Эренфест полагал, что теория эфира (светопроводящей среды) потерпела крах в связи с последними экспериментальными результатами.
Любопытнейшие явления происходят в физике в связи с тем, что выбор пути часто определяется не логикой развития науки, а логикой её исторического плутания.
Обсудим прежде некоторый гипотетический пример.
Предположим, что Некто продемонстрировал перед публикой, что он вполне вольготно может путешествовать по воде как по суше. Люди собственными глазами убедились в повторяемости этого опыта. После этого общим голосованием они приняли поправку к физическим законам, которая состоит в том, что некоторые из людей способны запросто ходить по воде. Пусть в дальнейшем некто указал, что в опыте имело место простое надувательство: в воде находился постамент из толстого стекла, а поскольку у воды и у стекла близкие показатели преломления, создавалась видимость, что человек шагает по воде, лишь слега погружая ступни. Разве не следует после этого вычеркнуть принятую поправку о том, что можно ходить по воде? По-видимому, так бы и поступили обычные люди. Но физики почему-то поступают иначе.
Представьте теперь, что в определенный момент развития физики научная общественность сочла возможным доказать существование эфира с помощью определенного опыта. Затем этот опыт - опыт Майкельсона - был поставлен, но доказательства не получилось. В результате эта общественность сочла, что невозможность экспериментального доказательства тождественна экспериментальному опровержению этой гипотезы. Слово "эфир" изгнали из физики, заменив его словом "пустота", которое позднее трансформировалось в слово "вакуум". В дальнейшем вакууму приписано свойство - способность передавать свет при условии, что свет всё-таки является волной (или, скажем, в том числе и волной). Казалось бы, следует вернуться к понятию "среда"? Как бы не так! Научный мир помнит о том, что существование среды "опровергнуто". Многие отдельные ученые многократно показывали, что опыт Майкельсона вовсе не опровергает существования среды. Мало того: этот опыт многократно воспроизведен в условиях интерферометра, заполненного средой. Такими интерферометрами, в частности, являются газовые лазеры. Известно, что, во-первых, скорость света в среде зависит от скорости этой среды (опыт Физо), во-вторых, интерферометры на поверхности Земли всегда движутся, и скорость их движения меняется в связи с суточным вращением Земли и в связи с годичным обращением Земли вокруг Солнца. В-третьих, частота излучения лазеров, а также частоты резонансов в интерферометрах, заполненных различными средами, постоянно измеряются во многих лабораториях мира с точностью, далеко превосходящей ту, которая требуется для обнаружения "ветра среды", но теперь уже не для гипотетического "эфира", а для конкретной среды, например, смеси гелия и неона.
Таким образом, следует признать, что гипотеза существования всеобщей среды, во-первых, ни коим образом не опровергается, во-вторых, необходима для объяснения способности света (и любых электромагнитных волн) распространяться во всяком пространстве, лишенном препятствий.
Следует ли в этом случае признать возможность и необходимость существования среды? Видимо, да. Делает ли такой ход современная физика? Очевидно, нет.
Труды Эренфеста, Эйнштейна, и других теоретиков начала двадцатого века печатаются без соответствующих разъяснений и комментариев, и именно так, как будто бы сказанное ими справедливо, и справедливость этого не подвергается сомнению до настоящего времени. Нас могут упрекнуть, что мы разбираем работы, написанные в начале века. Но опубликованы они (после многократного переиздания) в конце этого века! Самое главное, что в последующих работах эти вопросы не рассматриваются, они обсуждаются вскользь, как уже решенные. Эти вопросы теперь освещаются только в учебно-методических изданиях. Но в учебных пособиях, как правило, спорные моменты обходятся, применяются фразы типа "можно строго показать, что", или "Имярек детально обосновал", "Имярек доказал", "в дальнейшем была показана несостоятельность всех альтернативных теорий". Дискуссии с такими утверждениями, так или иначе, приводят нас к необходимости рассматривать работы этих Имяреков.
Теоретическая физика (в отличие от экспериментальной) существенно продвинулась лишь в мелочах, но в главных вопросах она остается физикой первой трети двадцатого века. Главными вопросами я называю вопросы о строении Вселенной, от микромира до макромира, корректные формулировки основных физических законов, взглядах на время, пространство, энергию, электричество, свет, гравитацию, строение атома, молекулы, взаимодействие света с веществом, излучение света веществом и тому подобные. Я не отношу к главным вопросам вопросы о том, сколько энергии выделяется в той или иной ядерной реакции, каковы резонансные частоты излучения или поглощения того или иного атома или молекулы и т.п. Эти вопросы, безусловно, важны, но главными они бы стали только в том случае, если бы представление о строении атома позволило теоретически предсказать эти результаты без предварительных экспериментов, а эксперименты могли бы служить доказательством или опровержением теории. В частности, опыт Майкельсона во его воздействию на развитие физики следует, видимо, признать важнейшим, относящимся к решающим экспериментам данной науки. Этот опыт обозначил поворотный момент развития науки, но если развитие зашло в тупик, имеет смысл поинтересоваться - туда ли свернула наука?
Многие опыты вошли в науку под флагом "подтверждения" той или иной теории, однако, следует очень четко отличать, что именно тот или иной опыт подтверждает, а что он опровергает. Нередки случаи, когда опыт вошел в историю науки как доказательство теории, но таковым в действительности не является. Эти опыты следует отнести в область курьезов, как, например, обозначение названием "морская свинка" животного, которое не является ни морским, ни свинкой.
Гипотетический опыт с шаром
Физикам начала двадцатого века не откажешь в остроумии. Вслед за Эйнштейном они восхищают своих слушателей мысленными экспериментами и гипотетическими опытами. Они создают виртуальную реальность в своем воображении, затем виртуальные наблюдатели наблюдают виртуальные картины, в результате делаются выводы с такой же уверенностью, как если бы был поставлен реальный эксперимент. Граф Потемкин строил картонные деревни, содержащие одни лишь фасады, для отвода глаз. Теперь Потёмкинскими деревнями называется всякая туфта: деревья, спиленные под корень и воткнутые в лунки, создающие вид аллеи, асфальт, положенный в спешке прямо на снег, свежевыкрашенное всё, что можно выкрасить перед приездом начальства, и дрессированные довольные люди и дети, к которым начальство заглядывает "невзначай". Но в науке это название не прижилось. Фонды фундаментальных исследований регулярно отпускают средства на проекты, направленные на получение фундаментальных знаний. За все отпущенные средства регулярно отправляются отчеты. Казус состоит в том, что даже если средств отпускается вдвое меньше, чем запрашивалось, требуется полное выполнение запланированных работ, и самое удивительное состоит в том, что, согласно отчетам, все эти работы выполняются полностью. Получение новых фундаментальных знаний зависит вовсе не от сочетания обстоятельств - развития техники, гения теоретиков, таланта экспериментаторов, что называется, "открытие назрело" - а от количества отпущенных грантов на фундаментальные исследования. Запланируйте, оплатите, хотя бы частично, и вы получите отчет о новых открытиях. Когда задают вопрос о том, были ли Американцы на Луне, или же только сделали вид, кто-то говорит: "Разве такое надувательство возможно?", а кто-то знает, что возможно и не такое.
Итак, в чем же опыт с шаром. "Представим себе полый шар, размер которого превышает не только размер Земли, но даже размер ее орбиты. Этот шар так велик, что световой луч пробегает его поперечник за два часа". То есть 2,16 млрд. км. "В самом центре этого полого шара помещается исследователь. Шар находится в покое. Исследователь производит следующий опыт: он заставляет на мгновение вспыхнуть яркий источник света и ждёт, что он увидит дальше. Сперва он на мгновение увидит источник света. Затем наступит темнота - на два часа, так как в течение часа свет добежит от центра до внутренних стенок полого шара, отразится от них и через час вернется к наблюдателю. И только в этот момент наблюдатель увидит, что вся внутренность шара на мгновение осветится, затем вновь наступит темнота". Нужно ли говорить, что "наблюдатель" прозрачен и имеет глаза не только на лице, но и на затылке, на макушке, на ногах и на ушах? Иными словами, наблюдатель - это один сферический глаз. Мы на эти мелочи не обращаем внимание. Он к тому же еще и очень высокоскоростной, и умеет отличать, что осветилось раньше, а что - позже. Обычный глаз мигание с частотой 1/25 с воспринимает как постоянное горение, а наблюдатель должен распознавать вспышку в одно "мгновение". Термин "мгновение", конечно, должен пониматься как нулевая длительность. Не будем придираться - согласимся, что длительность предельно мала, а наблюдатель обладает всеми этими волшебными свойствами.
"Представим себе, далее, еще второй точно такой же полый шар. И в его центре находится исследователь. Но этот второй шар не находится в покое, а пробегает мамо нас с огромной скоростью, например, со скоростью в одну десятую скорости света". То есть 30 тыс. км/с. Чудесно! "Исследователь движется вместе с шаром. Этот второй исследователь, совершенно так же. Как и первый. Зажигает в одно мгновение источник света и точно так же наблюдает дальнейшие явления. Спрашивается: увидит ли наблюдатель в движущемся шаре также всю шаровую поверхность одновременно, или он увидит нечто иное? На этот вопрос физики различных времен ответили бы различно".
Замечание 16. Прежде всего, следует признать, что на этот вопрос физики не могут ответить корректно, потому что опыты с движением со скоростью 30 тыс. км/с. никто не проводил. Скорость движения Земли вокруг Солнца в 1000 раз меньше. Скорость движения Солнечной системы в 150 раз меньше. Всякие дальнейшие рассуждения в этом направлении останутся безосновательными, как бы их авторы не силились представить их научными. Сопротивления воздуха совершенно не чувствуется при скорости 1см/с. Из этого вовсе не следует, что сопротивление воздуха не имеет значения при скорости 10м/с. Тот, кто имел бы возможность измерить только первую величину не мог бы корректно рассуждать относительно второй величины.
"Теория истечения Ньютона и теория Стокса об увлекаемом эфире говорят нам: наблюдатель в движущемся шаре видит совершенно то же самое, что и наблюдатель в покоящемся шаре. Наоборот, теория Френеля о неподвижном эфире утверждает, что второй наблюдатель видит совершенно определенную иную картину. Какому предсказанию следует верить? Насколько вообще достоверны эти три различные теории света?"
Замечание 17. По-видимому, нет достаточных оснований для веры хоть одному из этих предсказаний. Все они основаны на экспериментах различных теориях, которые, в свою очередь, разработаны на основании экспериментов, далёких от описываемой ситуации. Та теория, которая полнее учитывает известные факты (теория Френеля), имеет больше шансов быть истинной в целом, но из этого не следует, что эта теория имеет больше шансов дать верный прогноз в области, которой она не занималась.
"Какие решающие мотивы способствовали победе неподвижного эфира теории Френеля - Лоренца над увлекаемым эфиром теории Стокса - Герца?
1. Лоренц доказал: измеряемая астрономами аберрация света, испускаемого звездами, не согласуется с гипотезой Стокса о том, что Земля увлекает за собой свою эфирную оболочку. Если, наоборот, допустить, по Френелю, что Земля скользит сквозь неподвижный эфир, то величина наблюдаемой аберрации согласуется с теоретическим подсчетом ее".
Замечание 18. Первый аргумент современной наукой снят.
2. "Физо опытным путем установил, что скорость света в текущей среде больше, нежели в воде стоячей, и превышает ее на совершенно определенную часть скорости течения воды. Существенное преимущество теории Лоренца заключается в том, что она смогла дать отчетливое и количественное согласное с опытными данными объяснение этого явления. Теория же увлекаемого эфира совсем противоречит результатам Физо; по этой теории скорость света в текущей воде должна, очевидно, превышать скорость света в воде неподвижной на полную скорость течения воды".
Замечание 19. Несмотря на то, что теория Лоренца представляется нам более адекватной, следует ради корректности отметить, что данное возражение также необходимо отмести. Можно альтернативно предположить, что эфир увлекается жидкостью лишь частично - в этом случае объяснение опыта Физо может быть дано и качественно и количественно (с подгонкой коэффициентов, чем физика пользуется регулярно).
3. "В то время, когда победа теории Лоренца была уже обеспечена ее многосторонними успехами, русскому физику Эйхенвальду удалось поставить еще один опыт. Красноречиво подтверждающий эту теорию. Наэлектризованное тело при быстром движении влияет на магнитную стрелку как магнит. Эйхенвальд подобрал такие условия опыта, при которых по теории Лоренца получается для магнитной силы одно значение, а по теории Герца - другое. И в этом случае результаты опыта резко склонились в пользу неподвижного эфира и свидетельствовали против увлекаемого эфира".
Замечание 20. Ссылка наподобие "Имярек доказал". Сомневающимся приходится рыскать в литературе. Но ведь этот вопрос - ключевой для всего последующего изложения. Опять-таки подчеркнём: склоняясь скорее к теории неподвижного эфира, чем допуская увлечение эфира веществом, мы всё же должны признать недостаточную обоснованность отбрасывания альтернативной теории: гипотеза увлечения эфира большими массами, такими, как Земля, оставляет возможность для неподвижного эфира при движении малых масс, таких как любая экспериментальная установка. В этом случае рассмотренные замечания 2 и 3 не опровергают этой теории. Всё же, поскольку мы не являемся сторонниками теории увлекаемого эфира, далее дискуссии в этом направлении прекратим.
"Наш опыт с шаром представляет собой в преувеличенном виде фактически произведенный опыт - знаменитый опыт Майкельсона. Майкельсон употребляет прибор лишь в несколько метров величиной, и прибор этот движется со скоростью одной десятитысячной скорости света в эфире, а именно он движется с нашей Землей, которая как раз с этой скоростью вращается вокруг Солнца".
Замечание 21. Несопоставимость этих двух опытов обсуждена в замечании 16. Здесь Эренфест как будто бы не замечает, что теория Лоренца даёт точно такой же прогноз для опыта Майкельсона, который даёт и теория истечения Ньютона, и как теория увлечения эфира Стокса - Герца. Теория Френеля (без Лоренца) давала бы иной прогноз только при определенных правилах вывода результата. Эти правила, очевидно, ошибочны, поскольку опыт Майкельсона дает отрицательный результат и для интерферометра со средой, а согласно этим правилам результат со средой должен быть положительным (см. часть 1). Таким образом, переход от гипотетического гигантского шара, несущегося со скоростью 10% от скорости света, к опыту Майкельсона неправомочен: осмотром одуванчика не познаешь секвойю.
"Остановимся прежде всего на точке зрения Лоренца... В этой работе Лоренца сохранена как гипотеза о неподвижном эфире. Так и другие основные гипотезы прежней теории. ... Новым в этой работе является систематическое применение двух, с формальной стороны простых гипотез, а именно о том, как меняются благодаря движению, через эфир: 1) межмолекулярные силы; 2) геометрическая форма электронов. Обе эти гипотезы удивительным образом в корне уничтожают противоречие между гипотезой о неподвижном эфире и резво отрицательными результатами всех опытов над эфирным ветром".
"Допустим, что лаборатория движется сквозь эфир с произвольно большой скоростью (не превышающей, однако, скорости света). Если какой-нибудь исследователь в такой лаборатории произведет опыт, то, по его наблюдениям, этот опыт будет проистекать совершенно так же, как если бы его лаборатория стояла неподвижно по отношению к эфиру". "...Эфирный ветер нарушает ход того явления которое исследователь наблюдает; но тот же ветер портит, так сказать, и измерительные приборы наблюдателя: он деформирует меры длины, меняет ход часов. Напряжение пружины в пружинных весах и т.п. Все это достигается благодаря основным гипотезам, в частности, гипотезе о том, что движение через эфир изменяет силу притяжения между молекулами".
Замечание 22. Это замечательно. Отметим только, что положение IV Лоренца (см. часть 1) не обязательно, и не доказуемо. Поэтому, возможно, целесообразно его изъять из теории.
Замечание 23. Эренфест вслед за Лоренцем ограничивается оговоркой, что скорость лаборатории меньше, чем скорость света. При этом, как видно из примеров и из хода развития теоретической физики, рассуждения простираются вплоть до движений со скоростью, составляющей 10%, 90% и даже 99% от скорости света. Как бы ни было заманчиво теоретику рассуждать относительно таких форм движения, следует четко различать, что именно экспериментально установлено, а что является лишь домыслом, экстраполяцией, гипотезой. До тех пор, пока мы понимаем, что имеем дело с гипотезой, ничто не мешает говорить о том, что может происходить при любой скорости с тем или иным объектом. Теория может касаться в своих исследованиях любых задач. Но как только мы начинаем говорить о том, что строго доказано экспериментально, нам следует помнить, что опыт Майкельсона проводился лишь со скоростями, равными 0,01% скорости света. В лучшем случае (с учетом движения Солнца) можно говорить о скорости 0,07% скорости света. Движения Галактики в экспериментах учитывать, видимо, не приходится, коль скоро даже об учете движения Солнца нигде в теоретических обсуждениях опыта Майкельсона не упоминается. Теория даёт даже без привлечения гипотезы Лоренца инвариантность результата с точностью до первого порядка величины k = v/c (отношения скорости лаборатории к скорости света). Эксперимент показывает, что при k = 0,0001 изменение измеряемых величин не наблюдается также. Речь идет не о скорости света (которая не может быть измерена), а о приращении фазы, которое должно сказываться пропорционально квадрату величины k, то есть с изменением порядка 0,00000001. Теория Лоренца постулирует такое изменение длин, которое в точности компенсирует приращение фазы именно с точностью до квадрата величины k. Поскольку перед постановкой опыта Майкельсона надеялись обнаружить эту величину, то именно её преимущественно и оценивали, то есть величиной порядка k в кубе и более высоких степенях попросту пренебрегали. Эта величина для опыта Майкельсона составляет 0,000000000001. В те времена измерения с точностью до 12 знака не представлялись возможными. Члены, пропорциональные кубу и более высоким степеням k, выпали из рассмотрения физиков начала двадцатого века. Ничего нельзя возразить, если они выпали из рассмотрения временно. Но справедливо было бы спросить: почему они выпали из рассмотрения навсегда? Лаборатория с интерферометром Майкельсона, конечно, не может двигаться со скоростью, равной 10% от скорости света. Но электроны и другие частицы могут двигаться с такой скоростью, и даже со скоростью, очень мало отличающейся от скорости света. Всего лишь на основании того, что преобразования Лоренца, являясь подгоночными, позволяют обосновать теоретически отсутствие зависимости от квадрата величины k, теория далее утверждает о полном отсутствии какой бы то ни было зависимости. Стоит только допустить влияние эфирного ветра на результат опыта в приращении порядка третьей степени k, и мы получаем, с одной стороны, неизменными результаты опыта Майкельсона и подобных, а с другой стороны невозможность утверждать это для аналогичных опытов при большей скорости. В частности, при скорости 10% от скорости света такое приращение может проявляться в величине порядка 0,1% (если брать единичный коэффициент при соответствующем члене, а ничто не запрещает ему быть и на один-два порядка больше). Следовательно, как бы ни было заманчиво теоретически утверждать об абсолютной инвариантности результатов наблюдений от движения лаборатории, ссылаться на экспериментальное подтверждение можно лишь применительно к скорости движения, не превышающей известную величину (скажем, 0,1% скорости света).
"Мы должны затронуть теперь те две точки зрения, которые опубликованы Эйнштейном в 1905 г. и Ритцем в 1908 г."
"Оба автора подчеркивают, что их теории возвращаются к теории истечения Ньютона и противоположны эфирной теории Лоренца".
Замечание 24. Многие ли современники согласятся с оценкой Эренфеста? Сейчас считается, что теория Эйнштейна развивает теорию Лоренца, идет несколько дальше, но всё же основана на преобразованиях Лоренца. Считается, что теория Эйнштейна как раз отказалась от теории Ньютона. Следует иметь в виду эту оценку теории относительности, данную физиком, проследившим ее зарождение и развитие!
"Несмотря на эти общие черты между точками зрения Эйнштейна и Ритца существует глубокая разница. Ее легче всего обнаружить при следующей постановке вопроса. Один источник света А стоит перед нами неподвижно, второй источник света В движется с большой скоростью по направлению к нам. Пропустим световые лучи от обоих источников через пустую трубу, спокойно лежащую перед нами, и измерим, одинаково ли быстро оба луча пробегают через трубу. Какой мы получим результат? Эфирная теория Лоренца говорит нам: "одинаково быстро" с таким обоснованием: свет от обоих источников распространяется в одном и том же эфире. Теория истечения Ритца, отрицающая эфир, говорит: свет от движущегося на нас источника света проходит через трубу с большей скоростью, нежели свет от источника неподвижного. Обоснование: свет от источников летит в пространство, подобно осколкам от лопнувшей бомбы. Но осколки бомбы, движущейся на нас, летят через трубу, конечно, с большей скоростью, нежели осколки бомбы, которая взрывается, спокойно лежа перед нами. Наконец, теория истечения Эйнштейна, отрицающая эфир, говорит: одинаково быстро. Почему? Объяснение не приводится. Эйнштейн ставит это утверждение как постулат во главе своей теории, в этом и состоит его "постулат о постоянстве скорости света".
Мы видим, следовательно, что отрицающая эфир теория Эйнштейна требует того же, что и эфирная теория Лоренца".
Замечание 25. Очень любопытное наблюдение: если Лоренц и Ритц дают основания своим теориям (точнее, гипотезам), то Эйнштейн не затрудняет себя этим. В этом - корень будущих проблем теоретической физики.
Замечание 26. Оттолкнувшись исключительно от опыта Майкельсона, Эренфест вместо того, чтобы детально рассмотреть отличия трактовки именно этого опыта различными теориями создаёт уже второй мысленный эксперимент, не имеющий ничего общего с опытом Майкельсона. Совершенно не понятно, для чего ему понадобилась труба. Достаточно было бы продолжать говорить о лабораторной установке с гипотетической возможностью фиксирования скорости света в одном направлении. Реально такой установки не создано даже через сто лет после его рассуждений, поэтому рассуждение остается исключительно теоретическим.
Замечание 27. Утверждение, что теория Эйнштейна требует того же, что и эфирная теория Лоренца ошибочно. Согласно теории Лоренца, свет от обоих источников движется с одинаковой скоростью в любой точке пространства, причем, эта скорость постоянна относительно покоящегося эфира. Следовательно, если труба движется, то она сокращается. Если свет распространяется по направлению движения трубы, то время его прохождения должно возрасти. Сокращение трубы сокращает время прохождения светом этой дистанции. Два эффекта действуют противоположным образом. При этом не утверждается, что они полностью компенсируют друг друга. Если свет распространяется против направления движения трубы, то оба фактора ускоряют время прохождения светом этого расстояния. То есть теория Лоренца не утверждает постоянства скорости света относительно какой-либо физической меры. Преобразования Лоренца таковы, что если теперь вычислять сумму времени прохождения скорости во встречных направлениях, то она оказывается не зависимой от скорости трубы относительно эфира. Следовательно, теория Лоренца обосновывает независимость средней скорости света на замкнутом интервале пути от скорости физического тела, определяющего этот путь. Теория Лоренца, кроме того, замечательна тем, что она не запрещает движения никакого физического объекта со скоростью, большей, чем скорость света. Для этого особого случая можно лишь вывести, что свет никогда не закончит путь по замкнутой траектории. Совершенно иное представление дается теорией относительности. Согласно этой теории, как бы ни двигалась труба, скорость света от любого источника, подвижного или неподвижного, будет одна и та же. Действительно, обоснования этого утверждения не дано. Эта теория логически противоречива. Кроме того, эта теория лишь на основании получения нуля в знаменателе известного соотношения вводит запрет на движение объектов со скоростью, большей, чем скорость света в вакууме. Если теория Лоренца для этого случая прогнозирует особый результат, то теория Эйнштейна прогнозирует невозможность реализации этого случая.
"На этом основании наблюдатель должен, по теории Эйнштейна, наблюдать на движущихся мимо него мерах длины, часах и пр. те же сокращения, разности ходов и т. п., как и по теории Лоренца".
Замечание 28. Еще одно ошибочное утверждение. Наблюдатель не может наблюдать сокращения. На этом основана теория Лоренца, и это же заимствовано теорией относительности. Обсуждаемое сокращение не наблюдаемо, поскольку сокращается абсолютно всё. В обсуждаемом примере Эренфест неявно вводит в рассмотрение покоящуюся систему: он характеризует трубу как "спокойно лежащую перед нами". Таким образом, не понятно, о чем вообще ведется речь. Если речь ведется об абсолютно покоящейся трубе, то это возможно лишь в теории Лоренца. Если мы и труба движемся, то по Лоренцу сокращаются размеры и наши, и трубы. Если теперь наше движение рассматривать относительно другой системы, которая двигалась с большей скоростью, чем мы, то при переходе из той системы в нашу мы должны говорить о растяжении. В теории Лоренца присутствует покоящая система. В теории Эйнштейна покоящаяся система и покоящаяся среда устранены, объявлены несуществующими принципиально. Поэтому всякое движение одной системы относительно всякой другой приводит всегда только к сокращению. Это - источник новых абсурдных заключений.
"Заметим при этом, что принципиально невозможен такой experimentum cruces (решающий опыт), который решил бы спор в пользу той или другой теории".
Замечание 29. Последовательный переход из одной системы в другую через промежуточную третью дает по теории относительности совсем не тот же результат, что непосредственный переход из первой во вторую. В теории Лоренца любое количество промежуточных преобразований не приводит к изменению окончательного результата. Поэтому теория Лоренца, действительно, неопровержима экспериментально (в рамках известных на сегодня экспериментов), а теория Эйнштейна очень даже опровергаемы, поскольку приводит к парадоксам, которые не имеют места в реальности.
"В теории Ритца нет речи о сокращении твердых тел, изменениях в ходе часов и т. п. Именно потому, что она отбрасывает положение (заимствованное из эфирной теории) о постоянстве скорости света и заменяет его положением, соответствующим теории истечения Ньютона. При этом можно придумать такие experimento crucis, которые помогли бы решить вопрос или в пользу точки зрения Ритца, с одной стороны, или же в пользу взглядов Лоренца и Эйнштейна - с другой. Таким experimentum crucis мог бы прежде всего служить вышеупомянутый опыт с двумя источниками света. Опыт этот не произведен, потому что он требует от измерительной техники такой точности, которой мы при современных наших приборах не располагаем".
Замечание 30. Налицо ошибка в рассуждениях. Обсуждаемый эксперимент может быть реализован лишь мысленно. Измерение скорости света в одном направлении принципиально невозможно, поскольку для измерения скорости необходимо знать момент отправления света и момент его прибытия. Точка отправления и точка прибытия должны быть разнесены на значительное расстояние. Точное дистанционное измерение времени (на любом расстоянии, не обязательно значительном) невозможно. Самый быстрый способ получения информации о событии (например, запуске источника света) может быть получено по поступлению светового отклика (или по приходу электромагнитного импульса). Если среда вносит свое влияние на распространение света, то она влияет и на процесс измерения одновременности на расстоянии. Скорость света может быть оценена по изменению интерференционных картин, но при этом играет роль не скорость света в одном направлении, а средняя скорость на двух встречных направлениях. Можно конструировать установки с вращающимися дисками с отверстиями, которые "нарезают" свет на отрезки. В этом случае длительность импульса, прошедшего через две апертуры на двух дисках зависит от скорости этих дисков и от скорости света на пути между этими дисками, однако, для достаточно точных измерений необходимо делать либо чрезмерно длинный стержень, либо применять многопроходную схему, либо требуется чрезвычайно большая скорость вращения. Все эти пути неосуществимы, приводят к большим погрешностям, либо опять-таки позволяют измерить только среднюю скорость света на встречных направлениях. Кроме того, выполнение гипотезы о сохранении в неизменном виде абсолютной ориентации диафрагм при их вращении с большой скоростью также вызывает большие сомнения: если стержень сокращается при движении в эфире, то видимо, он должен перекручиваться и менять размеры и при вращении.
В сноске к процитированной фразе Эренфест пишет: "Профессор де Ситтер (Лейденский университет) успел за это время доказать, что можно на основании астрономических наблюдений над двойными звездами с чрезвычайно большой точностью показать, что скорость, с которой до нас доносится свет от движущейся звезды, независима от скорости этой звезды - в противоречии с теорией (см.: ЖРФХО.1913, 45, стр. 147.) Выполнение чрезвычайно затруднительных опытов, предложенных для решения выбора между теориями Ритца, с одной стороны, и Лоренца Эйнштейна, - с другой (см., например: R. С. Tolman. "Physical Review", 1912, 35, p.137), представляется, таким образом, излишним".
Замечание 31. Любопытно, что "экспериментальные" аргументы в пользу окончательного предпочтения теории Лоренца - Эйнштейна и против теории Ритца не приведены. Этот вопрос, однако, настолько важен, что оставлять его без внимания не следует. Информация о Ситтере приведена в приложении к данной статье [2-5]. Виллем де Ситтер - астроном, убежденный в теории сотворения мира. Аргументом для этого является открытие расширения вселенной. Современная наука признает, что, с одной стороны, идея расширения вселенной основана исключительно на эффекте Хаббла, состоящем в сдвиге спектров излучения звезд, а с другой стороны, эффект Хаблла можно объяснить и без привлечения теории относительности. Парадокс, не правда ли? Доказательством в пользу окончательного выбора теории относительности служит то, что, как признано, не служит доказательством теории относительности. Если согласиться с Ситтером, то надо признать и создание вселенной и ее расширение. Маловероятно, что Эренфест в 1913 году имел в виду именно такие взгляды на строение вселенной. Сам Эйнштейн не разделял этих взглядов никогда. Следовательно, мы не находим единой теории, а находим выдёргивание из других теорий, которые данные ученые не разделяют, отдельных тезисов для опровержения альтернативных теорий. Это аналогично тому, как если бы атеист в споре с христианами утверждал бы: "Христос не бог, поскольку мусульмане доказали, что нет бога, кроме Аллаха, а Христос - не Аллах". Этот аргумент, возможно, убедителен для мусульман, но атеист не должен им пользоваться: или следует опровергать христианство с атеистических позиций, или отказаться от опровержений. Таким образом, следует сделать, видимо, вывод, что в указанной статье Эренфеста не содержится существенных аргументов в пользу предпочтения гипотезы Эйнштейна против гипотезы Ритца.
Вернемся к статье Эренфеста.
"Представим себе, однако, на мгновение, что не сегодня-завтра удастся преодолеть все трудности этого, в настоящий момент еще утопического, опыта. И положим, что - hor-ribile dictu (страшно сказать) - получился бы результат, согласный с теорией Ритца: эфирной гипотезе был бы нанесен тяжелый удар. Тогда мы охотно согласились бы, что свет бросается через пустоту, и тем самым мы встали бы вообще на точку зрения теории Ритца".
Замечание 32. Опасения автора не вызывают поддержки. Если бы были определенные доказательства в пользу некоторой гипотезы, то это следует только приветствовать.
"Заметьте, однако, что от нас требуют совсем иного, когда нам предлагают отрицать эфир вместе с Эйнштейном. Потому что тогда мы должны подписаться под следующими тремя положениями:
1. Источники света посылают нам световые сигналы через пустое пространство в виде самостоятельно существующих образов.
2. Скорость света должна получаться одна и та же, как при измерениях над светом от источника, на нас двигающегося, так и от источника, находящегося в покое.
3. Мы признаем, что сочетание этих обоих положений удовлетворяет нас".
Замечание 33. С замечанием 1 соглашаться не обязательно. Сам Эйнштейн в статье "Эфир и теория относительности" [6] отказался от своего утверждения о том, что эфира не существует. Если от понятия пустоты отказался тот, кто его ввёл, имеет ли смысл далее обсуждать это понятие?
Замечание 34. Замечание 2 известно как второй постулат специальной теории относительности. Иногда его называют первым постулатом. Однако, более точно первый постулат состоит в том, что все физические законы проходят одинаково во всех инерциальных системах.
Замечание 35. Признавать, что утверждения нас удовлетворяют, не обязательно. Есть множество особенностей реального мира, которые нас не удовлетворяют. Однако, мы с ними миримся и признаем их объективными особенностями (законами) реального мира. Если мы подпишемся под первыми двумя утверждениями, этого, видимо, будет достаточно, чтобы причислить нас к релятивистам.
Любопытно заключение статьи Эренфеста. "Многоуважаемые слушатели! Я намеренно избегаю каких-либо определенных утверждений относительно того, какого выхода из создавшегося критического положения следует ждать. В мою задачу входило только нарисовать это критическое положение и дать выражение моему убеждению, что пока у нас нет еще вполне удовлетворительного выхода из него. Я не коснулся в настоящем изложении той сложной группы вопросов, которая, может быть, возьмет на себя в дальнейшей судьбе эфирной гипотезы наиболее видную роль, - я говорю о том запутанном клубке задач, что в настоящее время связывают с боевым названием атомы света. Этой группы вопросов я здесь не мог коснуться, так как они еще недостаточно выяснены. Я ограничился в этой речи лишь теми точками зрения, к которым приводят отрицательные следствия всех опытов над эфирным ветром. Для всестороннего освещения положения вещей мне было необходимо сопоставить детально разработанные теории Лоренца и Эйнштейна с набросками положений Ритца. Смерть лишила Ритца возможности развить свои идеи, и мы не знаем, как бы ему удалось преодолеть те затруднения, на которые мы наталкиваемся при первых же попытках восполнить пробелы в его работе. Во всяком случае, следует обратить внимание на эту точку зрения, из которой исходил Ритц: он начал создавать теорию, избегая тех сокращений и иных изменений в движущихся измерительных приборах, которые так характерны для теорий Лоренца и Эйнштейна".
Замечание 36. Вопреки утверждению Эйнштейна, что два его тезиса "достаточны для того, чтобы, положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся тел", высказанных в его классической статье "К электродинамике движущихся тел" [7] в 1905 г., Эренфест даже через 8 лет после ее опубликования отнюдь не признавал эту теорию свободной от противоречий. Наоборот: Эренфест считал эту теорию не обоснованной.
Замечание 37. Зарождение корпускулярной теории света Эренфест связывает с гипотезой Ритца и гипотезой Эйнштейна. Корпускулярная теория, выраженная термином "атомы света", в это время находилась только в зародыше. Основание для нее состоит, разумеется, в отказе от среды. Если отказ от среды аннулирован (см. замечение 33), то для корпускулярной теории оснований остается меньше. С другой стороны, победа взглядов Эйнштейна над взглядами Ритца, как видим, основана в значительной мере на том, что Эйнштейн попросту пережил Ритца. Смерть лишила Ритца возможности развить свою теорию, а Эйнштейну предстояла длинная творческая биография: в 1913 г. ему было 34 года, и жизнь ему дала фору еще на 42 года (до 1955). Конечно, не следует заключать из статьи Эренфеста и настоящего анализа, что Эйнштейн и Ритц были непримиримыми противниками - возможно, что они бы могли прийти к согласию. Но невольно вспоминается восточная поговорка: "Если ты будешь спокойно сидеть у порога своего дома и пить чай, ты дождёшься, как твоего врага пронесут мимо тебя ногами вперёд".
Действительно, кто знает, что ответили бы Максвелл и Ньютон Эйнштейну, доведись им ознакомиться с экспериментальными сведениями и с соответствующими научными теориями?
Заключительное замечание к части 2
Итак, мы видим, что в 1913 году теоретическая физика испытывала кризис. Однако, и в начале 21-го тысячелетия, накануне столетия теории относительности положение теоретической физики ничуть не лучше. И сегодня вслед за Эренфестом мы можем обратиться ко всем современным физикам со словами:
"Многоуважаемые слушатели!
Позвольте остановить ваше внимание на кризисе, который в настоящее время угрожает одной основной гипотезе физики"
Приложение
Информация о В. де Ситтере
"Виллем де Ситтер (Willem de Sitter) (1872-1934), нидерландский астроном. Родился 6 мая 1872 в Снеке. Окончил Гронингенский университет, работал в астрономической лаборатории. После двух лет работы математиком-вычислителем на обсерватории мыса Доброй Надежды (1897-1899) стал ассистентом Астрономической лаборатории в Гронингене, а в 1908 - профессором астрономии Лейденского университета. С 1919 Ситтер - директор Лейденской обсерватории" [2, 3].
"Работы Ситтера по теории относительности, представленные Лондонскому королевскому обществу в 1916-1917, привлекли внимание научного мира к общей теории относительности Эйнштейна. Ситтер создал одну из первых релятивистских космологических теорий, которая послужила отправной точкой для последующих теорий нестационарной Вселенной (А.Фридман, 1922; Ж.Леметр, 1927). В 1931 Ситтер приехал в США, зиму провел в обсерватории Маунт-Вилсон, наблюдая вместе с Эйнштейном за движением отдаленных галактик и обсуждая теорию расширения Вселенной. Лекции, прочитанные Ситтером в США в Калифорнийском университете, были изданы с дополнениями в 1933" [2].
Не правда ли, скупо? Идем дальше.
"...В 1912 году, в Лоуэлской обсерватории (США) астроном Мелвин Слайферт открыл, что десятка полтора галактик удаляются от Земли со скоростью свыше миллиона миль в час. Через два года Альберт Эйнштейн опубликовал свои уравнения теории относительности, и почти тотчас вслед за тем голландский астроном Виллем де Ситтер нашел решение этих уравнений, которое предполагало расширяющуюся Вселенную, где галактики стремительно удаляются друг от друга. Позднее ученик Слайферта Едвин Хаббл выстроил на основе этого открытия новую креационистскую концепцию" [4].
Читаем в [5] (авторы этого труда пытаются обосновать гипотезу о сотворении мира Творцом):
"Датский математик Виллем де Ситтер был единственным, кто действительно серьезно отнесся к проблемам, возникшим в связи с Теорией Эйнштейна. Эйнштейн, знавший де Ситтера и симпатизировавший ему, послал ученому один из первых экземпляров своей статьи, касавшейся Теории относительности. В конце 1917 года, всего через несколько месяцев после получения статьи, де Ситтер предлагал радикальное решение: с его точки зрения, Теория относительности могла работать только при допущении, что вся вселенная пребывает в состоянии взрыва, разлетаясь в разные стороны от его эпицентра. По некоторым причинам Эйнштейн так никогда и не ответил на письмо де Ситтера.
В 1922 году советский математик Александр Фридман самостоятельно пришел к тем же выводам, что и де Ситтер. Если Эйнштейн прав, предсказывал Фридман, то вселенная должна расширяться во всех направлениях с очень высокой скоростью. Из-за первой мировой войны ни де Ситтер в Дании, ни Фридман в Советском Союзе не могли знать о том, что молодой американский ученый Весто Слифер регистрирует одну за другой разбегающиеся галактики, подкрепляя, таким образом, гипотезу взрыва вселенной.
После войны Слифер, де Ситтер и Фридман сообщили Эйнштейну полученные данные. Эйнштейн, как это ни странно, упрямо отказывался соглашаться с выводами своих коллег, словно его гениальный ум уже подозревал кроющийся в гипотезе взрыва вселенной теологический подтекст. Он даже опубликовал в известном журнале "Zeitschrift fur Physik" письмо, в котором называл предположения Фридмана "сомнительными". В конце концов Фридман доказал правильность своей теории, выявив математические ошибки в первых публикациях Эйнштейна, и последний даже согласился с тем, что, возможно, Слифер, де Ситтер и Фридман правы. И все же он продолжал сохранять свою необъяснимо враждебную позицию. "Я еще не окончательно попал в руки святош", - заявил он одному из своих коллег, а в письме де Ситтеру обмолвился: "Сам этот факт (речь шла о разбегающейся вселенной) злит меня".
Эйнштейн злился не зря. До того как он сформулировал Общую теорию относительности, существовали три в равной степени приемлемых модели вселенной.
Первая модель предполагала статичную вселенную - бесконечное множество звезд и планет, практически неподвижных. Даже в соответствии с этой теорией некоторые звезды и планеты могли вращаться вокруг больших звезд и планет или скользить в бесконечной тьме пустого пространства, но в основном вселенная в данном случае мыслилась неподвижной. Такая вселенная (ее назвали "статичной") могла быть сотворена Богом в какой-то момент истории, но она могла также существовать вечно и без Бога.
Вторая модель уподобляла вселенную огромному воздушному шару, то раздувающемуся, то сжимающемуся. За несколько миллиардов лет она может раздуться до таких размеров, что практически уничтожиться, распылится. Однако гравитационное взаимодействие между звездами и планетами в конце концов должно приостановить процесс расширения до тех пор, пока он не пойдет в обратную сторону, и воздушный шар не начнет сжиматься. Все, существовавшее во вселенной, будет уплотняться, стягиваясь к ее центру, причем высвободится огромное количество тепловой и световой энергии, исторгающейся во всех направлениях, и фаза расширения начнется снова. Цикл расширения - сжатия может продолжаться до бесконечности. Такая вселенная (ее называли "пульсирующей") тоже могла существовать вечно и без Бога.
Наконец, вселенную можно уподобить воздушному шару лишь раздувающемуся, но не имеющему фазы сжатия. Если гравитационное взаимодействие всех звезд и планет окажется недостаточным, чтобы приостановить расширение, то вселенная будет понемногу расточать свою энергию в ничто. В конце концов все звезды погаснут, и ледяная тьма окутает все живое. Такая вселенная (ее назвали "открытой") никогда не сможет сама возродиться к жизни. Она могла возникнуть в какой-то момент истории, просиять во всем своем великолепии, а затем погрузиться в бескрайнюю ночь.
Открытая модель ставит перед нами один довольно неудобный вопрос: почему точка, сконцентрировавшая в себе всю материю и энергию, точка, извечно пребывавшая в состоянии покоя, вдруг взорвалась? По закону инерции объекты, находящиеся в состоянии покоя, будут пребывать в покое до тех пор, пока на них не воздействует какая-либо внешняя сила. Поскольку вся материя и энергия сконцентрирована в одной точке, то вне ее нет ничего - по крайней мере ничего природного, - что могло явиться источником движения. Что за сила вызвала первичную вспышку?
Но даже если кому-то придет в голову соблазнительное предположение о том, что точка никогда не была статической, что она возникла из небытия уже будучи нестабильной и тут же взорвалась, ему все равно придется объяснить, каким образом что-либо может возникнуть из небытия. По Закону сохранения материи и энергии общее количество материи и энергии во вселенной не может ни увеличиваться, ни уменьшаться. Как можно объяснить мгновенное, "ex-nihilo" сотворение вселенной, не прибегая к теологическим доводам? Третья модель, таким образом, предполагает наличие сверхъестественной силы - Творца.
До тех пор пока в дело не вмешались Слифер, де Ситтер и Фридман, все три модели в равной степени казались внушающими доверие. Теперь, однако, статистическая модель оказалась под угрозой, Ведь если де Ситтер и Фридман были правы, вселенная не была статичной, она пребывала в состоянии взрыва. А раз вселенная взорвалась, значит, она была сотворена. Эйнштейн предчувствовал это неприятное для него сближение религии и науки.
Но Эйнштейн понимал, что ничего еще не доказано. Слифер лишь обнаружил несколько десятков галактик, удаляющихся от Земли. Этот факт еще далеко не был доказательством взрыва вселенной. Впоследствии де Ситтер и Фридман высказывались в пользу открытой модели вселенной, отталкиваясь от положений Теории относительности, но и положения самой Теории еще не подтвердились. И, наконец, даже если бы расширение вселенной и Теория относительности получили бы подтверждение, лишь окончательное доказательство того, что вселенная никогда не сможет вернуться к исходному состоянию, побудило бы космологов искать объяснений в религии.
Эйнштейн получил передышку, но ненадолго. В 1925 году Эдвин Хаббл, американский астроном, работавший в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, нанес теории статичной вселенной смертельный удар. Используя самый большой по тем временам телескоп в мире, Хаббл обнаружил, что все галактики в пределах 100 миллионов световых лет от Земли удаляются от нашей планеты.
Эйнштейн упрямо отказывался признать результаты работы Хаббла. Еще на протяжении пяти лет германский гений продолжал учить статической модели вселенной, пока, по настоянию Хаббла, не приехал из Берлина в Пасадену, чтобы собственными глазами убедиться в очевидном факте. По завершении путешествия Эйнштейн вынужден был с неудовольствием признать, что "последние наблюдения Хаббла дают некоторые основания полагать, что общее строение вселенной не статично".
Эйнштейн умер в 1955 году, так до конца и не поверив в то, что вселенная - расширяется".
Авторы приведенного фрагмента пытаются увязать гипотезу расширяющейся вселенной с гипотезой сотворения мира.
Я согласен признать, что, действительно, расширяющаяся вселенная должна была бы указывать на ее создание в прошлом и гибель в будущем. Однако, я не могу согласиться, что расширение вселенной является доказанным фактом. Доказано лишь наличие красного смещения в излучении. Это - далеко не одно и то же. Достаточно допустить, что частота света падает по мере его распространения во времени (и в пространстве, что в данном случае одно и то же), и больше ничего не требуется, чтобы МИР В ЦЕЛОМ снова представлял собой нечто незыблемое, стационарное. При этом отдельные фрагменты вселенной могут как угодно эволюционировать - были бы только на это причины.
Действительно, причины для изменения частоты света могут быть найдены и указаны. Самое главное: для указания этих причин нет никакой необходимости нарушать закон сохранения энергии. А вот указать причины расширения Вселенной, не нарушая закон сохранения энергии, невозможно. Всякие построения на эту тему используют отрицательные массы и тому подобные натяжки.
Таким образом, гипотезу расширяющейся вселенной давно пора выбросить на свалку.
И в любом случае мы должны, видимо признать, что уж во всяком случае не трудами Виллема де Ситтера можно доказать теорию относительности Эйнштейна. Уж если Виллем де Ситтер апеллирует к Богу, то и Эйнштейну, если бы он этого захотел, следовало бы, избегая посредников, обращаться за поддержкой также к Богу. Однако, мы знаем, что Эйнштейн был материалистом (из некоторых источников даже следует, что он был чуть ли не коммунистом). На мой взгляд, материализм Эйнштейна усиливает его научную позицию, но лишает его возможности прибегать к гипотезе расширяющейся вселенной. К чести Эйнштейна напомним, что он никогда этим "доказательством" теории относительности не воспользовался.
Литература
1. П. Эренфест. Относительность, кванты, статистика. Сборник статей. М., Наука, 1972.