые призывы помнить о ее существовании, как-то мало завоевала право на жизнь. Впрочем, это относится не только к науке. Штурм Джомолунгмы привлекает наше внимание куда больше, чем восхождение на какой-нибудь безвестный пик, даже если там были проявлены мужество и стойкость не меньшие, чем при покорении высочайшей вершины нашей планеты. То, что люди могут серьезно интересоваться такой ерундой, как выяснение проблемы — «кто первый вступил на вершину: Тенсинг или Хиллари?», очень четко рисует характер интересов многих «поклонников» альпинизма. Точно так же иные «болельщики от науки» увлекаются не работой, а «шумовыми эффектами».

Многие из «интересующихся физикой» знают имя Майкельсона не как одного из самых трудолюбивых и тонких экспериментаторов в истории науки, а как автора опыта, приведшего к созданию теории относительности.

Результат и только результат окружает имя Майкельсона ореолом святости в сознании очень большого числа «культурных» людей.

А вот что писал о своем опыте сам Майкельсон уже много лет спустя после окончания работы:

«Предполагали, что в случае, если этот опыт приведет к положительному результату, он даст возможность определить не только движение Земли по ее пути (вокруг Солнца. — В. С.), но и ее абсолютное движение в эфире. По различным веским причинам полагают, что Солнце, а за ним и все планеты движутся в определенном направлении через пространство со скоростью примерно 30 километров в секунду. Эта скорость не вполне точно определена, и я надеялся, что при помощи этого опыта мы будем иметь возможность измерить скорость движения всей солнечной системы в пространстве. Но так как результат опыта оказался отрицательным, задача еще ждет своего решения. Этот опыт имеет для меня исторический интерес, ибо именно для решения указанной задачи был изобретен интерферометр.

Вероятно, всякий согласится, что произведенная нами работа в достаточной степени вознаградила нас за отрицательный результат опыта тем, что привела к изобретению интерферометра».

Любопытный отзыв Майкельсона о своих опытах.

Этот отрывок продиктован не только скромностью большого человека. Майкельсон был действительно очень разочарован отрицательным результатом своего эксперимента. Он рассчитывал одновременно установить движение солнечной системы в системе отсчета неподвижных звезд и подтвердить теорию неувлекаемого эфира.

Ни того, ни другого добиться не удалось. Опыт показал только, что теория неувлекаемого эфира не оправдывается. До создания теории относительности было еще очень далеко, и Майкельсон мог только констатировать, что результат опыта совершенно непонятен. Поэтому его разочарование было и искренне и естественно. Впрочем, он утешался тем, что изобрел действительно замечательный прибор — интерферометр.

Вообще стоило бы детально разобрать не только идею, но и теорию опыта Майкельсона. Но следует помнить, что точная теория этого эксперимента сравнительно мало напоминает общепринятую в изложениях схему. Достаточно заметить, что в первом сообщении сам Майкельсон приводит ошибочный расчет.

Если на основе теории неувлекаемого эфира правильно вычислить предполагаемый эффект, результат окажется вдвое меньше рассчитанного Майкельсоном.

Как указывает Майкельсон, идея опыта принадлежит Максвеллу, а схема (именно схема!) установки весьма проста.

По теории неувлекаемого эфира скорость света относительно эфира совершенно не зависит от движения источника относительно эфира. (Точно так же, как скорость звука в атмосфере не зависит от движения источника звука относительно атмосферы^[48].) И если теория неувлекаемого эфира правильна, то должен существовать следующий любопытный эффект.

Рассмотрим источник света и зеркало, жестко закрепленные друг относительно друга. Они, естественно, как и всё в мире, погружены в море неувлекаемого эфира. Если эта система движется относительно эфира со скоростью V, то можно легко убедиться, что свет затратит на путь туда и обратно время, отличное от времени, которое требуется ему на тот же путь в случае, когда эта система покоится относительно эфира.

Собственно, на этом и основан эксперимент Майкельсона. В теории неувлекаемого эфира «строгое» описание опыта выглядит так^[49].

Описание опыта Майкельсона, «переведенное» на язык школьных задач о пловцах.

По спокойной воде буксируется квадратный плот. (Квадратным он взят только для простоты дальнейших расчетов.)

Скорость плота относительно воды — V.

Из точки А одновременно бросаются в воду два спортсмена: пловец № 1 и пловец № 2. Оба имеют одинаковую скорость — с.

Пловец № 1 плывет к точке Д; пловец № 2 — к точке В. Достигнув этих точек, они поворачивают назад и плывут в точку А. Конечно, c > v, в противном случае плот просто уплывет от обоих спортсменов.

Требуется подсчитать время, которое затратил на свой путь каждый из пловцов. Задача, как видите, доступна семикласснику. Позвольте поэтому привести ее решение без пояснений.

Чуть-чуть совсем простой математики.

Для пловца № 1:

1) t_АДА = t_АД + t_ДА;

2) c · t_АД = l + v · t_АД, t_АД = ^l/_c – v;

3) c · t_ДА = l – v · t_ДА, t_ДА = ^l/_c + v;

4) t_АДА = ^l/_c – v + ^l/_c + v = 2cl/c² – v² = ^2l/_c · 1/(1 – v²/c²).

Здесь ^2l/_c = t₀ — время, которое затратил бы пловец на путь туда-обратно, если бы плот не двигался.

Если ^v/_c << 1, то 1/(1 – v²/c²) ≈ (1 + v²/c²)^[50]. Тогда время, затраченное пловцом № 1 на путь, равно:

t_N1 = t₀(1 + v²/c²).

Для пловца № 2 решение чуть-чуть сложнее. Кратчайшим путем из А в В будет гипотенуза треугольника АВВ¹, где В¹ — то положение, которое занимает конец плота в момент, когда пловец № 2 доплывает до В.

Если пловец № 2 умный, он с самого начала рассчитает свой путь, сделает упреждение на снос плота и «поплывет по гипотенузе». То же самое можно сказать о его обратном пути из В в А.

Время пути находится просто:

1) t_АВА = t_АВ + t_ВА = 2t_АВ.

2) с² · t²_AB = l² + v² · t²_АВ, t²_АВ = l²/(c² – v²);

3) 

Снова, если ^v/_c << 1, то

И окончательно в этом случае:

t_N2 = t₀(1 + v²/2c²).

(Заметим, что это время меньше, чем время пловца № 1.)

Как видите:

t_N1 – t_N2 = t₀ · v²/2c².

Пловец № 1 оказывается в менее выгодном положении, чем пловец № 2. Он вернется назад позже. Если плот повернется на 90°, не изменяя направления движения, пловцы обменяются ролями: № 1 окажется в роли № 2, а № 2 — в роли № 1. Тогда, естественно, пловец № 2 отстанет от пловца № 1.

А теперь достаточно:

заменить воду неувлекаемым эфиром;

плот — прибором Майкельсона, несущимся сквозь эфирное море вместе с Землей;

пловцов — световыми лучами.

И мы получим схему опыта Майкельсона.

Выводы. Теория опыта уже рассказана.

Аналогия здесь совершенно точная. В нашем примере строго изложена элементарная теория опыта Майкельсона с точки зрения гипотезы неувлекаемого эфира. Но повторяю, реальная картина существенно усложняется из-за аберрации и преломления света в оптических приборах.

Итак, чтобы убедиться в движении Земли сквозь эфирное море, надо взять источник света и зеркало и измерить время, которое тратит световой луч на путь туда-обратно (см. рисунок на стр. 228). При вращении платформы прибора мы согласно сделанному расчету должны уловить, что время пути светового луча изменяется.

Наибольшее время на путь туда-обратно свет затратит, когда плечо AB параллельно движению Земли сквозь эфир; наименьшее — когда это плечо перпендикулярно (в этом случае «эфирный ветер» только несколько «сдувает» в сторону световой пучок). Если мы эту разницу поймаем, то убедимся в движении Земли сквозь эфир. Все очень просто.

Замечания о практическом осуществлении опыта.

Правда, если учесть, что предполагаемая разница времен составляла ¹/_{100 000 000} времени пути светового луча^[51], а свой путь в приборе (несколько метров) он пробегает примерно за стомиллионную долю секунды, может быть, станет яснее, насколько «прост» был опыт Майкельсона.

Максвелл считал практическое осуществление своей идеи абсолютно безнадежным делом, и это совершенно понятно. Ведь необходимая относительная точность измерения (10^–8) означает, например, что интервал в несколько тысяч лет надо замерить с точностью до одной секунды.

Или другое сравнение.

Разница времен, которую взялся уловить Майкельсон, по порядку меньше времени, необходимого электрону, чтобы сделать один оборот вокруг ядра.

Трудно даже представить все невероятные препятствия, стоявшие на пути Майкельсона.

Может быть, достаточно указать только одно «симпатичное» обстоятельство. База прибора имела длину примерно 1 метр. Для того чтобы замечать изменение времени движения луча света с точностью 10^–8, надо быть убежденным, что длина пути светового луча остается неизменной, по крайней мере с точностью 10^–9. Иначе время пути светового луча могло бы меняться просто из-за изменения длины базы. Точность же 10^–9 означает, что расстояние в 1 метр может изменяться не больше чем на 10 ангстрем! Напомним, что 10 ангстрем — это линейный размер 3–4 атомов, поставленных рядом.

Следовательно, малейший толчок, ничтожное изменение температуры — и база изменилась бы на значительно большую величину. На прибор Майкельсона в буквальном смысле слова нельзя было дышать! Чтобы избежать сотрясений, Майкельсон работал в подвале на тумбе, врытой в землю. Каменная плита, на которой была смонтирована установка, была положена на круглую деревянную пластину, плавающую в сосуде, наполненном ртутью.

Сотрясение удалось ликвидировать. Но как измерить время пути светового луча? Любые попытки непосредственного измерения обрекали, конечно, опыт на полную неудачу. И Майкельсон применил очень изящный прием. Он использовал эффект интерференции.

…Если пучок света раздвоить, а потом снова свести два полулуча в одну точку, на экране будет наблюдаться определенное чередование интерференционных полос.

На рисунке показан тот способ разделения луча, который использовал Майкельсон. Слабо посеребренная пластина частично отражает и частично пропускает свет.

Колебания в обоих световых лучах строго когерентны (синхронны), и, попадая на экран, световые волны интерферируют. Если разность путей строго постоянна, интерференционная картина, видимая в окошечко интерферометра, неизменна, поскольку она полностью определяется разностью времен хода световых пучков. Стоит чуть-чуть изменить разность путей, как характер наблюдаемых интерференционных полос изменится. Чему равно это самое «чуть-чуть»? Оказывается, можно добиться почти невероятной относительной точности — 10^–10!

Это и использовал Майкельсон. В приборе он разделил пучок света на два взаимно перпендикулярных луча, а затем свел их вместе. В окошечке интерферометра наблюдалась какая-то интерференционная картина, чередование интерференционных полос. Пока все внешние условия оставались неизменными, интерференционные полосы также не изменялись. Майкельсон добился, что они оставались неизменными по нескольку часов.

Более или менее точное описание опыта.

Если теория неувлекаемого эфира верна, то, как мы видели, свету совсем не безразлично, распространяется он параллельно движению Земли сквозь эфир или перпендикулярно. На один и тот же путь он затратит различное время. Поэтому при повороте прибора на 90° («пловец № 1» и «пловец № 2» меняются местами) должно наблюдаться изменение интерференционной картины. И тем не менее…

См. описание опыта с плотом.

Уже в первом своем опыте Майкельсон установил, что при повороте прибора на 90° никакого ожидаемого систематического смещения интерференционных полос не наблюдается. Результат прямо противоречил выводам теории.

…Когда речь шла о такой важной проблеме, как теория эфира, казалось бы неоднократно подтвержденная, отрицательный результат опыта в первую очередь вызывал сомнения в том, насколько чисто был сделан эксперимент.

Между прочим, С. И. Вавилов замечает, что точность измерений в первом опыте была слишком мала и Майкельсон скорее угадал, чем строго обосновал правильный вывод. Поэтому прежде всего Майкельсон решил проверить собственные наблюдения.

Через шесть лет (он совместно с Морлеем) повторяет свой опыт на более совершенной установке. На этот раз он как будто безусловно убеждается в отсутствии эффекта. Однако были высказаны новые сомнения.

Несколько слов о характере физиков.

К работам, имеющим такое значение, как опыт Майкельсона, физики вообще относятся крайне недоверчиво. И опыт Майкельсона со все возрастающей точностью повторяли еще много раз, вплоть до 1927 (!) года.

Конечный приговор всей совокупности экспериментов гласил: «Майкельсон прав! Никакого эффекта движения Земли сквозь эфир нет, никакого „эфирного ветра“ не существует!»

Заметьте — 1927 год! Прошло уже 40 лет со времени первого опыта Майкельсона и 22 года от дня создания теории относительности. Уже проделаны десятки различных экспериментов, подтверждающих эту теорию. Но результат Майкельсона все снова и снова настойчиво проверяют ученые.

Подобная скрупулезная придирчивость очень характерна для физики вообще. Нет такого общего положения в ее истории, которое не подвергалось бы самой жестокой экспериментальной проверке, и трудно сказать, когда, наконец, наступает тот благословенный для теории момент, когда можно считать, что она безусловно справедлива…

Из опыта следовало, что гипотеза неувлекаемого эфира в чем-то несправедлива, в чем-то ее надо менять. Этот вывод и сделал Майкельсон. Но он не знал, чтó именно несостоятельно в теории неувлекаемого эфира. Может быть, эфир увлекается только у поверхности Земли? А опыты проводились в подвальном помещении.

Снова сомнения.

Майкельсон допускал эту возможность.

«…Безнадежно пытаться решать вопрос о движении солнечной системы по наблюдениям оптических явлений на поверхности Земли. Но не исключено, что даже на умеренной высоте над уровнем моря, например на вершине какой-нибудь уединенной горы, относительное движение можно заметить при помощи аппарата вроде описанного в наших опытах».

Впоследствии опыт Майкельсона был повторен на вершине горы и даже на воздушном шаре. Результат по-прежнему был отрицателен.

Несколько раз возникали сомнения в правильности расчета и в обработке данных эксперимента. Снова и снова проверяли работу Майкельсона, пока не убедились окончательно в отсутствии «эфирного ветра».

Помимо опыта Майкельсона, были проделаны многие отличные по своей идее «опыты второго порядка». И все они давали отрицательный результат.

Уже была создана теория относительности, уже все стало понятным, уже эфир был выброшен «в ту мусорную кучу, где давно гнили флогистон, теплород, horror vacui»^[52], как четко сформулировал один из ученых начала XX столетия, а экспериментаторы снова и снова проверяли результат Майкельсона. И трудно сказать, в каком году и в какой именно день подобная инспекция перестала представлять научный интерес.

Всегда наступает какой-то момент, когда совершенно законное вначале критическое, недоверчивое отношение к новой теории переходит в закостенелый консерватизм. Но когда именно он наступает, сказать трудно. Во всяком случае, теория относительности «вышла чистой» после такого «перекрестного допроса с пристрастием», после стольких вызовов к судейскому столу эксперимента, что можно быть уверенным в ее абсолютной «порядочности».

Теперь остановимся и посмотрим, что, собственно, сделано.

Попытаемся подвести черту.

Мы очень поверхностно проследили развитие теории эфира и убедились, что после опыта Майкельсона — точнее, после второй работы Майкельсона и Морлея (1887 г.) — необходимо какое-то существеннейшее изменение этой теории.

Какое именно, мы не знаем. Причем, хотя мы и зашли в тупик с гипотезой эфира, мы успели убедиться, что многие факты эта гипотеза объясняет очень хорошо и наглядно. Если вы «привыкли» к эфиру, если вы почувствовали некоторую симпатию к этой гипотезе — возможно, станет яснее, почему уничтожение эфира означало революцию в физике.

С нашей точки зрения гипотеза эфира — некоей загадочной субстанции — представляет только исторический интерес. Но, представив, почему был дорог эфир для физиков, мы лучше поймем, что сделал Эйнштейн.

Теорию относительности можно разбирать, совершенно не касаясь эфира. Возможно, тогда даже легче усвоить постулаты Эйнштейна. Но было бы очень жаль утерять перспективу. В самом начале книги говорилось, что постулаты Эйнштейна очень просты. Разрешите теперь взять эти слова назад.

Снова несколько слов о самом Эйнштейне.

Теория Эйнштейна очень стройна, изящна по своей структуре.

Постулаты Эйнштейна, пожалуй, значительно естественней и сформулированы намного более четко и строго, чем вся классическая физика.

Все эффекты, все существующие эксперименты теория Эйнштейна объясняет совершенно непринужденно.

Наконец, теория относительности непосредственно использует только опытные факты и в этом смысле непосредственно вытекает из опыта.

Но при всем этом для меня лично остается абсолютной загадкой, как двадцатипятилетний юноша Альберт Эйнштейн пришел к своей теории.

Пожалуй, малоубедительно соображение, что после работы Майкельсона теория относительности оставалась единственным выходом.

Было очень много возможностей исправления теории эфира. Их использовали, добивались известных успехов.

Лоренц, например, пытался объяснить опыт Майкельсона, сохранив эфир, сохранив почти все основы классической физики.

Ритц построил теорию, в которой эфир, правда, отбрасывался, но зато сохранялась неизменной классическая механика.

С точки зрения своей эпохи Эйнштейн пошел самым невероятным путем.

И создание теории относительности, пожалуй, в первую очередь обусловлено теми непостижимыми качествами ее автора, которые можно называть, можно объяснять, но нельзя воспринять.

И мне кажется, что среди многих бессмысленных занятий почетное место занимают попытки проанализировать в деталях механику мышления гения. Что касается мнения самого Эйнштейна, то он обычно объяснял, что думал над этими вопросами примерно десять лет. Точные слова Эйнштейна приведены в следующей главе; причем хотелось бы обратить внимание на ту замечательную наивность, с которой Эйнштейн пишет: «Интуитивно мне казалось ясным с самого начала…»

Покончим с эфиром. Вот резюме Майкельсона, которое довольно верно отражает состояние проблемы непосредственно перед созданием теории относительности:

Здесь Майкельсон цитирует, вероятно, самого остроумного физика в истории науки лорда Кельвина (Томпсона).

«Ряд не зависящих друг от друга рассуждений приводит нас к заключению, что среда, в которой распространяются световые волны, не представляет обычной формы вещества.

Несмотря на то, что мы весьма мало знаем об этой среде, мы все-таки можем сказать, что про обыкновенную материю мы знаем еще меньше…

Явление аберрации звезд можно объяснить при помощи гипотезы, что эфир не принимает участия в движении Земли вокруг Солнца. Между тем все попытки проверить эту гипотезу дали отрицательные результаты, вследствие чего мы можем сказать, что весь вопрос пока еще находится в неудовлетворительном состоянии».

Наконец мы у цели. Все последующее посвящено непосредственно теории Эйнштейна. Мы не будем сколько-нибудь подробно останавливаться на других попытках объяснить результат Майкельсона, хотя они очень интересны и поучительны. Но несколько слов сказать о предшественниках надо, хотя бы затем, чтобы лишний раз убедиться, как много возможных путей открывается каждый раз, когда старая теория зашла в тупик и нужно создавать новую.

Первый — Лоренц, очень много работавший над теорией электромагнитного поля и создавший в восьмидесятых годах прошлого века наиболее стройную и прогрессивную схему «эфирной физики». После работы Майкельсона он сделал отчаянную попытку спасти свою теорию (1904 г.).

Лоренц предположил, что все тела, движущиеся относительно эфира, сокращаются в направлении перемещения в отношении

Здесь l₀ — длина тела, покоящегося относительно эфира; v — скорость тела относительно эфира^[53].

Он даже нашел очень правдоподобное (конечно, тоже гипотетическое) объяснение этого явления на основе своей теории строения материи. Теория Лоренца не только объясняла результаты опыта Майкельсона, но и по своей формальной, математической структуре очень походила на теорию Эйнштейна.

Еще ближе к теории относительности идеи крупнейшего французского математика Пуанкаре^[54].

Довольно часто недоумевают: почему Лоренц и особенно Пуанкаре, так близко подошедшие к теории относительности, не смогли сделать последний шаг? Традиции обязывают высказаться по этому поводу.

Теорию относительности открыл Эйнштейн, а не Пуанкаре или Лоренц единственно потому, что Эйнштейн несравненно глубже разобрался в существе дела.

Этот ответ полностью исчерпывает проблему.

Если же говорить серьезно, то, пожалуй, широко распространенное мнение, что Пуанкаре и Лоренцу оставалось совсем немного для формулировки теории относительности, ошибочно.

Всякая физическая теория в первую очередь определяется не математическим аппаратом, а физическим содержанием. Лоренц и особенно Пуанкаре действительно были очень близки к математической формулировке теории, но в физике они не разобрались. А этот последний шаг в данном случае и был самым трудным. И гадать, через сколько времени Пуанкаре пришел бы к идеям Эйнштейна, в высшей степени бессодержательное занятие.

Статья Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» была напечатана в 1905 году в семнадцатом томе «Annalen der Phýsic»^[55].

Говорить о значении этой работы излишне, а внешняя характеристика труда Эйнштейна прекрасно дана Инфельдом:

«Название статьи очень скромное, однако при чтении мы сразу замечаем, что эта работа отличается от других аналогичных работ. Она не содержит ссылок на литературу, не цитируются авторитеты, а отдельные сноски носят лишь пояснительный характер. Работа написана простым языком, и большая ее часть может быть понята без глубокого знания предмета. Можно только удивляться, что эта работа, отличающаяся так резко по своей форме от обычных научных работ, была пропущена референтом (если таковой вообще существовал). Это тем более удивительно, что для полного понимания этой статьи требуется такая глубина, которая ценнее и встречается реже, чем педантичное знание. Метод изложения и сам стиль работы сохранили свою свежесть еще и сегодня. Она до сих пор является лучшим пособием для изучения теории относительности. Автор этой работы не принадлежал к научным кругам, он не был даже преподавателем средней школы. В то время, 50 лет назад, будучи молодым доктором философии, 26 лет от роду, он служил в Швейцарском патентном ведомстве в Берне».

…Эйнштейн начал с выбора безусловных опытных фактов. Фактам «несть числа», и они, казалось бы, противоречат один другому. Отсеять все побочное и выбрать основное — задача сама по себе исключительно тяжелая.

Но вот безусловное. Опыт Майкельсона окончательно убедил, что оптические явления на Земле не зависят от ее движения относительно неподвижных звезд. А так как годичное движение Земли относительно звезд можно с высокой степенью точности считать равномерным и прямолинейным (и это очень важно), то, следовательно, Майкельсон показал, что равномерное и прямолинейное движение Земли относительно неподвижных звезд не сказывается на оптических явлениях на Земле^[56].

Но если так, то, значит, принцип относительности Галилея верен и для электромагнитных явлений, и возможно, он вообще общий закон природы! Это предположение Эйнштейн берет за первый постулат своей теории.

«Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга».

Как видите, словесно этот постулат отличается от принципа Галилея только тем, что вместо слова «механика» поставлено «природа». Соответственно и физическое содержание совпадает с существом принципа относительности Галилея, с той важнейшей поправкой, что теперь постулируется равноправие инерциальных систем по отношению ко всем физическим законам (а не только к законам механики).

Физическое содержание принципа относительности нам уже знакомо.

Именно: равномерное и прямолинейное движение системы отсчета относительно неподвижных звезд абсолютно ни на что не влияет. (Ни один опыт, произведенный внутри замкнутой комнаты, не обнаружит ее равномерного и прямолинейного движения относительно неподвижных звезд.)

Возможно, в такой форме принцип относительности покажется тривиальным. Ведь звезды так далеко, и интуитивно как будто ясно, что они ни на что влиять не могут.

Вспомните, однако, о вращательном движении. Стоит заставить «изолированную от внешнего мира» комнату «вращаться относительно звезд», как наблюдатель внутри комнаты сразу это заметит.

Так что принцип относительности отнюдь не самоочевиден. Напротив, он весьма удивителен. Но мир так устроен…

Итак, Эйнштейн распространяет принцип относительности на все законы природы (а в первую очередь на законы электромагнетизма), тем самым сразу объясняя отрицательный результат опыта Майкельсона. Он — совершенно очевидное следствие принципа относительности.

Равномерное прямолинейное движение относительно неподвижных звезд ни на что не влияет, и поэтому, пусть Земля движется, световые лучи в установке Майкельсона ведут себя точно так же, как если бы она покоилась. Чтобы не углубляться в детали, приведем совершенно точную аналогию.

Если в салоне равномерно плывущего корабля играть в бильярд, то все будет происходить так же, как и на твердой Земле. Бильярдным шарам безразлично, летят ли они по направлению движения, или против движения, или под углом 90° к курсу корабля.

Шар, пущенный от одной стенки к другой по направлению движения и отраженный затем назад, затратит на путь «туда» такое же время, как и на путь «обратно» (естественно, мы пренебрегаем изменением скорости из-за трения шара о сукно стола).

Шар, летящий перпендикулярно направлению движения корабля, также «не знает», что корабль движется; он ударится о борт стола точно против того места, откуда вылетел. Движение корабля не «сдует» шар в сторону.

В общем игроки в бильярд никак не почувствуют, что игра происходит на корабле, а не в здании.

Если вместо бильярда представить себе экспериментальную установку Майкельсона, вместо шаров — световые лучи, а вместо корабля — Землю, то весь опыт пройдет так, как если бы Земля покоилась относительно неподвижных звезд (неувлекаемого эфира).

Подобно бильярдным шарам, лучам света безразлично, под каким углом к направлению движения Земли они распространяются, и время их пути совершенно не зависит от этого угла.

Принцип относительности и эфир.

Очевидно, что, приняв принцип относительности Эйнштейна, надо распроститься с выделенной системой отсчета — неувлекаемым эфиром. Если помните, в V главе остался открытым вопрос о существовании «абсолютной системы». Мы допускали, что такую систему, может быть, можно обнаружить, исследуя, например, электромагнитные процессы. Распространяя принцип относительности на все законы природы, Эйнштейн тем самым уничтожает идею существования выделенной системы отсчета.

Но не противоречит ли принципу относительности аберрация? Ведь мы объясняли ее, считая, что имеется абсолютная система отсчета — неувлекаемый эфир. Однако кто сказал, что это объяснение единственно возможное?

Аберрация и первые сомнения.

Само по себе явление аберрации не противоречит принципу относительности.

Ему противоречит наше толкование аберрации. Ну что ж, тем хуже для объяснения.

А «сами по себе» данные эксперимента показывают только то, что возможно обнаружить.

Итак, основа — принцип относительности. В этом пункте Эйнштейн не отходит от «классики». Наоборот, он расширяет галилеевский классический принцип, расширяет границы его применения.

Беда в том, что один принцип относительности сам по себе мало проясняет положение. То, что приходится отбросить теорию неувлекаемого эфира, еще не так страшно. Мы вообще можем забыть об эфире и непредвзято исследовать опытные факты.

Но тут-то как раз и начинается непонятное.

«Ученый» пример.

Используем принцип относительности для анализа простого опыта.

Рассмотрим уже известные нам инерциальные системы отсчета K и K₁, относительная скорость которых равна v. Проделаем в системе K опыт по определению скорости света. Назовем его условно «опыт L».

Для этого возьмем источник света S, неподвижный в системе K, и каким-нибудь способом (например, способом Физо) измерим скорость света. Наша экспериментальная установка неподвижна в системе K. Пусть мы получили, что скорость света равна какому-то числу c.

Сдублируем нашу установку в системе K₁ которая движется относительно системы K так, как это показано на рисунке (возьмем источник S₁, неподвижный в системе K₁ и т. д.), и проделаем аналогичный «опыт L¹». Все условия «опыта L¹» относительно системы K₁ тождественно повторяют условия «опыта L» относительно системы K.

Согласно принципу относительности скорость света, измеренная в «опыте L¹», снова должна оказаться равной c, поскольку одна инерциальная система ничем не хуже другой.

Действительно, получив другое значение скорости света в системе K₁, мы убедились бы, что законы природы различны в различных инерциальных системах. Пока все хорошо.

Но мы имеем полное право рассматривать любой опыт из любой системы отсчета. Рассмотрим и опишем «опыт L¹», используя систему K.

Внимание! Начинается крупная и очень важная мистификация!

В системе K источник света S₁ и вся экспериментальная установка движутся направо со скоростью v. И мы сейчас убедимся, что в ней скорость светового луча, бегущего от этого источника направо, равна скорости света плюс скорость системы K₁ относительно системы K, то есть (c + v). И соответственно, налево свет бежит со скоростью, равной разности скорости света и скорости системы K₁, то есть (с – v).

Мы подошли к очень важному месту и, чтобы лучше понять дальнейшее, перейдем от общих, абстрактных рассуждений к конкретному примеру.

Пусть физик находится со своей установкой в вагоне равномерно идущего поезда. Измерения, которые он провел, показывают, что скорость света относительно источника не зависит от направления, а постоянна и равна определенному числу — c. Иначе говоря, он установил, что свет одновременно достиг передней и задней стенок вагона через Δt, и определил скорость

c = ^½l/_Δt.

Если вагон сделан из стекла, наблюдатель на полотне дороги также может изучать процесс распространения света. Однако для него все будет выглядеть несколько по-другому.

Пока свет бежит от источника к стенкам вагона, поезд проезжает некоторое расстояние. Передняя стенка «убегает», а задняя «бежит навстречу» световому лучу. До нее свет должен пройти меньшее расстояние. Но свет достигает стенок одновременно! Очевидно, это может быть только, если вперед свет распространяется с большей скоростью, чем назад.

Скорости эти можно найти совершенно просто. Как только что было сказано, скорость светового луча «вперед» равна c + v, а «назад» с – v (здесь v — скорость вагона).

Тот же самый вывод можно получить, рассуждая несколько иначе. Относительно источника света скорость света постоянна и в любой системе отсчета равна с (принцип относительности!).

Если луч света из фар паровоза «убегает» от поезда со скоростью c, а поезд «убегает» от наблюдателя на полотне со скоростью, v, то от наблюдателя на полотне свет «убегает» со скоростью c + v. Соответственно скорость луча света, посланного из фонарика на концевом вагоне, относительно полотна дороги равна с – v. В этом мы убеждаемся сразу, применив формулу сложения скоростей.

Весь предыдущий отрывок (как и все выводы) заведомо неправилен. Один принцип относительности отнюдь не приводит к тому, что скорость света зависит от движения источника. Но где ошибка в рассуждении? Что еще явно не использовано в выводе?

Говоря иначе, мы пришли к выводу, что скорость света зависит от движения источника. При выводе этого положения мы использовали только принцип относительности, и потому, если наше утверждение не оправдывается на опыте, принцип относительности для электромагнитных явлений несправедлив.

Итак, принимая принцип относительности, мы должны заключить, что если в какой-то системе отсчета источник света движется со скоростью v (см. рисунок), то прибор A, помещенный слева от источника, покажет, что свет, посылаемый источником, распространяется со скоростью с – v. Соответственно прибор B покажет, что свет распространяется со скоростью c + v. Одним словом, скорость источника света следует геометрически сложить со скоростью светового сигнала. И скорость света, которая относительно источника всегда равна одному и тому же значению c, естественно, изменяется в той системе отсчета, где источник движется.

Совершенно точную аналогию только что сказанному получим, рассматривая взрыв снаряда. Осколки снаряда разлетаются с одной и той же скоростью относительно центра тяжести снаряда.

Выберем две системы отсчета: одну — связанную с Землей, другую — с центром тяжести системы снарядных осколков.

Координатные оси определим так, чтобы в момент взрыва начала координат обеих систем находились в той точке, где взрывается снаряд. Тогда через время t осколки окажутся на поверхности сферы радиусом c · t, центр которой совпадает с центром тяжести снарядных осколков и, следовательно, с началом координат системы отсчета, связанной с центром тяжести.

Провозглашается баллистическая теория.

Центр этой сферы, однако, уже не будет совпадать с началом координат для наблюдателя с Земли, который скажет, что в момент t осколки находятся на поверхности сферы, центр которой удален от начала координат на расстоянии vt. Далее — в системе центра тяжести снаряда скорость осколков не зависит от направления полета и постоянна, а в системе отсчета «Земля» скорости зависят от направления и изменяются от с – v до c + v.

Ввиду этой аналогии теорию, согласно которой скорость света зависит от движения источника, и назвали «баллистической».

Естественно, эта теория легко объясняет отрицательный результат опыта Майкельсона^[57]. Однако чем глубже исследовали выводы баллистической теории, тем безрадостней становилась картина. Преломление, отражение, интерференция, дифракция света — все эти явления нельзя было удовлетворительно объяснить.

Но главное, в 1913 году было показано, что наблюдаемые движения двойных звезд прямо противоречат баллистической теории. В чем именно противоречие и при чем тут именно двойные звезды, нам не так важно. Примем на веру, что в 1913 году появились эксперименты, опровергающие баллистическую теорию.

Обратите внимание на дату — 1913! Уже восемь лет прошло после того, как вышел труд Эйнштейна. Когда Эйнштейн писал свою работу, не существовало ни экспериментов, непосредственно противоречащих баллистической теории, ни, впрочем, самой теории, которую предложил Ритц только в 1908 году^[58]. Нет сомнения, что в процессе работы Эйнштейн обязан был рассмотреть гипотезу, которую впоследствии высказал Ритц. Действительно, стоит принять принцип относительности, как баллистическая гипотеза напрашивается, «стучится в дверь». Несколькими строками выше мы пытались доказать, что она единственно возможное следствие принципа относительности. Просмотрите еще раз эти рассуждения и попробуйте найти ошибку! Все кажется так безукоризненно ясно и логично. Но если так, то мы попали в очень неприятное положение. Поглядите, что получилось.

Мы зашли в тупик. Анализ положения.

1. Опыт Майкельсона убеждает нас в принципе относительности.

2. Принимая принцип относительности, мы как будто доказали, что скорость света должна зависеть от скорости источника, и тем самым обосновали баллистическую теорию.

3. Мы утверждаем, что многие опыты опровергают баллистическую теорию.

Согласовать эти три положения между собой невозможно — следовательно, какое-то из них ошибочно. Принцип относительности, по-видимому, справедлив. Поэтому надо отбросить либо 2-й, либо 3-й пункт. Но какой?

Теперь-то мы знаем, что неправилен 2-й пункт в нашем списке. Но ведь как раз он кажется столь убедительным. Просмотрите еще раз те рассуждения, что привели нас к этому выводу. Они представляются идеально строгими.

А вспомним теперь, что у Эйнштейна не было твердой уверенности в положении № 3.

Решающие опыты, опровергающие баллистическую теорию, были сделаны только в 1913 году (Де-Ситтер!). В распоряжении Эйнштейна только косвенные доводы против баллистической гипотезы, те доводы, вес которых можно оценивать, лишь призывая интуицию.

Неутешительный и, к счастью, неправильный, вывод.

Но интуиция — это нечто неопределенное, а пока создается впечатление, что:

1) принцип относительности и

2) независимость скорости света от движения источника

согласовать нельзя!

Если принять первое, надо отбросить второе и стать на позиции баллистической теории.

Если принять второе, то необходимо пожертвовать принципом относительности и вернуться к эфиру.

И Эйнштейн выбрал, казалось бы, самую невероятную среди всех имевшихся возможность объяснить опыт Майкельсона. Именно эти два положения он взял как основные постулаты своей теории.

Трудно понять, как именно он понял то, что он понял. Пожалуй, решающую роль сыграло то непонятное и неуловимое, что обычно определяют как «интуиция».

Как рассказывает сам Эйнштейн, с 16 лет он задумался над вопросом: что увидит наблюдатель, который движется за лучом света со скоростью света?

«Если бы я стал двигаться за лучом света со скоростью с (скорость света в пустоте), то я должен был бы воспринимать такой луч света как покоящееся, переменное в пространстве электромагнитное поле. Но ничего подобного не существует; это видно как на основании опыта, так и из уравнений Максвелла. Интуитивно мне казалось ясным с самого начала, что с точки зрения такого наблюдателя все должно совершаться по тем же законам, как и для наблюдателя, неподвижного относительно Земли»^[59].

Кстати, забавно, хотя и не очень связано с тем, что нас сейчас волнует, что наблюдатель, начавший в какой-то момент двигаться от источника света со скоростью большей, чем скорость света, должен видеть события, происходящие в источнике света, в обратном порядке. Он как бы увидит кинопленку, пущенную от конца к началу.

Итак, Эйнштейн не понимал, как можно удовлетворительно построить теорию, допуская, что скорость света в разных системах отсчета различна и зависит от движения источника света в данной системе. После многих лет размышлений он, наконец, находит выход: следует изменить не только электродинамику, нет… всю физику. Как видите, все было очень просто.

Вот как он формулирует постулаты новой теории в первой работе.

Внимание! Вот они, постулаты Эйнштейна.

1. «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения относятся».

2. «Каждый луч света движется в „покоящейся“ системе координат (в любой данной инерциальной системе координат. — В. С.) с определенной скоростью с, независимо от того, испускается этот луч покоящимся или движущимся телом».

Итак, первое — принцип относительности, второе — независимость скорости света от движения источника.

А как быть с эфиром в новой теории?

«Введение светового эфира окажется при этом излишним, — пишет Эйнштейн, — поскольку в предполагаемой теории не вводится абсолютно покоящегося пространства, наделенного особыми свойствами…»

Как видите, загадку эфира Эйнштейн решает сразу. Эфира нет. Не существует никакой гипотетической среды с механическими свойствами. Просто само пространство обладает свойствами передавать электромагнитные колебания, и только. Вообще-то для истребления эфира достаточно одного принципа относительности, и в баллистической теории Ритца эфир также уничтожается.

Ну что же, эфиром скрепя сердце можно пожертвовать. В конце концов отрицательные результаты всех попыток выявить абсолютное движение Земли принцип относительности объясняет сразу, а с эфиром достаточно намучились и помимо опыта Майкельсона.

Второй постулат сам по себе выглядит также довольно естественно (между прочим, он был принят в теории неувлекаемого эфира).

Но как можно их согласовать? Ведь совсем недавно мы как будто показали, что из принципа относительности однозначно следует баллистическая теория.

Новая атака на постулаты Эйнштейна!

Если вспомнить, как доказывалась зависимость скорости света от движения источника, мы увидим: кроме принципа относительности, использовалась только формула сложения скоростей, хорошо известная из механики. Вот она.

Если скорость тела B относительно тела A равна v₁, а скорость C относительно B — v₂, то скорость C относительно A равна v₁ + v₂. Сомнение в справедливости этой формулы означает ни много ни мало, как сомнение в самих основах механики.

Вспомним пример со световыми вспышками в вагоне поезда и посмотрим, можно ли совместить принцип относительности с постулатом о постоянстве скорости света.

Попытаемся опровергнуть Эйнштейна. Чтобы показать несостоятельность теории относительности, используем, например, классический прием — reductio ad absurdum («приведение к нелепости», или «доказательство от противного»). Примем постулаты Эйнштейна и посмотрим, к каким выводам они приводят^[60].

Пусть точно в середине вагона экспресса произошла мгновенная вспышка света. Световая волна побежит во все стороны и через ничтожный промежуток времени достигнет как передней, так и задней стенок вагона. Допустим, этот момент прихода мы можем зафиксировать точными приборами.

Одновременно или неодновременно придет световой сигнал к задней и передней стенкам?

Наблюдатель, использующий систему отсчета, жестко связанную с вагоном (для естественности посадим его внутрь вагона), заявит: «Конечно, световой сигнал дошел до обеих стенок одновременно». Действительно, скорость света одинакова во всех направлениях (изотропность пространства), расстояние до стен одинаковое (источник в середине), вагон покоится. Естественно, сигнал дойдет одновременно до задней и передней стенок.

Наблюдатель же на полотне (система отсчета — полотно железной дороги) заявит, что сигнал дошел до стенок неодновременно. Действительно, источник света в его системе движется, но согласно второму постулату Эйнштейна это движение на распространение света никак не влияет. Световой сигнал снова распространяется по всем направлениям с одной и той же скоростью с относительно источника. Однако передняя стенка вагона «убегает» от светового сигнала, а задняя соответственно «набегает» на него. Следовательно, задней стенки сигнал достигнет несколько раньше, чем передней.

Итак, пáра событий в одной системе одновременна, а в другой — нет. Результат достаточно странный. Может быть, этот «нелепый» вывод доказывает, что постулаты Эйнштейна противоречивы?

Странное положение с одновременностью событий.

Число таких парадоксальных примеров можно увеличить. Однако, вероятно, и сказанного вполне достаточно, чтобы прийти в недоумение.

Подведем итог.

В самом начале работы Эйнштейн сталкивается с такими следствиями своих постулатов, что совершенно ясно: либо надо сразу признать полную несостоятельность теории, либо придется менять все основные представления о пространстве и времени, структуру всей физики с начала до конца.

Новая теория сразу приобретает несравненно более широкое значение, чем, правда, очень существенный, но в свете новых горизонтов очень частный вопрос — «об электродинамике движущихся сред». Речь идет уже не об уничтожении эфира (этот вопрос как-то сразу кажется мелким), а о критическом анализе и пересмотре всех основ физики.

Повторяю, для меня остается загадкой, как Эйнштейн рискнул разрабатывать свою теорию. Часто говорят, что он выбрал из массы опытного материала безусловно надежные факты, установил принципы и поэтому был совершенно уверен в своих постулатах. Это верно только отчасти. Действительно, эксперименты навязывают ему принцип относительности. Но вот принцип постоянства скорости света не имел непосредственных прямых подтверждений. И мы видели, что за одновременное признание принципа относительности и принципа постоянства скорости света приходится платить исключительно дорогой ценой.

Пожалуй, самый естественный выход из положения предложил Ритц (баллистическая теория). По Ритцу, эфир отбрасывается, а уравнения Максвелла изменяются. Все это, конечно, очень революционно, однако выглядит мирно и патриархально рядом с теорией относительности.

Понятие времени, длины, одновременности, преобразование Галилея, дальнодействие — все эти основы физики Эйнштейн начисто пересматривает. По существу, он показывает, что никаких основ не существует, что всех этих, «по-видимому, всем знакомых понятий» попросту нет в классической физике, что физики в этих вопросах интуитивно, бессознательно обобщали опыт, не задумываясь над тем, что именно они делают, на чем строят теории. И все это делается в конечном счете из-за опыта Майкельсона.

Мне кажется, в истории науки нет второго примера подобного же интеллектуального бесстрашия.

Может быть, только создание неэвклидовой геометрии стоит поставить в один ряд с работой Эйнштейна.

И последнее. Ясно, что к теории относительности предъявляются очень высокие требования. Ей, требующей совершенно новых, на первый взгляд парадоксальных представлений о пространстве и времени, не простят расплывчатых гипотез, приблизительных объяснений, логических погрешностей. Такая теория должна быть кристально ясной и логически безупречной. Абсолютно все известные экспериментальные факты должны получить совершенно четкое объяснение. И наконец, все физические законы, в справедливости которых физики убедились на опыте, все ставшие безусловными физические теории должны быть сохранены как приближенные, справедливые с высокой степенью точности, в определенном классе явлений. Новая теория может обобщить, но не может отбрасывать механику Ньютона.

Все эти требования Эйнштейн должен был выполнить уже на самом первом этапе работы. Он все это сделал. Но можно только еще раз повторить: трудно понять, как смог двадцатипятилетний Эйнштейн создать свою теорию.

А теперь забудем на время обо всем предыдущем.

Постулаты специальной теории относительности, вообще говоря, очень естественны.

К систематическому анализу ее мы и переходим.