Текст книги "Пуанкаре"

Автор книги: Алексей Тяпкин

Соавторы: Анатолий Шибанов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 34 страниц)

Физика в пророчествах

Врывающиеся в окно порывы ветра вздували легкие занавески, открывая непривычные глазу француза бескрайние просторы американских равнин с убегающим вдаль горизонтом. Экспресс набирал скорость на очередном перегоне. Приятно было после шумной суеты грандиозной Всемирной выставки в Сент-Луисе предаться свободному течению мыслей и неторопливой беседе с попутчиком. Неуверенно вглядываясь в своего собеседника, молодой французский физик-теоретик Поль Ланжевен порой готов оборвать свою мысль на полуслове. Рассеянно-отсутствующее выражение лица Пуанкаре вводит его в заблуждение, впрочем, как и многих других. И только изредка появляющаяся на этом лице улыбка удовлетворения, когда Пуанкаре слышит рассуждения, созвучные его собственным мыслям, свидетельствует о том, что речь Ланжевена не проходит мимо его сознания. «Удивительная способность – жить одновременно сразу в двух мирах», – думает молодой физик.

– А ведь вы не сдержали своего обещания, – загадочным тоном произносит Ланжевен.

– Обещание? Какое? – искренне удивился Пуанкаре.

– Не делать прогнозов, – улыбаясь, Ланжевен откинулся всем корпусом назад. – Видно, пророческий дар в вас оказался сильнее той осторожности и скепсиса, которые вы нам продемонстрировали в начале выступления.

Приступая к своему докладу в Сент-Луисе, Пуанкаре действительно сразу же предупредил аудиторию, чтобы от него не ждали никаких пророчеств. "Даже если бы у нас и появилось стремление отважиться на прогноз, – заявил он, – мы бы легко избавились от этого искушения, представив себе все нелепости, которые были бы сказаны выдающимися учеными начала прошлого столетия, если бы их спросили о том, какова будет наука в XIX веке". Но в течение последующих полутора часов °н не раз отступал от своего решения. Подытоживая попытки преодолеть наметившийся в теоретической физике кризис, он не удержался от соблазна заглянуть в затянутую туманной дымкой перспективу.

Год назад известный американский астроном Ньюком приехал в Париж, чтобы от имени американского правительства пригласить французских коллег принять участие в Международном конгрессе искусства и науки. Большая группа французских ученых приняла это приглашение, в том числе Пуанкаре. Конгресс состоялся осенью 1904 года в городе Сент-Луисе во время Всемирной выставки, организованной по случаю столетней годовщины присоединения Луизианы к Соединенным Штатам. 24 сентября, когда Пуанкаре выступал со своим программным докладом "Настоящее и будущее математической физики", зал конгресса был переполнен. Слушатели, в подавляющем большинстве деятели различных наук с Американского континента, впервые увидели прославленного французского математика и физика-теоретика. Пятидесятилетний мужчина среднего роста и средней полноты, несколько ссутулясь, привычно прохаживался перед затихшими рядами. Возможно, многие из присутствующих были удивлены тем, что столь легендарная личность скрывается под обликом типичного, ничем не примечательного внешне европейского интеллигента, с аккуратно причесанными волосами и бородкой адвоката. Белая рубашка с манжетами и традиционная цепочка часов на жилете только усиливали это впечатление. Но уже через несколько минут зал был заворожен той интригующей и драматичной картиной надвигающихся потрясений в физике, которую с удивительной ясностью и проникновенностью он нарисовал.

"…Есть признаки серьезного кризиса, как если бы мы находились накануне предстоящего изменения", – говорит Пуанкаре. Причем под сомнение ставится основа основ всей физики – ее принципы. К таким основополагающим принципам Пуанкаре относит: принцип сохранения энергии, принцип Карно, играющий роль второго начала термодинамики, принцип равенства действия противодействию, принцип относительности и принцип сохранения массы. К ним он добавляет еще принцип наименьшего действия. В этих принципах сконцентрирована вся накопленная веками мудрость физики как науки. "Достаточно применить пять или шесть общих принципов к исследованию физических явлений для того, чтобы получить все, что мы, по-видимому, можем надеяться о них узнать". В чем сила достоверности этих принципов. В их общности, утверждает Пуанкаре. "Действительно, чем более они общие, тем чаще мы имеем возможность их проверить; и эти испытания, умножаясь и приобретая самые разнообразные и самые неожиданные формы, в конечном счете не оставляют места сомнению". И вот над этими-то принципами нависла в последние годы угроза ниспровержения, причем над каждым из них в отдельности. "Не только закон сохранения энергии подвергается сомнению; рассмотрев принципы физики один за другим, мы увидим, что все они находятся в опасности". И далее Пуанкаре переходит к такому подробному рассмотрению.

Можно без преувеличения сказать, что этот обзор всех основных трудностей классической физики был не только первым, но и единственным в течение многих последующих лет. И раньше высказывались отдельные сомнения и слышались призывы искать новые пути преодоления встретившихся трудностей, но не было общей оценки сложившейся ситуации в физике как кризисной. Только в докладе Пуанкаре на конгрессе в Сент-Луисе впервые было подытожено состояние физики в целом и твердо заявлено: "Есть признаки серьезного кризиса". После этого многие будут говорить о кризисе физики конца XIX – начала XX века. А не так давно авторитетнейший ученый того времени – лорд Кельвин в одной из своих лекций благодушно сравнил физику с кораблем, благополучно миновавшим подводные рифы и мели и вошедшим в спокойную гавань. Лишь два небольших облачка, по его мнению, омрачали пока небосвод науки – это затруднения в теории излучения и в электродинамике движущихся тел. Но, как выяснилось впоследствии, именно эти два облачка явились теми грозными тучами, которые нависли над основами классической физики.

До предела сгустив краски при описании тревожного состояния физики, Пуанкаре выразил уверенность в том, "что этот кризис будет спасительным, поскольку история прошлого гарантирует нам это". При этом он вовсе не считает, что тревога была напрасной и классическая физика останется невредимой. Нет, он предсказывает самые неожиданные изменения законов физики и говорит о том, что принципы могут быть сохранены ценою огромных усилий, уже предпринятых и только еще предстоящих. Докладчик признает необходимость коренной перестройки многих существующих теорий для преодоления встретившихся трудностей, за исключением созданной Лоренцем электродинамики движущихся тел. Но эта ломка, по его убеждению, не должна отвергнуть основные принципы физики. Он допускает лишь возможность изменения их формы. Пуанкаре говорит о том, что оставшиеся среди руин старой физики общие принципы предстоит отыскивать в новом одеянии.

Теперь, когда давно отшумела буря над физикой и на ее могучем остове возникли стройные здания современных физических теорий, нелегко представить себе то смутное время сомнений в самых основных физических принципах. Нужно забыть на минуту о всех возникших позже новых представлениях физики XX века, чтобы по достоинству оценить значение программного докладе Пуанкаре, в котором он дал ключевую основу для поиска новых физических закономерностей – совокупность основных принципов, сохраняющих свое значение и в новой физике. Особенно подчеркивал Пуанкаре незыблемость закона сохранения энергии, который, по его мнению, не смогут поколебать никакие будущие открытия. Это убеждение высказывалось им и раньше, на первом физическом конгрессе в Париже.

В науке после этого произошла самая крупная революция за все время ее существования. Коренному преобразованию подверглись основные физические представления. Были установлены совершенно необычные физические законы, действующие при околосветовых скоростях и в мире мельчайших частиц. Но все отмеченные Пуанкаре общие принципы и по сей день сохраняют свое значение, действуя в современной физике в преобразованном виде.[45]45
  [45] Так, в современной релятивистской механике изменилось выражение энергии через скорость движения тела, а принцип сохранения масс стал относиться к полным массам тел с учетом их возрастания с увеличением скорости. При этом принцип сохранения масс слился с преобразованным принципом сохранения энергии.


[Закрыть] Пуанкаре весьма проницательно наметил стержневую линию новой физики, ее остов из основных принципов, связывающих ее с классической физикой.

Вопреки своему намерению не делать прогнозы, Пуанкаре дал в докладе удивительно меткие указания "горячих точек" физики? в которых следовало ожидать рождения принципиально новых закономерностей. И оправдались не просто многие из этих прорицаний, а буквально все. Современные ученые не находят ни одной нелепости в его смелых суждениях. История науки не знает другого труда, в котором с такой полнотой и с такой конкретностью были бы предсказаны грядущие преобразования в физике.

Но в то время Поль Ланжевен, оказавшийся после конгресса в одном купе с Пуанкаре, не мог еще об этом догадываться. Его в первую очередь интересовало мнение выдающегося ученого по вопросам, затронутым в его собственном докладе "Физика электронов". Он горячо и убежденно говорил о глубоких последствиях для всей физики установления дискретного строения электричества, открытия зерен электричества – электронов. Пуанкаре со многим соглашался, но оставался равнодушным, если не скептичным, к основной идее, увлекавшей Ланжевена: объяснение с помощью электронной теории всех физических явлений, даже механических. Он по-прежнему не считал необходимым сводить всю физику к одному из ее разделов. Он указал своему собеседнику, что с помощью одних только электромагнитных сил нельзя получить таких равновесных систем, как твердое тело и сам электрон, который Ланжевен предлагает положить в основу всей материи. По мнению Пуанкаре, для электронной теории существуют более важные задачи, чем возводить единое толкование уже объясненных физических явлений.

– Взять хотя бы проблему спектров излучения атомов, – помолчав, добавил он. – Ею несколько пренебрегают, а между тем проблема эта обещает нам большие сюрпризы.

В своем докладе Пуанкаре специально остановился на необходимости новой теории, которая объяснила бы закономерности спектральных линий, излучаемых атомами. Еще в 1900 году немецкий физик Макс Планк для преодоления основного затруднения теории излучения – так называемой "ультрафиолетовой катастрофы" – выдвинул необычную и совершенно несвойственную классической физике идею о том, что излучение происходит дискретными порциями – квантами. Теперь же, обсуждая экспериментально установленное распределение спектральных линий в излучении атомов, Пуанкаре категорическим образом отвергает возможность его объяснения на основе законов классической физики. "Эти явления еще не объяснены, и я думаю, что мы имеем здесь дело с одной из важнейших тайн природы, – утверждает он. – …Здесь мы, так сказать, проникаем в самые глубины материи. В том положении, в котором мы сейчас находимся, представляется, что, когда мы поймем, почему колебания раскаленных тел отличаются от хорошо знакомых нам обычных упругих колебаний, когда мы поймем, почему электроны ведут себя не так, как обычные тела, мы будем лучше понимать динамику электронов, и, может быть, нам будет легче согласовать ее с основными принципами".

Это удивительное пророчество блестяще подтвердилось. Ланжевен еще убедится в уникальной прозорливости Пуанкаре, когда уже после его смерти родится теория, необходимость которой он предвещал. Сначала в 1913 году молодой датский физик-теоретик Нильс Бор даст первое объяснение природы спектра излучения атомов на основе квантовой гипотезы Планка. А в 1927 году этот раздел теории атомной физики завершится созданием квантовой теории, которая из всех новых физических теорий наиболее радикальным образом отличается от классической физики. Совершенно необычным в этой теории оказался статистический характер законов, описывающих поведение квантовых объектов. И в этом было подтверждение еще одного предсказания Пуанкаре! В конце своей лекции он отметил: "Физический закон приобретает тогда совершенно новый аспект, это уже не будет только дифференциальное уравнение, он примет характер статистического закона".

Особенно настойчиво и весьма определенно предрекает Пуанкаре создание совершенно новой механики, "которая характеризовалась бы главным образом тем фактом, что никакая скорость не могла бы превышать скорость света, подобно тому как температура не может упасть ниже абсолютного нуля". Эта идея настолько сильно владеет его сознанием, что он еще раз возвращается к ней в самом конце доклада: "Возможно даже, мы должны создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причем скорость света являлась бы непреодолимым пределом. Обычная механика, более простая, оставалась бы как первое приближение, справедливое для скоростей не слишком больших, так, что новая динамика включала бы старую". В осуществлении этого пророчества Пуанкаре самому предстояло сыграть решающую роль. Это были уже сегодняшние мысли его завтрашних трудов.

Глава 11 РОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Принцип относительности и эфир

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

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

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

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

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

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

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

Но, несмотря на эту критику, Пуанкаре все же считает, что теория Лоренца "наиболее удовлетворительна из всего, что у нас есть; она, бесспорно, лучше всех воспроизводит известные нам факты, освещает больше реальных соотношений, чем всякая иная, и принадлежащие ей черты войдут в наибольшем числе, в будущее окончательное построение". Он указал на блестящие успехи теории Лоренца в объяснении опыта Физо и магнитооптических явлений.[46]46
  [46] К ним Пуанкаре отнес не находившее прежде объяснения вращение поляризации света магнитным полем, открытое Фарадеем, и. расщепление спектральных линий при действии магнитного поля на источник света (явление Зеемана).


[Закрыть] Не допуская случайности столь значительных ее достижений, Пуанкаре высказал уверенность, что именно эта теория выйдет победительницей из схватки с трудностями, возникшими в физике, что при этом сама теория не подвергнется разрушению. «Теория Лоренца не есть искусственный агрегат, обреченный на распадение, – утверждает он. – Ее, наверно, придется изменить, но не разрушить». Такая же точка зрения отстаивалась им на конгрессе в Сент-Луисе.

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