Кузнецов Б. Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие. 5-е изд

Вид материала

Книга

Подобный материал:

• Московская Городская Педагогическая Гимназия Лаборатория №1505. Смерть и бессмертие, 171.98kb.
• Жизнь, смерть, бессмертие человека, 729.23kb.
• 1. Введение, 287.04kb.
• Реалистическая теория бессмертия, 110.65kb.
• Наша жизнь как ценность Круглый стол Цели мероприятия, 597.3kb.
• Севиндж Мамед Сулейман "жизнь, смерть, бессмертие", 535.47kb.
• …человек уходит из жизни, как выходят из трамвая: на его уход обращают внимание те,, 87.04kb.
• Учебное пособие Благовещенск Издательство бгпу 2010, 7595.36kb.
• Биография ученого - это образ его мышления, генезис идей, творческая продуктивность., 9337.25kb.
• Боливия или смерть как шаг в бессмертие. , 161.5kb.

122


молекулярным масштабам, то что остается от априорной, либо условной, трактовки термодинамики? И что остается от представления о "чистом описании", если теория, служившая эталоном такого описания, - термодинамика - переходит в теорию, где фигурируют непосредственно не наблюдаемые молекулы и их движения?


В учении о теплоте различие между макроскопической термодинамикой и механикой молекул не имеет парадоксального характера. Термодинамические законы надстраиваются на законах механики частиц и не колеблют их. Тот факт, что в больших ансамблях действуют статистические законы, не противоречит тому факту, что в мире отдельных молекул действуют абсолютно строгим и точным образом законы ньютоновой механики. В теории относительности появляется иная оценка классической механики. Дело не в том, что объяснение явлений природы не может свестись к решению простых механических задач. Дело в том, что старые законы механики оказываются неточными, строго говоря, всегда неверными. Поэтому здесь уже нельзя говорить о двух равноправных взглядах на физические явления. Здесь речь идет о выборе нового исходного образа картины мира. Вопрос идет не о сводимости или несводимости сложных закономерностей к исходному, самому простому и элементарному закону, а о том, каков именно этот закон. Если он отличается от ранее известного "очевидного" закона, то парадоксальная ситуация не может быть устранена разделом сфер влияния. Вместо равноправных аспектов появляется их иерархия.


В теории относительности учет конечной скорости света и неизменности этой величины во всех инерциальных системах представляет собой более глубокое, общее и точное воззрение. В теории относительности, подчеркнем это еще раз, речь идет о парадоксальности самых глубоких, точных и достоверных законов бытия. Мысль должна переработать не собственные апории, а то достоверное "чудо", которое лежит в основе "надличного" мира. Именно такое соотношение между теорией относительности и ньютоновой механикой позволяет дать обоснование последней, объяснить, почему при определенных значениях скорости движущихся тел наблюдения не противоречат ньютоновой механике. Тем самым все эксперименты И все данные практики, подтверждающие классическую механику Ньютона, становятся подтверждением новой механики Эйнштейна.


123


Ореол достоверности - именно он сделал теорию относительности самой удивительной теорией в истории физики. Впечатление, которое она оказала на широкие круги, объясняется прежде всего тем, что теория была непреложно достоверной и вместе с тем казалась совершенно парадоксальной. Это и вызывало интерес, подчас мучительный и всегда жгучий.


Парадоксы Зенона независимо от их логического анализа всегда считались затруднениями мысли, а не парадоксами бытия; ведь каждый понимал, что Ахиллес догонит черепаху. Парадоксы неевклидовой геометрии стали парадоксами бытия только после теории относительности. Признание достоверной, объективной, реальной парадоксальности самого бытия было связано с философскими концепциями Эйнштейна, работавшими на теорию относительности, т.е. стержневыми концепциями, перераставшими из личного мировоззрения в область идейных предпосылок теории относительности. Для Эйнштейна восприятие парадоксальных явлений - доказательство объективной природы мира, аргумент против априорного происхождения сведений о мире. За восприятиями находится объективная сущность вещей, она-то и раскрывается все больше и больше при последовательном столкновении логических конструкций с восприятиями и при вызванном этими столкновениями развитии конструкции. Классическая физика, достоверным образом описывающая мир, столкнулась с "удивительным", т.е. не укладывающимся в привычную логическую конструкцию фактом постоянства скорости света в различных, движущихся одна относительно другой системах. Привычная логическая конструкция охватывала и концепцию времени, текущего единым потоком во всем бесконечном пространстве, и ряд других фундаментальных основ классической картины мира. И вот Эйнштейн шаг за шагом создает новую универсальную конструкцию. Задача его в основном позитивная. Негативная сторона дела, т.е. разрушение старой картины мира, сводится к тому, что эта старая картина отныне трактуется как менее точное по сравнению с новой приближение к действительности. Каждая из таких картин ограничена определенными условиями, каждая может столкнуться и с течением времени столкнется с "удивительным" и путем "бегства от удивительного" перейдет в более общую и точную картину.


124


Лоренц пытался сохранить существование эфира и отнесенного к нему абсолютного движения, несмотря на результаты опыта Майкельсона. Он хотел объяснить наблюдаемую в интерферометре независимость скорости света от движения Земли, предположив, что все тела при движении относительно эфира сокращаются в своих продольных размерах. Такое сокращение Лоренц выводил из законов электродинамики, считая все тела состоящими из элементарных электрических зарядов. Движение относительно эфира вызывает силы, сдвигающие друг к другу заряды, движущиеся в эфире один за другим в направлении движения тела. Никакие электродинамические явления не требовали для своего объяснения такой гипотезы, и она была введена ad hoc специально для объяснения одного факта - отрицательного результата опыта Майкельсона и аналогичных опытов. Никакие прямые наблюдения не доказывали продольного сокращения тел при их движении в эфире. Но Лоренца это не могло смутить. Ведь линейка, которой мы измеряем в продольном направлении движущееся тело, также движется и также сокращается. Поэтому прямое измерение не может обнаружить лоренцево сокращение.


Гипотеза продольного сокращения объясняет результаты Майкельсона, не затрагивая основ классической механики. Свет распространяется в продольной трубке интерферометра медленнее, чем в поперечной, но продольная трубка сократилась и поэтому свету понадобилось то же время, что и для прохождения по поперечному плечу. Таким образом, постоянство скорости света теряет свой парадоксальный характер. Оно оказывается феноменологическим результатом взаимной компенсации двух чисто классических процессов. Один из них - замедление света благодаря движению интерферометра по отношению к эфиру, благодаря тому, что свет вынужден догонять интерферометр. Второй процесс - сокращение плеча интерферометра ровно настолько, чтобы замедленный луч прошел через трубку интерферометра в течение неизменного интервала времени. Продольное сокращение, о котором говорит Лоренц, такое же классическое явление, как сокращение отсыревшей веревки. Разница состоит в том, что сокращение отсыревшей веревки можно обнаружить


125


при помощи сухой веревки, а лоренцево сокращение нельзя обнаружить, так как в этом случае уже не может быть "сухой веревки" - несокращающегося при движении масштаба. Нетрудно видеть, что гипотеза Лоренца в очень малой степени удовлетворяет требованиям, которые Эйнштейн предъявлял научной теории. Гипотеза сокращения не сталкивается с какими-либо противоречащими ей фактами, но она не обладает "естественностью" и другими критериями "внутреннего совершенства". Именно в этом уязвимое место теории Лоренца. Она выдвинута ad hoc, она не вытекает из широких посылок, опирающихся на большой и разнообразный круг явлений. Тем не менее теория Лоренца давала простор развитию идеи относительности движения. Правда, относительность была в этой теории феноменологической. За внешней, видимой относительностью движения, вытекающей из видимого постоянства скорости света, таилось абсолютное движение, проявлявшееся в различной скорости света в неподвижных и движущихся системах. Но абсолютное движение здесь действительно таится. Если бы можно было прямым измерением обнаружить лоренцево сокращение при движении относительно эфира и отсутствие такого сокращения в неподвижных относительно эфира телах, мы имели бы доказательство абсолютного характера движения. Но обнаружить его нельзя. В теории Лоренца абсолютное движение царствует, но не управляет, царствует за кулисами видимой сцены и не управляет явлениями, доступными наблюдателю. Классическая, исходящая из абсолютного движения теория Лоренца не препятствовала поэтому разработке формального аппарата теории относительности, получению формул преобразования координат, оставлявших неизменной скорость света.


Развитие этого аппарата, установление указанных формул имело место в работах Лоренца и Пуанкаре, опубликованных почти одновременно со статьей Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел". Но в этих работах не содержалось новой физической теории, которая стала основой физической картины мира и получила название теории относительности. Решающий пункт генезиса теории относительности - это мысль о субстанциальности относительного движения, о том, что свет действительно движется с одной и той же скоростью в различных, движущихся одна относительно другой системах.


126


Это постоянство скорости света не феноменологический результат компенсации различий в скорости в силу сокращений размеров, как в теории Лоренца.


Тем самым меняется угол зрения на лоренцево сокращение. Уже не может быть речи о какой-то нормальной длине, которая сокращается при движении и сохраняется при абсолютной (отнесенной к эфиру) неподвижности. Сокращение имеет взаимный характер. Возьмем две системы XYZ и X'Y'Z', которые движутся одна относительно другой. Измерим длину стержня, покоящегося в XYZ. Когда мы его измеряем в системе X'Y'Z' (в ней он движется), длина будет меньше, чем при измерении в системе XYZ (в ней он неподвижен). Но если мы возьмем стержень, покоящийся в X'Y'Z', то длина его в системе XYZ сократится по сравнению с длиной, измеренной в X'Y'Z'! Реально ли такое сокращение? Да, реально. Размеры тел действительно сокращаются, и реальной причиной сокращения (взаимного!) служит взаимное движение систем. Конечно, взаимное сокращение движущихся стержней кажется парадоксальным, но именно таково действительное, не зависимое от наблюдения соотношение размеров движущихся тел и зависит оно от реального, взаимного смещения тел, которые легче себе представить, чем абсолютное, не отнесенное к другим телам движение, фигурирующее в классической механике.


Теория Эйнштейна выводит лоренцево сокращение из самых основных и общих понятий науки - из более строгого и точного анализа понятий времени и пространства. Из него Эйнштейн выводит объяснение нового экспериментального факта - результата опыта Майкельсона. В этом смысле теория Эйнштейна укладывается в схему "внешнего оправдания" и "внутреннего совершенства". Когда новый, крайне парадоксальный факт - постоянство скорости света в интерферометре Майкельсона - потребовал какого-то объяснения, Лоренц выдвинул концепцию, согласующуюся с этим фактом и согласующуюся с ранее известными фактами, но не вытекающую из более общего принципа однозначным и естественным образом. Эйнштейн вывел объяснение нового парадоксального факта из перестройки всей картины мира, вытекающей из новой трактовки пространства и времени, т.е. из более глубокой, общей и конкретной интерпретации всей совокупности известных науке фактов. Таким образом, "бегство от чуда" завершилось теорией, сочетающей "внешнее оправдание" с "внутренним совершенством".


127


Именно в такой эпистемологической природе теории относительности и состоит ее отличие от концепций Лоренца и Пуанкаре, появившихся одновременно с ней. В начале 1955 г. Зелиг получил от Эйнштейна следующий ответ на вопрос о независимости его открытия от работ Лоренца и Пуанкаре:


"Если заглянуть в прошлое развития теории относительности, не будет сомнений в том, что в 1905 г. она созрела для своего появления. Лоренц уже знал, что уравнениям Максвелла соответствуют преобразования, названные потом его именем, а Пуанкаре углубил эту идею. Я был знаком с фундаментальной работой Лоренца, вышедшей в 1895 г., но позднейшей работы и связанного с ней исследования Пуанкаре не знал. В этом смысле моя работа была самостоятельной. Новое в ней состояло в следующем. Лоренцевы преобразования выводились здесь не из электродинамики, а из общих соображений..." [2]


2 Seelig, 116.


В этом все дело. Эйнштейн хотел в приведенном письме подчеркнуть подготовленность теории относительности, тот факт, что в статьях, написанных одновременно с его работой "К электродинамике движущихся тел", содержались важные идеи, прокладывавшие дорогу представлению о независимости скорости света от движения инер-циальных систем. Но при всей своей скромности он не мог не сказать главного: преобразования Лоренца (указывавшие на изменение длины стержней и хода часов и на неизменность скорости света) фигурируют в теории Эйнштейна в виде универсального закона, вышедшего за пределы электродинамики, связанного с общим пониманием пространства и времени.


Исходная идея Эйнштейна - необходимость опытной проверки логической конструкции. Понятие не может априорно соответствовать действительности. Оно должно приводить к результатам, допускающим сопоставление с опытом. Абсолютное движение не выдерживает такого испытания. Таким образом, все выводы теории относительности следуют не из специально созданных предположений, а естественно вытекают из общих принципов.


128


"То, что помимо прочего характеризует теорию Oтносительности, - пишет Эйнштейн, - это эпистемологическая точка зрения. В физике нет понятия, применение которого было бы a priori необходимо или оправданно. Понятие завоевывает свое право на существование только своей ясной и однозначной связью с явлениями и соответственно с физическими опытами" [3].


Способность исходить в построении конкретных физических теорий из самых общих, казалось бы решенных, проблем бытия - характерная черта Эйнштейна. Он говорил об этом однажды Джемсу Франку:


"Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями" [4].


3 Lettres a Soloviue, 21.

4 Seelig, 118-119.


При всей неожиданности такого объяснения (теория, пересматривающая понятия пространства и времени, обязана чуть ли не инфантильности своего творца) оно содержит глубокую и в основе правильную идею. У очень многих детей и юношей интеллектуальный онтогенез в известной мере повторяет развитие человеческой мысли в целом: общие размышления о бытии (вспомним, как герой "Отрочества" пытался проверить, сохраняют ли предметы свое существование, когда он поворачивается к ним спиной) сменяются более зрелыми, но ужо частными интересами. У Эйнштейна сохранилось это ощущение первого взгляда на мир - тайна многих великих мыслителей и художников - без "взрослой" уверенности в том, что коренные проблемы мира уже решены. Такое ощущение не было вытеснено и не потускнело при накоплении специальных знаний и интересов. Он думал о понятии движения и вернулся к идее, свойственной детству человечества, - к античной идее относительности, которую заслонили позднейшие идеи механики и концепция эфира, как абсолютного тела отсчета. Эта идея была положена в основу физики после того, как попытки обнаружить


129


эфирный ветер окончились неудачей. Эйнштейн предположил, что неудача вытекает из субстанциальных оснований, из отсутствия эфира в природе и бессодержательности понятия движения, отнесенного к эфиру. Теперь оставалось сделать все выводы из принципиальной невозможности абсолютного движения, отнесенного к привилегированной системе отсчета. Таким же путем шли создатели термодинамики. Они исходили из неудач при конструировании вечного двигателя, приписали этим неудачам принципиальный характер, предположив, что в природе нет исчезновения энергии и ее возникновения из ничего. После этого термодинамика могла отказаться от искусственных гипотез и систематически развивать выводы из сохранения энергии.


Эйнштейн приложил к одному из писем Морису Соловргау следующее короткое изложение основной идеи теории относительности:


"Несмотря на разнообразие экспериментальных истоков теории относительности, ее метод и содержание могут быть охарактеризованы в нескольких словах. Еще в древности было известно, что движение воспринимается только как относительное. В противоположность такому факту физика базировалась на понятии абсолютного движения. В оптике исходят из мысли об особом, отличающемся от других движении. Таким считали движение в световом эфире. К последнему относятся все движения материальных тел. Таким образом, эфир воплотил понятие абсолютного покоя, связанного с пустотой. Если бы неподвижный, заполняющий все пространство световой эфир действительно существовал, к нему можно было бы отнести движение, которое приобрело бы абсолютный смысл. Такое понятие могло быть основой механики. Попытки обнаружить подобное привилегированное движение в гипотетическом эфире были безуспешными. Тогда вернулись к проблеме движения в эфире, и теория относительности сделала это систематически. Она исходит из предположения об отсутствии привилегированных состояний движения в природе и анализирует выводы из этого предположения. Ее метод аналогичен методу термодинамики; последняя является не чем иным, как систематическим ответом на вопрос: какими должны быть законы природы, чтобы вечный двигатель оказался невозможным" [5].


5 Lettres a Solovine, 19.


Пространство, время, энергия и масса


Принцип относительности в связи с уравненинми Максвелла требует, чтобы масса била пропорциональна содержащейся в теле энергии. Свет уносит массу. Это соображение веселое и подкупающее. Но не смеется ли господь бог над этим и не водит ли он меня за нос - этого я не могу знать.

Эйнштейн


При изложении эйнштейновских критериев выбора научной теории и при анализе отношений Эйнштейна к классической механике уже говорилось о классической концепции абсолютного времени. Это понятие не вытекает из самых общих принципов классической картины мира, из того, что мы называли "классическим идеалом" пауки. В "классическом идеале" наука рисует картину мира, где нет ничего, кроме тел, движущихся одно по отношению к другому. Под движением подразумевается изменение положения тела относительно других тел с течением времени. "Течение времени", т.е. переход от одного мгновения к другому, представляется обязательным: классическая паука не ограничивала скорости тел, но бесконечная скорость тел в ней не фигурировала; напротив, казалось естественным, что тело, находящееся в данный момент в одном месте, не может быть в тот же момент в другом месте. Поэтому в "классическом идеале" паука рисует мир в четырехмерном аспекте: если речь идет о теле и характеризуется его положение, т.е. указываются три пространственные координаты, то вместе с ними указывается и время, когда тело достигло такого положения. Предполагается, что тело, вообще говоря, пе находится в покое и, во всяком случае, покоящееся тело не участвует в каких-либо событиях. Это классическое четырехмерное представление было нарушено понятием силы, распространяющейся с бесконечной скоростью. Постулат мгновенного дальнодействия не вытекал из более общих основ классической науки, противоречил ее "внутреннему совершенству", оставался произвольным дополнением к "классическому идеалу", нарушал естественную гармонию мироздания.


131


Восстановление гармонии было "надличным" стремлением Эйнштейна, определявшим всю его жизнь и все творчество. В данном случае задача была осложнена идеей эфира. Эфир, по выражению Планка, "дитя классической науки, зачатое во скорби", стал опорой понятия одновременности и распада четырехмерного "классического идеала" на самостоятельное время (его поток охватывает все пространство и не зависит от пространственных отсчетов) и самостоятельное пространство (в нем происходят события в течение непротяженного мгновения, в нулевое время). Мы видели, что регистрация событий, происшедших в одно и то же мгновение, может иметь место даже при конечной скорости сигналов, если существует неподвижный эфир как абсолютное тело отсчета для всех тел. Два сигнала из одного источника приходят в два пункта одновременно, если источник находится на равных расстояниях от этих двух пунктов и если сигналы передаются с одной и той же скоростью. Лучи света одновременно попадают на экраны, установленные на носу и на корме корабля, если они исходят из фонаря, зажженного посередине между носом и кормой. Если существует мировой эфир и движение корабля сказывается на скорости световых сигналов, то описанная синхронизация событий (попаданий света на экраны) возможна, пока корабль недвижен по отношению к эфиру. Представим себе другой корабль, который прошел рядом с первым в момент, когда зажегся фонарь. На втором корабле тоже есть экраны, но свет попал на них не одновременно, он должен был догонять экран на носу, а экран на корме шел навстречу свету (разумеется, если есть эфир, если второй корабль движется в эфире и если это движение сказывается в скорости световых сигналов на корабле). На первом корабле знают, что одновременность попаданий света имеет абсолютный характер, ведь их корабль неподвижен в эфире, неподвижен в абсолютном смысле. Пассажиры второго движущегося корабля не смогут с ними спорить, они знают, что неодновременное освещение их экранов объясняется движением корабля. Но если эфира нет и скорость света не зависит от движения, все


132


это меняется. Пассажиры второго корабля могут утверждать, что их корабль неподвижен (скорость сигналов действительно не обнаруживает движения) и что сигналы попадают па экраны в одно и то же время. Но пассажиры первого корабля имеют столько же оснований настаивать на неподвижности своего корабля и одновременности освещения своих экранов. Вместе с абсолютным движением теряет смысл и абсолютная одновременность. События, одновременные в одной системе отсчета, будут неодновременными в другой системе, и наоборот. Теория Эйнштейна покончила с фикцией единого потока времени, охватывающего всю Вселенную. Соответственно она покончила с фикцией чисто пространственных мгновенных процессов. Наступила эра четырехмерного, пространственно-временного представления о мире.