Текст книги "Альберт Эйнштейн"

Автор книги: Владимир Львов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 27 страниц)

3

Одним из важнейших физических открытий XIX столетия было доказательство электромагнитной природы света. Световые волны расшифровались как колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся со скоростью 300 тысяч километров в секунду, присущей всем электромагнитным процессам.

Носителем световых волн на первых порах должен был стать тот же самый эфир, о котором шла речь в опытах с электричеством и магнетизмом. И это означало – если придерживаться идей механической физики, – что для световых колебаний в эфире могут быть воспроизведены все те явления, которые характерны для обыкновенных упругих волн.

Нашу планету окружает воздушная оболочка, изборождаемая как раз такими – звуковыми волнами. Согласно принципу относительности движение планеты не оказывает, разумеется, ни малейшего влияния на ход звуковых волн в атмосфере. Не так ли точно должно обстоять дело и со световым эфиром, если таковой существует вокруг Земли?

Независимо от того, сводятся или нет электрические и магнитные явления к механике, естественно, было ожидать, что принцип относительности распространяется и на эти явления. Что дело обстоит именно так, свидетельствовали уже самые первые, знакомые сегодня каждому школьнику опыты Фарадея над индукцией тока. Известно, что если двигать виток проволоки по отношению к находящемуся вблизи магниту, то в проволоке возникает ток. Но в точности такой же ток появляется и в том случае, если виток оставить в покое, а двигать магнит! Законы индукции зависят, следовательно, от относительного перемещения проводника и магнита и вовсе не зависят от того, какую из этих двух «площадок» считать покоящейся. О справедливости принципа относительности говорила и неудача попыток заметить движение Земли с помощью любых вообще электрических и магнитных опытов. Если бы это было не так, движение Земли можно было бы попытаться обнаружить посредством электрических и магнитных опытов.

Вот идея простейшего из таких опытов. Пусть имеется электрический заряд, сосредоточенный, скажем, на поверхности стеклянного шара. Двигаясь вместе с Землей, неподвижный заряд, казалось бы, тотчас превращается в электрический ток. Ведь ток есть не что иное, как поступательный перенос заряда. А всюду, где текут электрические токи, присутствует магнитное поле, так что действие его на железную стрелку сразу же могло бы быть замечено на опыте.

Многие остроумные эксперименты такого рода были задуманы и осуществлены еще в дни Фарадея. Один из последних по времени опытов – английских физиков Троутона и Нобла в 1903 году – отличался особой точностью. Подвешенный на нити заряженный электрический конденсатор должен был совершить поворот под действием движения Земли. Столь же тонкий опыт (по несколько иной схеме) был проделан профессором Московского университета А. А. Эйхенвальдом. Ни один из экспериментов, как и следовало ожидать, не дал положительного результата! Ничто не возбраняло, однако, толковать это положение в духе механического эфира. В самом деле, если ареной всех электрических и магнитных явлений служит «эфирная атмосфера», окутывающая Землю и движущаяся вместе с Землей, тогда все должно происходить тут независимо от перемещения Земли, как не зависит от него полет птиц, машущих крыльями, в воздухе.

Что нового могли тут принести опыты со светом?

В отличие от звука, ареной которого является воздух, прилегающий к Земле, свет доходит до нас также и от небесных тел, в частности от звезд. Звезды не только отделены от Земли гигантскими просторами «мирового пространства», но обладают и собственным движением относительно друг друга и нашей планеты. И если продолжать считать, что каждая излучающая свет звезда окружена эфирной атмосферой, движущейся вместе со звездой, тогда картина получается примерно такая. Предположим, что источник звуковых волн, например колокол, находится в герметически закрытой (и непрозрачной для звука) кабине летящего самолета. Самолет увлекает с собой воздух внутри кабины и вместе с ним волны звука. Поэтому по отношению к предметам на Земле [6]

[Закрыть]скорость звука от колокола будет больше, если самолет приближается к этим предметам, и меньше, если удаляется. Насколько больше или меньше? Ответ содержится в известном каждому школьнику правиле сложения и вычитания скоростей. Пусть самолет движется с быстротой 800 километров в час, а скорость звука в покоящемся воздухе, как всегда, составляет около 1 200 километров в час. Тогда скорость звука от колокола, помещенного внутри приближающегося самолета, составит 1 200 + 800 = 2 000 километров в час. Не произойдет ли нечто подобное и со скоростью света? От звезд, приближающихся к Земле, свет, может быть, доходит быстрее, а от звезд удаляющихся – медленнее? Корабельный артиллерист-механик напомнил бы в этой связи и другой пример: скорость снаряда относительно береговой неподвижной мишени равна скорости снаряда относительно пушечного ствола плюс скорость корабля, на котором находится пушка.

К величайшему удовлетворению астрономов, все эти рассуждения оказались не имеющими ни малейшего отношения к свету реальных звезд! К удовлетворению потому, что зависимость скорости света от движений небесных тел (если б такая зависимость существовала) неимоверно запутала бы картину неба. Взять хотя бы двойные звезды – тесные пары светил, обращающихся по эллипсам вокруг общего центра. В те моменты, когда скорость одного из сочленов пары направлена в сторону Земли, свет от него должен был бы домчаться до земных телескопов скорее, чем от второй звезды (если она в этот момент движется в обратную сторону). Очертания звездных путей оказались бы до неузнаваемости искажены, двойные светила принялись бы выписывать в поле зрения телескопов сложные узлы и петли. В действительности ничего подобного нет, и движение двойных звезд по отношению к Земле происходит с достаточной точностью по ньютоновским эллипсам. Доказанным фактом, стало быть, является независимость световой скорости от движения источника света. Находится ли этот источник в относительном покое или же равномерно и прямолинейно перемещается относительно приемника, скорость света остается той же.

Механическая картина светового эфира, стало быть, явно отказывалась здесь служить. Но в распоряжении механической физики все же оставался выход.

Скорость звуковых волн, как известно, не всегда должна складываться [7]

[Закрыть] со скоростью источника звука. Если колокол на движущемся самолете поместить не внутри закрытой кабины, а прикрепить его где-нибудь снаружи («на открытом воздухе»), то звуковые волны будут доходить до поверхности Земли с той же самой скоростью, что и от неподвижного колокола. Почему? Да потому, что воздушная среда, которую изборождают волны, в данном случае не принимает участия в движении самолета. Колокол теперь движется «сам по себе», а звук «сам по себе»– складываться нечему! Переводя все это на язык светового эфира, пришлось бы прийти к такому выводу: эфир, разделяющий звезды и Землю, неподвижен относительно звезд и Земли. Вся вселенная, все материальные тела как бы плавают в эфирном океане, не принимающем участия в движениях тел. Тогда можно было бы понять постоянство скорости света, доходящего от звезд до Земли. Однако тогда нельзя было бы настаивать на соблюдении принципа относительности. В самом деле, если существует такая вещь, как абсолютно неподвижный эфир, тогда движение (относительно него) любого материального тела становится абсолютным движением. Эфир превращается в привилегированную механическую «площадку»! И если так, тогда можно пытаться заметить, например, абсолютное движение земного шара относительно эфира…

Идея, приходившая на ум, состояла, в частности, в следующем. Предположим, как показано на рисунке, что труба телескопа нацелена на звезду 3 (находящуюся – для простоты рассуждения – в зените). Пусть АБ – центральная ось трубы, а С – фронт световых волн, вступивший в верхнее ее отверстие. Если бы Земля и прилегающий к ней эфир двигались как единое целое, тогда световой фронт, попав внутрь трубы, прошел бы путь от А до Б и достиг ее основания. При движении же Земли независимо от эфира в направлении, указанном стрелкой, труба за то время, что свет будет идти от А до Б, сместится на определенный отрезок вправо, и фронт световых волн не сможет достичь основания. Чтобы обойти это препятствие, пришлось бы наклонить трубу на соответственный угол вправо (то есть по ходу движения Земли). Примерно так же поступает человек, бегущий под отвесным дождем с раскрытым над головой зонтиком. Чтобы капли дождя не попадали под зонтик, бегущий должен наклонить зонтик в направлении своего движения. Угол наклона, как нетрудно рассчитать, зависит от отношения скоростей: когда речь идет о Земле и о свете звезд, этот угол получается приблизительно 20,5 дуговой секунды в год. Но как раз такое годовое смещение и было замечено впервые в 1726 году английским астрономом Джеймсом Брадлеем для звезды Гамма в созвездии Дракона!

Находка произошла случайно, когда Брадлей начал измерять точные положения ряда звезд на небосводе. Вскоре оказалось, что совершенно такое же годовое смещение испытывают все без исключения звезды, наблюдаемые на небе. Все они сдвинуты на одну и ту же годовую величину – 20,5 дуговой секунды. Брадлей назвал это явление «аберрацией» (по латыни aberratio значит «уклонение»). Связав аберрацию с идеей неподвижного эфира, приходили к выводу о существовании абсолютного движения Земли относительно эфира. Но как было совместить этот вывод с доказанной неудачей всех прочих опытов, поставленных с целью обнаружить абсолютное движение Земли?

Узел завязывался все туже, и выхода из положения не предвиделось.

4

В 1851 году французский физик Ипполит Физо демонстрировал в Парижской Академии наук экспериментальную установку, которая, по его мнению, могла бы прояснить вопрос о взаимосвязи между эфиром и движением материальных тел. Вот упрощенная схема этого опыта. Световой пучок от источника света С пропускался через трубу Т, наполненную водой. Вода сначала оставалась неподвижной, а затем прогонялась вдоль по трубе в том же направлении, что и свет. Сравнивались скорости света (относительно стенок трубы) в неподвижном и в движущемся столбе воды.

Исследователи, размышлявшие над идеей опыта Физо, учитывали возможность двух различных ответов на задачу. Первый вариант: скорость света относительно стенок трубы равна скорости света относительно воды плюс скорость самой воды. Это было бы равносильно тому, что световой эфир «увлекается» водой, и дело обстояло бы приблизительно так, как в разобранном ранее примере со звуком в закрытой кабине самолета: воздух и звук переносятся вместе с самолетом, и скорости (звука относительно самолета и самолета относительно земли) просто складываются. Но даже если бы опыт Физо завершился именно так, оставалась бы неясной небольшая, но существенная деталь: в то время как звуковой колокол предполагается движущимся вместе с самолетом, источник света в опыте Физо находится вне столба воды! И это значит, что, складывая скорости, мы сейчас же пришли бы в противоречие с законом независимости скорости света от состояния движения светильника. В самом деле: складывать скорости (света в воде и самой воды) можно лишь при молчаливом допущении, что быстрота света (относительно воды) одна и та же в движущейся воде, как и в покоящейся. А это означало бы, что по отношению к светильнику свет в потоке воды (уходящем прочь от светильника) движется быстрее, чем в неподвижной воде…

Что ж, раз так, можно было переключиться на второй возможный прогноз исхода опыта.

Второй вариант состоял в том, что обе скорости (в покоящейся и в движущейся воде) равны между собой. Это сразу привело бы к картине неподвижного эфира, и закон независимости скорости света от движения источника оказался бы выполненным автоматически. Хуже обстояло бы дело зато с принципом относительности. Ведь если движение воды никак не сказывается на быстроте распространяющегося в ней света [8]

[Закрыть], значит от суммы скоростей (света относительно «воды и воды относительно трубы) какая-то доля отнимается. Отнимается, в частности, ровно столько, сколько составляет скорость воды. Скорость света по отношению к воде, стало быть, оказывается уменьшившейся. Но это-то и противоречит принципу относительности, который требует, чтобы ход физических процессов не зависел от перемещения «площадки» (в данном случае – столба воды).

Оба исхода не могли бы, как видим, распутать клубка неувязок, но беда в том, что ничего более удовлетворительного, казалось, нельзя было предложить.

С затаенным дыханием ожидали физики ответа на заданный природе вопрос. Первый прогноз или второй? Ответ не заставил себя долго ждать: ни то и ни другое! Скорость света в движущейся воде фактически оказалась увеличенной (по сравнению со скоростью в покоящейся воде). Но прибавка была на 57 процентов меньше, чем это следовало бы из правила сложения скоростей в условиях «увлекаемого» эфира.

Были сделаны попытки объяснить этот странный результат на основе «второго варианта», то есть представления о неподвижном эфире [9]

[Закрыть]. Принцип относительности приходилось тут опять принести в жертву, но при желании можно было сослаться на то, что этот принцип все равно нарушен открытием аберрации звездного света…

Эксперимент Физо в итоге всех итогов не облегчил жизни физиков. Подвижен в конце концов или неподвижен эфир? И верно ли, что нельзя заметить «абсолютное движение» Земли даже с помощью опытов с лучами света?!

5

В восьмидесятых годах американский физик Альберт Майкельсон указал еще на одну возможность экспериментального подхода к этому вопросу.

Если, рассуждал Майкельсон, земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный мировой эфир, тот да луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет неизбежно подхвачен и отнесен назад «эфирным ветром», дующим навстречу движению Земли. «Ветер», о котором идет речь, должен возникать исключительно благодаря перемещению Земли относительно эфира. Так, высунув руку из окна вагона на ходу поезда, пассажир всегда ощущает ветер, хотя бы воздух вокруг поезда сам по себе был совершенно спокоен! Дым из трубы паровоза по этой же причине стелется назад, параллельно движению поезда…

Представим себе теперь луч света, пущенный от источника С вдоль направления перемещения Земли. (Смотри рисунок, изображающий схему опыта Майкельсона в горизонтальном плане.) Луч проходит сначала путь СА до полупрозрачной, полузеркальной пластинки А, поставленной под углом 45°. Тут луч раздваивается. Часть света идет дальше к зеркалу Б и, отразившись от него, возвращается к А, после чего, испытав вторичное отражение, на этот раз «под прямым углом попадает в наблюдательную трубку Т. Маршрут второй части светового пучка иной: после двукратного отражения, сперва в А, потом в В, пронизав пластинку А, луч финиширует в той же трубке Т.

Сойдясь вместе на отрезке пути AT, обе части расщепившегося светового пучка должны наложиться друг на друга. Подобное наложение (интерференция) световых волн, как известно из оптики, дает чередование светлых и темных «полос. Размещение их в поле зрения трубки зависит от величины сдвига одной вереницы волн по сравнению с другой. Что можно было ожидать в данном случае?

Все три отрезка пути, то есть АВ, АБ и AT, были взяты равными друг другу, и, следовательно, оба луча должны прийти к финишу в одно и то же время. Но это только в том случае, если ничто не повлияет на ход световых волн вдоль пути следования!

При наличии же неподвижного эфира результат окажется иным. На участке пути АБ будет дуть «эфирный ветер», и свету понадобится больше времени, чтобы пробежать взад и вперед этот участок (по сравнению с отрезком АВ). Это создаст запоздание в приходе к финишу одного луча по сравнению с другим. Величина запоздания будет зависеть от соотношения между скоростью Земли и скоростью света.

Несмотря на громадную разницу в скоростях – 30 и 300 тысяч километров в секунду – и соответственно ничтожную разницу во времени, эффект запоздания должен был осязаемо сказаться на интерференционной картине и мог быть точно измерен на опыте.

Практически измерение, производилось так: вся установка, состоящая из зеркал, полупрозрачной пластинки, светильника и интерферометра, была смонтирована на каменной плите и могла поворачиваться горизонтально как одно целое. Сначала определялось положение интерференционных полос в исходной позиции. Затем производился поворот на 90 градусов, и тогда отрезки АБ и АВ менялись местами по отношению к направлению ожидаемого «ветра». Зрительная труба также оказывалась теперь нацеленной не поперек, а вдоль направления «ветра». Тот луч, который раньше запаздывал, теперь становился опережающим – интерференционные полосы, стало быть, должны были смещаться по сравнению с исходным положением. По величине этого сдвига и можно было судить о наличии «эфирного ветра».

Первая экспериментальная установка такого рода была построена и испытана Майкельсоном в 1881 году в Берлине (куда ученый выезжал в научную поездку). Затем опыты были перенесены в Америку. Майкельсону помогал здесь его ближайший сотрудник Эдуард Морлей. К 1887 году чувствительность прибора была повышена настолько, что можно было надежно зарегистрировать эффект «эфирного ветра» в десять раз меньший, чем ожидавшийся.

Результат всех этих опытов был прост: нуль!

Это означало, что «эфирного ветра» нет и что неподвижного эфира, сквозь который прокладывает себе путь Земля, не существует также.

Что касается, в частности, эфира, то выход из создавшегося тупика мог показаться и не столь уж затруднительным: раз эфир в одно и то же время оказывается и подвижным и неподвижным, следовательно, предмета с подобного рода мистическими свойствами не существует вовсе!

Это «закрытие» механического эфира само по себе не могло внушать особой печали, но, по существу, оно не решало ничего.

Величайшее замешательство овладело теоретиками, размышлявшими над этим клубком загадок.

Запершись в своей студенческой каморке в Цюрихе, восемнадцатилетний Эйнштейн, как он рассказал потом сам, тщетно пытался придумать новый прибор, способный внести ясность в вопрос о движении Земли в связи с распространением света.

Весной 1905 года – через семь лет – он уже держал в своих руках ключ к тайне.

Но прежде чем выступить с ним вперед, он должен был завершить сначала то, что, считал для себя в те дни неотложным делом научной совести, делом чести, делом жизни.

Глава третья. Господин Мах и другие

1

Знамя познания объективной физической реальности, поднятое на развалинах феодального мира, – философское знамя Спинозы и французских энциклопедистов недолго удержалось, как известно, в руках европейского буржуа. Значительная часть идеологов буржуазии изменила этому знамени еще прежде, чем отгремел шум народных битв у стен Бастилии, залпы Вальми и Жемаппа.

Последним крупным вкладом буржуазной философии было открытие законов диалектики Гегелем, но прогрессивное значение этого вклада не может зачеркнуть для нас идеалистического характера гегелевской диалектики.

Задержавшись недолго на половинчатом кантианстве и пройдя через маскирующийся под «философию положительной науки» ранний позитивизм, реакционное крыло западноевропейского и американского естествознания избрало своим идеологическим стягом махистскую доктрину.

История философских подвигов Эрнста Маха и его единомышленников известна по классической работе Ленина.

«Философия естествоиспытателя Маха относится к естествознанию, как поцелуй христианина Иуды относился к Христу», – писал в «Материализме и эмпириокритицизме» Ленин.

Основная задача махизма, как философского инструмента реакционной буржуазии, состояла в том, чтобы подновить обветшалый инвентарь поповщины, подведя под нее подпорку «новейшего естествознания». Задача состояла в том, чтобы по возможности сохранить в распоряжении капитализма оба необходимых ему идеологических оружия: во-первых, духовную отраву религии и, во-вторых, теоретический аппарат естествознания как залог дальнейшего развития техники. Задача замысловатая, если учесть, что физика, химия, астрономия и все остальные науки о природе самим объективным своим содержанием расшатывают, подрывают идеалистический и религиозный миф! Задача была явно не по плечу казенным чиновникам школьной философии. Здесь требовались люди иной профессиональной выучки, иной эрудиции…

Подходящим человеком оказался физик Эрнст Мах.

В отличие от отца позитивизма Конта, посвятившего себя целиком «чистой» философии, Мах начал свою карьеру с кафедры экспериментальной физики, имел лабораторию в Граце (Австрия), был автором ряда исследований во многих конкретных областях опыта и теории. Эксперименты Маха над фотографированием звуковых волн в воздухе и анализ им механики вращения, а также инерции тел внесли положительный вклад в физику.

Всякое ренегатство вызывает чувство отвращения, и это относится к ренегатству физика-исследователя материи, растоптавшего знамя своей науки, знамя бесстрашия и победы человеческой мысли.

«Цель провозглашенного им (Махом) философского движения, – деликатно пишет по этому поводу биограф и апологет Маха Хеннинг, – была направлена против преувеличенной оценки роли человеческого разума… Интеллект отказался заниматься бессмысленными проблемами. Он оказался неспособным открыть метафизическую реальность, лежащую позади феноменов… Говорить о такой метафизической реальности потеряло смысл для науки… Цель науки надлежало переформулировать заново…»

Речь шла – в переводе на простой человеческий язык – о программе фальсификации и извращения науки под флагом «чистого опыта» и «борьбы с метафизикой». «Весь махизм боретсяс начала и до конца с «Метафизикой» естествознания, называя этим именем естественно-исторический материализм». – отметил Ленин.

Программа была задумана, что и говорить, широко! Вытравить из физики, из ее уравнений, из ее практического обихода все, что не относится к «непосредственно наблюдаемым», то бишь ощущаемым величинам, кастрировать объективную реальность, сведя ее к комплексам ощущений, приводимым в порядок по способам «экономии мышления», – не в этом ли состояло евангелие венских апостолов, с помощью, которого намеревались «покончить» с материализмом? И это называлось также программой построения феноменологической физики – физики, ограничивающей себя показаниями стрелок на приборах, записью световых и звуковых сигналов, – математической сводкой «операций», претендующих не на объяснение, а на описание явлений.

Одною из конкретных разновидностей махистской программы фальсификации физики был так называемый «энергетизм» Оствальда.

Известный этот физико-химик, составивший себе европейское имя исследованиями в области учения о растворах, занялся на склоне лет, как и Мах, подгонкой непослушных фактов под субъективно-идеалистические шаблоны. Речь шла ни больше и ни меньше как об «изъятии» из законов природы основной количественной характеристики физических форм материи – массы и о подведении под всю физику и химию лишь одного «нематериального» понятия – энергии! Ленин писал об энергетической школе как о «новой идеалистической попытке мыслить движение без материи».

С несколько иных исходных позиций включился в «новое» философское движение крупнейший математик (являвшийся в своей специальной области одним из самых видных ученых Франции) Анри Пуанкаре [10]

[Закрыть].

Для Пуанкаре содержание физических теорий являлось не столько «удобной», так сказать, стенографической записью результатов опыта, сколько вопросом «соглашения» между теоретиками. Соглашение заключается насчет употребления тех или иных физических понятий, величин, терминов… Изобретая новые понятия (в порядке вольной игры ума) и условившись относительно правил пользования ими, физики пишут затем свои уравнения, более или менее подходящие для фиксации результатов опыта. «Материя исчезает – остаются одни уравнения!»

Этот очередной «изм» получил название «конвенционализма» («конвенция» – соглашение). При некотором оттенке отличия от первоначальной махистской догмы – акцент переносился тут с ощущений субъекта на математический аппарат – суть оставалась прежней. Отказываясь от познания объективной реальности, сторонники доктрины Пуанкаре тщились подвести под здание естественных наук субъективистскую базу «чистой мысли».

Затруднения в области теории электромагнитного поля, загадка опыта Майкельсона были встречены махистским кланом с нескрываемым удовлетворением. Это был тот кризис физики, из которого деятели «новой» философии намеревались извлечь для себя немалый профит. Решение загадок природы путем проникновения в глубокие, скрытые свойства пространства, времени, материи для адептов субъективистской физики отнюдь не требовалось. Наоборот, представлялось желательным увековечить все эти познавательные неувязки как доказательство нематериальной, «мыслительной» природы вещества и света. Любая попытка построения конкретной физической теории материи отметалась с порога.

Но особую и неприкрытую ярость махизма вызывало неудержимое движение науки в мир атома.