Три фундаментальные координаты вселенной

Три фундаментальные константы c, G и h

Три фундаментальные константы c, G и h

На космологию и на передний край физики Бронштейн смотрел, можно сказать, свысока — с такого высока, откуда видно «отношение физических теорий друг к другу и к космологической теории». Так он назвал раздел в статье 1933 года «К вопросу о возможной теории мира как целого». В размышлениях об этом вопросе, привлекая историю физики и «географию» применимости разных теорий, он опирался на особую роль трех физических констант: c, G и h — скорость света, гравитационная постоянная и постоянная Планка. Константы эти входят в формулировки фундаментальных теорий, необходимых, в принципе, для описания любого физического явления. Ими можно пренебречь лишь из практических соображений, если не нужна слишком высокая точность. Константы c, G и h можно назвать фундаментальными, встроенными в фундамент мироздания. Но так было не всегда.

Скорость света c, введенная Галилеем и измеренная Ремером еще в семнадцатом веке, стала фундаментальной лишь в 1905 году в теории относительности. Гравитационная постоянная G, фактически измеренная Кавендишем в конце восемнадцатого века, а вошедшая в физику в начале девятнадцатого, обрела фундаментальность в теории гравитации-пространства-времени, завершенной в 1916 году. А постоянная h, введенная Планком в 1900 году, обрела фундаментальный статус в квантовой механике, завершенной к 1927 году.

Именно тогда, в середине 1920-х годов, Матвей Бронштейн входил в науку и вырабатывал свой cGh-взгляд на мир теоретической физики. С этой точки зрения, указанные фундаментальные теории можно называть c—теорией, cG—теорией и h—теорией. А теорию гравитации Ньютона — G—теорией. Принимая за исходный пункт исторического развития Ньютонову механику как теорию упругого удара, или физику бильярда, Бронштейн представил схемы преемственного развития и смены теорий, которые образуют cGh-карту фундаментальных теорий или (вместо глобуса) cGh-куб, изображенные на рисунке, где полужирный шрифт и сплошные рамки соответствуют теориям, уже созданным к началу 30-х годов.

cGh-карта фундаментальной физики

Иллюстрации из статьи М. Бронштейна 1933 года

N-теория (HM) — Ньютонова механика,

G-теория (ГН) — Гравитация Ньютона,

c-теория (ТО) — Теория относительности,

cG-теория (ГЭ) — Гравитация Эйнштейна,

h-теория (КМ) — Квантовая механика,

ch-теория (КЭ) — Квантовая электродинамика,

cGh-теория (КГ) — Квантовая гравитация.

(Полужирный шрифт и сплошные рамки соответствует теориям, уже созданным к началу 30-х годов.)

Три схемы, изображенные слева, образуют грани cGh-куба фундаментальных теорий (справа).

Что же касается теорий, создания которых ожидали, физики о них думали по-разному.

Из уважения к заслугам Эйнштейна начнем с него, хотя к началу 30-х годов его взгляды мало кто разделял. Как ни удивительно, физик, столько сделавший для развития квантовой теории и получивший Нобелевскую премию в основном за это, тогда уже, по существу, не признавал фундаментальный характер постоянной h. Уже лет десять Эйнштейн искал так называемую единую теорию поля, в которой гравитация и электромагнетизм — проявления некоего единого поля, и надеялся, что следствием этой теории станет квантовая теория и сама величина h. В 30-е годы у него остались лишь считанные сторонники.

Все другие теоретики считали h не менее фундаментальной константой, чем c, и ожидали ch-теорию для явлений, где важны h-свойства, а скорости близки к c. Таким, в частности, был гипотетический эффект покраснения фотонов, который Бронштейну удалось оценить и отвергнуть. Однако при всем почтении перед величайшим достижением Эйнштейна надо сказать, что роль гравитации в насущных проблемах тогдашней физики считалась — и вполне резонно — несущественной. Поэтому константа G в качестве основной выглядела гораздо менее убедительно, чем, например, элементарный электрический заряд, а также массы электрона и протона, из которых, как считалось к началу 30-х годов, построено все вещество.

Почти все теоретики, работавшие на переднем крае физики, свое внимание сосредоточивали на одной ch-грани cGh-куба, не заглядывая на cG-грань, на которой находились гравитация и космология. Да и Риманова геометрия, необходимая в теории гравитации, настолько отличалась от языка остальной физики, что лишь немногие ее освоили. Среди этих немногих был Бронштейн. Он понимал, что космология требует теорию явлений, в которых существенны и кванты и гравитация, то есть cGh-теорию.

Главная проблема космологии радикально отличается от обычных проблем физики и астрофизики, которые касаются многочисленных явлений, наблюдаемых в разных реализациях и с разных сторон. А Вселенная не только абсолютно единична, но — если верить теоретическим моделям Фридмана — Леметра — может быть в принципе не охватываема наблюдениями в силу своей бесконечности.

Оценить это отличие помогает пример Владимира Фока — выдающегося российского теоретика и виднейшего специалиста в теории гравитации. Он учился у Фридмана и его знаменитые статьи по космологии перевел по просьбе автора на немецкий язык для публикации в Германии. Не сомневаясь в математической правильности решений Фридмана, он не мог признать эти решения описанием Вселенной в целом именно потому, что целое это недоступно наблюдению.

Бронштейн студентом слушал лекции Фока и впоследствии с ним общался близко, однако космологию считал законной областью для размышлений физика-теоретика.

Для физика труднейший вопрос космологии: почему из множества возможных решений осуществилось то, которое мы наблюдаем, — расширение с определенной скоростью, радиусом кривизны и плотностью? В обычных задачах физики ответ на такого рода вопрос сводится к начальным условиям и к законам, управляющим данным явлением. В космологии ключевая проблема — как описать то начальное состояние, что привело к нынешнему — наблюдаемому — состоянию. Идея Леметра о первичном атоме и его «радиоактивном» распаде заменила формально-математическое начало яркой, но неопределенной физической метафорой. Чтобы превратить эту метафору в физику, надо было бы ответить на каверзные вопросы: почему радиоактивный распад, известный лишь для микромасштабов атомного ядра, может произойти и в мегамасштабном «ядре» всей Вселенной? Как в результате подобного распада возникла наблюдаемая однородность распределения вещества во Вселенной? И, главное, какая физическая теория управляла тем первоначальным распадом?

По мнению Бронштейна, управлять могла лишь cGh-теория.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

11. Астрономические константы

11. Астрономические константы Закон тогда закон, когда он не меняется от местоположения. Но закон ничто, если люди не договорятся об эталонах и образцах, годных для подражания.Если вам придется побывать в Англии, обратите внимание, там не найдется ни одного лысого

Источник

Три фундаментальные координаты вселенной

НОВАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

Вопрос о форме вселенной. – История вопроса. – Геометрическое и физическое пространство. – Сомнительность их отождествления. – Четвертая координата физического пространства. – Отношение физических наук к математике. – Старая и новая физика. – Основные принципы старой физики. – Пространство, взятое отдельно от времени. – Принцип единства законов. – Принцип Аристотеля. – Неопределенные величины старой физики. – Метод разделения, употребляемый вместо определения. – Органическая и неорганическая материя. – Элементы. – Молекулярное движение. – Броуновское движение. – Принцип сохранения материи. – Относительность движения. – Измерения величин. – Абсолютные единицы измерений. – Закон всемирного тяготения. – Действие на расстоянии. – Эфир. – Гипотезы о природе света. – Эксперимент Майкельсона-Морли. – Скорость света как ограничивающая скорость. – Преобразования Лоренца. – Квантовая теория. – Весомость света. – Математическая физика. – Теория Эйнштейна. – Сжатие движущихся тел. – Специальный и общий принципы относительности. – Четырехмерный континуум. – Геометрия, исправленная и дополненная согласно Эйнштейну. – Отношение теории относительности к опыту. – «Моллюск» Эйнштейна. – Конечное пространство. – Двухмерное сферическое пространство. – Эддингтон о пространстве. – Об исследовании структуры лучистой энергии. – Старая физика и новая физика.

При любой попытке изучения мира и природы человек неизбежно оказывается лицом к лицу с целым рядом вопросов, на которые он не в состоянии дать прямых ответов. Однако, от того, признает или не признает он эти вопросы, как их формулирует, как к ним относится, зависит весь дальнейший процесс его мышления о мире, а значит, и о самом себе.

Вот важнейшие из этих вопросов:

Какую форму имеет мир?

Что такое мир: хаос или система?

Возник ли мир случайно или был создан согласно некоторому плану?

И хотя это может на первый взгляд показаться странным, то или иное решение первого вопроса, т.е. вопроса о форме мира, фактические предрешает возможные ответы на другие вопросы – на второй и на третий.

Если вопросы о том, является ли мир хаосом или системой, возник он случайно или был создан согласно плану, разрешаются без предварительного определения формы мира и не вытекают из такого определения, то подобные решения неубедительны, требуют «веры» и не в состоянии удовлетворить человеческий ум. Только в том случае, когда ответы на эти вопросы вытекают из определения формы мира, они оказываются достаточно точными и определенными.

Нетрудно доказать, что господствующая ныне общая философия жизни основана на таких решениях этих трех фундаментальных вопросов, которые могли бы считаться научными в XIX веке; а открытия XX и даже конца XIX столетия до сих пор не повлияли на обычную мысль или очень слабо на нее повлияли. Нетрудно также доказать, что все дальнейшие вопросы о мире, формулировка и разработка которых составляет предмет научной, философской и религиозной мысли, возникают из этих трех фундаментальных вопросов.

Но, несмотря на свою первостепенную важность, вопрос о форме мира сравнительно редко возникал самостоятельно; обычно его включали в другие проблемы – космологические, космогонические, астрономические, геометрические, физические и т.п. Средний человек был бы немало удивлен, если бы ему сказали, что мир может иметь какую-то форму. Для него мир формы не имеет.

Однако, чтобы понять мир, необходимо иметь возможность построить некоторую модель вселенной, хотя бы и несовершенную. Такую модель мира, такую модель вселенной невозможно построить без определенной концепции формы вселенной. Чтобы сделать модель дома, нужно знать форму дома; чтобы сделать модель яблока, нужно знать форму яблока. Поэтому, прежде чем переходить к принципам, на которых можно построить новую модель вселенной, необходимо рассмотреть, хотя бы в виде краткого резюме, историю вопроса о форме вселенной, нынешнее состояние этого вопроса в науке, а также «модели», которые были построены до самого последнего времени.

Древние и средневековые космогонические и космологические концепции экзотерических систем (которые одни только и известны науке) никогда не были ни особенно ясными, ни интересными. Сверх того, вселенная, которую они изображали, была очень маленькой вселенной, гораздо меньше нынешнего астрономического мира. Поэтому я не стану говорить о них.

Наше изучение разных взглядов на вопрос о форме мира начнется с того момента, когда астрономические и физико-механические системы отказались от идеи Земли как центра мира. Исследуемый период охватывает несколько веков. Но фактически мы займемся только последним столетием в основном, периодом с конца первой четверти XIX века.

К тому времени науки, исследующие мир природы, уже давно разделились: их взаимоотношения после разделения были такими же, как и сейчас, во всяком случае, какими они были до недавнего времени.

Физика изучала явления окружающей нас материи.

Астрономия – движение «небесных тел».

Химия пыталась проникнуть в тайны строения и состава материи.

Эти три физические науки основывали свои концепции формы мира исключительно на геометрии Евклида. Геометрическое пространство принималось за физическое пространство, и между ними не делалось никаких различий; пространство рассматривалось отдельно от материи, подобно тому, как ящик и его положение можно рассматривать независимо от его содержания.

Пространство понималось, как «бесконечная сфера». Бесконечная сфера геометрически определялась только центром, т.е. любой точкой и исходящими из этой точки тремя радиусами, перпендикулярными друг другу. И бесконечная сфера рассматривалась, как совершенно аналогичная во всех отношениях и физических свойствах конечной, ограниченной сфере.

Вопрос о несоответствии между геометрическим, евклидовым трехмерным пространством, бесконечным или конечным, с одной стороны, и физическим пространством, с другой, возникал очень редко и не препятствовал развитию физики в тех направлениях, какие были для нее возможны.

Только в конце XVIII и в начале XIX века идея их возможного несоответствия, сомнение в правильности отождествления физического пространства с геометрическим сделались настоятельными; тем более нельзя было обойти их молчанием в конце XIX века.

Эти сомнения возникли, во-первых, благодаря попыткам пересмотреть геометрические основы, т.е. или доказать аксиомы Евклида, или установить их несостоятельность; во-вторых, благодаря самому развитию физики, точнее механики, той части физики, которая занята движением; ибо ее развитие привело к убеждению, что физическое пространство невозможно расположить в геометрическом пространстве, что физическое пространство постоянно выходит за пределы геометрического. Геометрическое пространство удавалось принимать за физическое, только закрывая глаза на то, что геометрическое пространство неподвижно, что оно не содержит времени, необходимого для движения, что расчет любой фигуры, являющейся результатом движения, например, такой, как винт, уже требует четырех координат.

Впоследствии изучение световых явлений, электричества, магнетизма, а также исследование строения атома настоятельно потребовали расширения концепции пространства.

Результат даже чисто геометрических умозрений относительно истинности или неистинности аксиом Евклида был двояким, с одной стороны, возникло убеждение, что геометрия является чисто теоретической наукой, которая имеет дело исключительно с аксиомами и является полностью завершенной; что к ней нельзя ничего прибавить и ничего в ней изменить; что геометрия – такая наука, которую нельзя приложить ко всем встречающимся фактам и которая оказывается верной только при определенных условиях, зато в пределах этих условий надежна и незаменима. С другой стороны, возникло разочарование в геометрии Евклида, вследствие чего появилось желание перестроить ее на новой основе, создать новую модель, расширить геометрию и превратить ее в физическую науку, которую можно было бы приложить ко всем встречающимся фактам без необходимости располагать эти факты в искусственном порядке. Первый взгляд на геометрию Евклида был правильным, второй – ошибочным; но можно сказать, что в науке восторжествовала именно вторая точка зрения, и это в значительной мере замедлило ее развитие. Но к этому пункту я еще вернусь.

Идеи Канта о категориях пространства и времени как категориях восприятия и мышления никогда не входили в научное, т.е. физическое мышление, несмотря на позднейшие попытки ввести их в физику. Научная физическая мысль развивалась независимо от философии и психологии; эта мысль всегда считала, что пространство и время обладают объективным существованием вне нас, в силу чего предполагалось возможным выразить их взаимоотношения математически.

Однако развитие механики и других физических дисциплин привело к необходимости признать четвертую координату пространства в дополнение к трем фундаментальным координатам; длине, ширине и высоте. Идея четвертой координаты, или четвертого измерения пространства, постепенно становилась все более неизбежной, хотя долгое время она оставалась своеобразным «табу».

Материал для создания новых гипотез о пространстве скрывался в работах математиков – Гаусса, Лобачевского, Заккери, Бойля и особенно Римана, который уже в пятидесятых годах прошлого века рассматривал вопрос о возможности совершенно нового понимания пространства. Никаких попыток психологического исследования проблемы пространства и времени сделано не было. Идея четвертого измерения долгое время оставалась как бы под сукном. Специалисты рассматривали ее как чисто математическую проблему, а неспециалисты – как проблему мистическую и оккультную.

Но если мы сделаем краткий обзор развития научной мысли с момента появления этой идеи в начале XIX века до сегодняшнего дня, это поможет нам понять то направление, в котором способна развиваться данная концепция; в то же время мы увидим, что она говорит нам (или может сказать) о фундаментальной проблеме формы мира.

Первый и важнейший вопрос, который здесь возникает, – это вопрос об отношении физической науки к математике. С общепринятой точки зрения считается признанным, что математика изучает количественные взаимоотношения в том же самом мире вещей и явлений, который изучают физические науки. Отсюда вытекают еще два положения: первое – что каждое математическое выражение должно иметь физический эквивалент, хотя в данный момент он, возможно, еще не открыт; и второе – что любое физическое явление можно выразить математически.

На самом же деле ни одно из этих положений не имеет ни малейшего основания; принятие их в качестве аксиом задерживает прогресс науки и мышления как раз по тем линиям, где такой прогресс более всего необходим. Но об этом мы поговорим позднее.

В следующем ниже обзоре физических наук мы остановимся только на физике. А в физике особое внимание нам необходимо обратить на механику: приблизительно с середины XVIII века механика занимала в физике господствующее положение, в силу чего до недавнего времени считалось возможным и даже вероятным найти способ объяснения всех физических явлений как явлений механических, т.е. явлений движения. Некоторые ученые пошли в этом направлении еще дальше: не довольствуясь допущением о возможности объяснить физические явления как явления движения, они уверяли, что такое объяснение уже найдено и что оно объясняет не только физические явления, но также биологические и мыслительные процессы.

В настоящее время нередко делят физику на старую и новую; это деление, в общем, можно принять, однако не следует понимать его слишком буквально.

Теперь я попробую сделать краткий обзор фундаментальных идей старой физики, которые привели к необходимости построения «новой физики», неожиданно разрушившей старую; а затем перейду к идеям новой физики, которые приводят к возможности построения «новой модели вселенной», разрушающей новую физику точно так же, как новая физика разрушила старую.

Старая физика просуществовала до открытия электрона. Но даже электрон понимался ею как существующий в том же искусственном мире, управляемом аристотелевскими и ньютоновскими законами, в котором она изучала видимые явления; иначе говоря, электрон был воспринят как нечто, существующее в том же мире, где существуют наши тела и другие соизмеримые с ними объекты. Физики не поняли, что электрон принадлежит другому миру.

Старая физика базировалась на некоторых незыблемых основаниях. Время и пространство старой физики обладали вполне определенными свойствами. Прежде всего, их можно было рассматривать и вычислять отдельно, т.е. как если бы положение какой-либо вещи в пространстве никоим образом не влияло на ее положение во времени и не касалось его. Далее, для всего существующего имелось одно пространство, в котором и происходили все явления. Время также было одним и тем же для всего существующего в мире; оно всегда и для всего измерялось по одной шкале. Иными словами, считалось допустимым, чтобы все движения, возможные во вселенной, измерялись одной мерой.

Краеугольным камнем понимания законов вселенной в целом был принцип Аристотеля, утверждавший единство законов во вселенной.

Этот принцип в его современном понимании можно сформулировать следующим образом: во всей вселенной и при всех возможных условиях законы природы обязаны быть одинаковыми; иначе говоря, закон, установленный в одном месте вселенной, должен иметь силу и в любом другом ее месте. На этом основании наука при исследовании явлений на Земле и в Солнечной системе предполагает существование одинаковых явлений на других планетах и в других звездных системах.

Данный принцип, приписываемый Аристотелю, на самом деле никогда не понимался им самим в том смысле, какой он приобрел в наше время. Вселенная Аристотеля сильно отличалась от того, как мы представляем ее сейчас. Человеческое мышление во времена Аристотеля не было похоже на человеческое мышление нашего времени. Многие фундаментальные принципы и отправные точки мышления, которые мы считаем твердо установленными, Аристотелю еще приходилось доказывать и устанавливать.

Аристотель стремился установить принцип единства законов, выступая против суеверий, наивной магии, веры в чудеса и т.п. Чтобы понять «принцип Аристотеля», необходимо уяснить себе, что ему еще приходилось доказывать, что если все собаки вообще не способны говорить на человеческом языке, то и одна отдельная собака, скажем, где-то на острове Крите, также не может говорить; или если деревья вообще не способны самостоятельно передвигаться, то и одно отдельное дерево также не может передвигаться – и т.д.

Все это, разумеется, давно забыто; теперь к принципу Аристотеля сводят идею о постоянстве всех физических понятий, таких как движение, скорость, сила, энергия и т.п. Это значит: то, что когда-то считалось движением, всегда остается движением; то, что когда-то считалось скоростью, всегда остается скоростью – и может стать «бесконечной скоростью».

Разумный и необходимый в своем первоначальном смысле, принцип Аристотеля представляет собой не что иное, как закон общей согласованности явлений, относящийся к логике. Но в его современном понимании принцип Аристотеля целиком ошибочен.

Даже для новой физики понятие бесконечной скорости, которое проистекает исключительно из «принципа Аристотеля», стало невозможным; необходимо отбросить этот принцип, прежде чем заниматься построением новой модели вселенной. Позже я вернусь к этому вопросу.

Если говорить о физике, то придется прежде всего подвергнуть анализу само определение этого предмета. Согласно школьным определениям, физика изучает «материю в пространстве и явления, происходящие в этой материи». Здесь мы сразу же сталкиваемся с тем, что физика оперирует неопределенными и неизвестными величинами, которые для удобства (или из-за трудности определения) принимает за известные, даже за понятия, не требующие определения.

В физике формально различаются: во-первых, «первичные» величины, идея которых считается присущей всем людям. Вот как перечисляет эти «первичные величины» в своем «Курсе физики» Хвольсон:

Протяженность – линейная, пространственная и объемная, т.е. длина отрезка, площадь какой-то части поверхности и объем какой-то части пространства, ограниченной поверхностями; протяженность, таким образом, является мерой величины и расстояния.

Скорость равномерного прямолинейного движения.

Естественно, это лишь примеры, и Хвольсон не настаивает на полноте перечня. На самом деле, такой перечень очень длинен: он включает понятия пространства, бесконечности, материи, движения, массы и т.д. Одним словом, почти все понятия, которыми оперирует физика, относятся к неопределенным и не подлежащим определению. Конечно, довольно часто не удается избежать оперирования неизвестными величинами. Но традиционный «научный» метод состоит в том, чтобы не признавать ничего неизвестного, а также считать «величины», не поддающиеся определению, «первичными», идея которых присуща каждому человеку. Естественным результатом такого подхода оказывается то, что все огромное здание науки, возведенное с колоссальными трудностями, стало искусственным и нереальным.

В определении физики, приведенном выше, мы встречаемся с двумя неопределенными понятиями: пространство и материя.

Я уже упоминал о пространстве на предыдущих страницах. Что же касается материи, то Хвольсон пишет:

«Употребление термина „материя“ было ограничено исключительно материей, которая способна более или менее непосредственно воздействовать на наши органы осязания».

Далее материя подразделяется на органическую (из которой состоят живые организмы – животные и растения) и неорганическую.

Такой метод разделения вместо определения применяется в физике всюду, где определение оказывается невозможным или трудным, т.е. по отношению ко всем фундаментальным понятиям. Позднее мы часто с этим встретимся.

Различие между органической и неорганической материей обусловлено только внешними признаками. Происхождение органической материи считается неизвестным. Переход от неорганической материи к органической можно наблюдать в процессах питания и роста; полагают, что такой переход имеет место только в присутствии уже существующей органической материи и совершается благодаря ее воздействию. Тайна же первого перехода остается сокрытой (Хвольсон).

С другой стороны, мы видим, что органическая материя легко переходит в неорганическую, теряя те неопределенные свойства, которые мы называем жизнью.

Было сделано немало попыток рассмотреть органическую материю как частный случай неорганической и объяснить все явления, происходящие в органической материи (т.е. явления жизни) как комбинацию физических явлений. Но все эти попытки, как и попытки искусственного создания органической материи из материи неорганической, ни к чему не привели. Тем не менее, они наложили заметный отпечаток на обще-философское «научное» понимание жизни, с точки зрения которого «искусственное создание жизни» признается не только возможным, но и уже частично достигнутым. Последователи этой философии считают, что название «органическая химия», т.е. химия, изучающая органическую материю, имеет лишь историческое значение; они определяют ее, как «химию углеродистых соединений», хотя и не могут не признать особого положения химии углеродистых соединений и ее отличия от неорганической химии.

Неорганическая материя, в свою очередь, делится на простую и сложную (и принадлежит к области химии). Сложная материя состоит из так называемых химических соединений несколько простых видов материи. Материю каждого вида можно разделить на очень малые части, называемые «частицами». Частица – это мельчайшее количество данного вида материи, которое способно проявлять, по крайней мере, главные свойства этого вида. Дальнейшие подразделения материи – молекула, атом, электрон – настолько малы, что, взятые в отдельности, не обладают уже никакими материальными свойствами, хотя на последний факт никогда не обращали достаточного внимания.

Согласно современным научным идеям, неорганическая материя состоит из 92 элементов, или единиц простой материи, хотя не все они еще открыты. Существует гипотеза, что атомы разных элементов суть не что иное, как сочетания определенного количества атомов водорода, который в данном случае считается фундаментальной, первичной материей. Есть несколько теорий о возможности или невозможности перехода одного элемента в другой; в некоторых случаях такой переход был установлен – что опять-таки противоречит «принципу Аристотеля».

Органическая материя или «углеродистые соединения», в действительности состоит из четырех элементов: водорода, кислорода, углерода и азота, а также из незначительных примесей других элементов.

Материя обладает многими свойствами, такими как масса, объем, плотность и т.п., которые в большинстве случаев поддаются определению лишь в их взаимосвязи.

Температура тела признается зависящей от движения молекул. Считается, что молекулы находятся в постоянном движении; как это определяется в физике, они непрерывно сталкиваются друг с другом и разлетаются во всех направлениях, а затем возвращаются обратно. Чем интенсивнее их движение, тем сильнее толчки при столкновениях и тем выше температура тела; такое движение называется броуновским.

Если бы подобное явление действительно имело место, это означало бы примерно следующее: несколько сотен автомобилей, движущихся в разных направлениях по большой городской площади, ежеминутно сталкиваются друг с другом и разлетаются в разные стороны, оставаясь неповрежденными.

Любопытно, что быстро движущаяся кинолента вызывает аналогичную иллюзию. Движущиеся объекты утрачивают свою индивидуальность; кажется, что они сталкиваются друг с другом и разлетаются в разных направлениях или проходят друг сквозь друга. Автор видел однажды кинофильм, на котором была снята площадь Согласия в Париже с автомобилями, летящими отовсюду и во всевозможных направлениях. Впечатление такое, будто автомобили каждое мгновение с силой сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны, все время оставаясь в пределах площади и не покидая ее.

Как может быть, чтобы материальные тела, обладающие массой, весом и очень сложной структурой, сталкивались с огромной скоростью и разлетались в стороны, не разбиваясь и не разрушаясь, – физика не объясняет.

Одним из важнейших завоеваний физики было установление принципа сохранения материи. Этот принцип состоит в признании того, что материя никогда, ни при каких физических или химических условиях не создается заново и не исчезает: общее ее количество остается неизменным. С принципом сохранения материи связаны установленные впоследствии принципы сохранения энергии и сохранения массы.

Механика – это наука о движении физических тел и о причинах, от которых может зависеть характер этого движения в отдельных частных случаях (Хвольсон).

Однако так же, как и в случае иных физических понятий, само движение не имеет в физике определения. Физика только устанавливает свойства движения: длительность, скорость, направление, без которых какое-либо явление нельзя назвать движущимся.

Разделение (и порой определение) вышеназванных свойств подменяет собой определения движения, причем установленные признаки относят к самому движению. Так, движение разделяется на прямолинейное и криволинейное, непрерывное и прерывистое, ускоренное и замедленное, равномерное и неравномерное.

Установление принципа относительности движения привело к целой серии выводов; возник вопрос если движение материальной точки можно определить только ее положением относительно других тел и точек, как определить это движение в том случае, когда другие тела и точки тоже движутся? Этот вопрос стал особенно сложным, когда было установлено (не просто философски, в смысле гераклитовского panta ret, но вполне научно, с вычислениями и диаграммами), что во вселенной нет ничего неподвижного, что все без исключения так или иначе движется, что одно движение можно установить лишь относительно другого. Вместе с тем, были установлены и случаи кажущейся неподвижности. Так, выяснилось, что отдельные составные части равномерно движущейся системы тел сохраняют одинаковое положение по отношению друг к другу, как если бы вся система была неподвижной. Таким образом, предметы внутри быстро движущегося вагона ведут себя совершенно так же, как если бы этот вагон стоял неподвижно. В случае двух или более движущихся систем, например, в случае двух поездов, которые идут по разным путям в одинаковом или противоположном направлениях, оказывается, что их относительная скорость равна разности между скоростями или их сумме в зависимости от направления движения. Так, два поезда, движущиеся навстречу друг другу, будут сближаться со скоростью, равной сумме их скоростей. Для одного поезда, который обгоняет другой, второй поезд будет двигаться в направлении, противоположном его собственному, со скоростью, равной разности между скоростями поездов. То, что обычно называют скоростью поезда, есть скорость, приписываемая поезду, наблюдаемому во время его передвижения между двумя объектами, которые для него являются неподвижными, например, между двумя станциями, и т.п.

Изучение движения вообще, и колебательного и волнового движения в частности, оказало на развитие физики огромное влияние. В волновом движении увидели универсальный принцип; были предприняты попытки свести все физические явления к колебательному движению.

Одним из фундаментальных методов физики является метод измерения величин.

Измерение величин базируется на определенных принципах; важнейший из них – принцип однородности, а именно: величины, принадлежащие к одному и тому же порядку и отличающиеся друг от друга лишь в количественном отношении, называются однородными величинами; считается доступным сравнивать их и измерять одну по отношению к другой. Что же касается различных по порядку величин, то измерять одну из них по отношению к другой признано невозможным.

К несчастью, как уже было сказано выше, в физике лишь немногие величины определяются; обычно же определения заменяются наименованием.

Но поскольку всегда могут возникнуть ошибки в наименованиях и качественно различные величины получают одинаковые наименования, и наоборот, качественно идентичные величины будут названы по-разному, физические величины оказываются ненадежными. Это тем более так, что здесь чувствуется влияние принципа Аристотеля, т.е. величина, однажды признанная в качестве величины определенного порядка, всегда оставалась величиной этого порядка. Разные формы энергии перетекали одна в другую, материя переходила из одного состояния в другое; но пространство (или часть пространства) всегда оставалось пространством, время – временем, движение всегда оставалось движением, скорость – скоростью и т.п.

На этом основании было решено считать несоизмеримыми такие величины, которые являются качественно разнородными. Величины, отличающиеся только количественно, считаются соизмеримыми.

Продолжая рассматривать измерение величин, необходимо указать, что единицы измерения, которыми пользуются в физике, довольно случайны и не связаны с измеряемыми величинами. Единицы измерения обладают только одним общим свойством – все они откуда-то заимствованы. Ни разу еще самое характерное свойство данной величины не принималось за его меру.

Искусственность мер в физике, конечно, ни для кого не секрет, и с пониманием этой искусственности связаны, например, попытки установить единицей длины часть меридиана. Естественно, эти попытки ничего не меняют; брать ли в качестве единицы измерения какую-то часть человеческого тела, «фут», или часть меридиана, «метр», обе они одинаково случайны. Но в действительности вещи содержат в себе свои собственные меры; и найти их – значит, понять мир. Физика лишь смутно об этом догадывается, но до сих пор к таким мерам даже не приблизилась.

В 1900 году проф. Планк создал систему «абсолютных единиц», в основу которой положены «универсальные константы», а именно: первая – скорость света в вакууме; вторая – гравитационная постоянная; третья – постоянная величина, которая играет важную роль в термодинамике (энергия, деленная на температуру); четвертая – постоянная величина, называемая «действием» (энергия, умноженная на время), которая представляет собой наименьшее возможное количество работы, ее «атом».

Пользуясь этими величинами, Планк получил систему единиц, которую считает абсолютной и совершенно независимой от произвольных решений человека; он принимает свою систему за натуральную. Планк утверждает, что эти величины сохраняют свое естественное значение до тех пор, пока остаются неизменными закон всемирного тяготения, скорость распространения света в вакууме и два основных принципа термодинамики; они будут одними и теми же для любых разумных существ при любых методах определения.

Однако закон всемирного тяготения и закон распространения света в вакууме – два самых слабых пункта в физике, поскольку на самом деле они являются вовсе не тем, за что их принимают. Поэтому вся система мер, предложенная Планком, весьма ненадежна. Интересен здесь не столько результат, сколько сам принцип, т.е. признание необходимости отыскать естественные меры вещей.

Закон всемирного тяготения был сформулирован Ньютоном в его книге «Математические принципы натуральной философии», которая вышла в Лондоне в 1687 году. Этот закон с самого начала известен в двух формулировках: научной и популярной.

Научная формулировка такова:

Между двумя телами в пространстве наблюдаются явления, которые можно описать, предполагая, что два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

А вот популярная формулировка:

Два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Во второй формулировке совершенно забыто то, что сила притяжения представляет собой фиктивную величину, принятую лишь для удобства описания явлений. И сила притяжения считается реально существующей, как между Солнцем и Землей, так и между Землей и брошенным камнем.

(Последняя электромагнитная теория гравитационных полей догматизирует вторую точку зрения.)

Проф. Хвольсон пишет в своем «Курсе физики»:

Колоссальное развитие небесной механики, полностью основанной на законе всемирного тяготения, признанного как факт, заставило ученых забыть чисто описательный характер этого закона и увидеть в нем окончательную формулировку действительно существующего физического явления.

В законе Ньютона особенно важно то, что он дает очень простую математическую формулу, которую можно применять во всей вселенной и на основании которой с поразительной точностью вычислять любые движения, в том числе движения планет и небесных тел. Конечно, Ньютон никогда не утверждал, что он выражает факт действительного притяжения тел друг к другу; не определил он и того, почему они притягивают друг друга и посредством чего.

Каким образом Солнце может влиять на движение Земли через пустое пространство? Как вообще понимать возможность действия через пустое пространство? Закон тяготения не дает ответа на этот вопрос, и сам Ньютон вполне это понимал. И он сам, и его современники Гюйгенс и Лейбниц предостерегали против попыток видеть в законе Ньютона решение проблемы действия через пустое пространство; для них этот закон был просто формулой для вычислений. Тем не менее, огромные достижения физики и астрономии, возможные благодаря использованию закона Ньютона, стали причиной того, что ученые забыли эти предостережения; и постепенно укрепилось мнение, что Ньютон открыл силу притяжения.

Хвольсон пишет в своем «Курсе физики»:

Термин «действие на расстоянии» обозначает одну из самых вредных доктрин, когда-либо возникавших в физике и тормозивших ее прогресс; эта доктрина допускает возможность мгновенного воздействия одного предмета на другой, находящийся на таком расстоянии от него, что непосредственный их контакт оказывается невозможным.

В первой половине XIX века идея действия на расстоянии господствовала в науке безраздельно. Фарадей был первым, кто указал на недопустимость воздействия какого-то тела на некоторую точку, в которой это тело не расположено, без промежуточной среды. Оставив в стороне вопрос о всемирном тяготении, он обратил особое внимание на явления электричества и магнетизма и указал на чрезвычайно важную роль в этих явлениях «промежуточной среды», которая заполняет пространство между телами, как будто бы действующими друг на друга непосредственно.

В настоящее время убеждение о недопустимости действия на расстоянии в любой сфере физических явлений получило всеобщее признание.

Однако старая физика смогла отбросить действие на расстоянии лишь после того, как приняла гипотезу универсальной среды, или эфира. Эта гипотеза оказалась необходимой и для теории световых и электрических явлений, как они понимались старой физикой.

В XVIII веке световые явления объяснялись гипотезой излучения, выдвинутой в 1704 году Ньютоном. Эта гипотеза предполагала, что светящиеся тела излучают во всех направлениях мельчайшие частицы особой световой субстанции, которые распространяются в пространстве с огромной скоростью и, попадая в глаз, вызывают в нем ощущение света. В этой гипотезе Ньютон развивал идеи древних; у Платона, например, часто встречается выражение: «свет наполнил мои глаза».

Позднее, главным образом в XIX веке, когда внимание исследователей обратилось на те последствия световых явлений, которые невозможно объяснить гипотезой излучения, широкое распространение получила другая гипотеза, а именно, гипотеза волновых колебаний эфира. Впервые она была выдвинута голландским физиком Гюйгенсом в 1690 году, однако в течение долгого времени не принималась наукой. Впоследствии исследование дифракции все-таки качнуло чашу весов в пользу гипотезы световых вон и против гипотезы излучения; а последующие труды физиков в области поляризации света завоевали этой гипотезе всеобщее признание.

В волновой гипотезе световые явления объясняются по аналогии со звуковыми. Подобно тому, как звук есть результат колебаний частиц звучащего тела и распространяется благодаря колебаниям частиц воздуха или иной упругой среды, так, согласно этой гипотезе, и свет есть результат колебаний молекул светящегося тела, а его распространение происходит благодаря колебаниям чрезвычайно упругого эфира, заполняющего как межзвездные, так и межмолекулярные пространства.

В XIX веке теория колебаний постепенно стала основанием всей физики. Электричество, магнетизм, тепло, свет, даже мышление и жизнь (правда, чисто диалектически) объяснялась с точки зрения теории колебаний. Нельзя отрицать, что для явлений света и электромагнетизма теория колебаний давала очень удобные и простые формулы для вычислений. На основе теории колебаний был сделан целый ряд блестящих открытий и изобретений.

Но для теории колебаний требовался эфир. Гипотеза об эфире возникла для объяснения самых разнородных явлений, и потому эфир приобрел довольно странные и противоречивые свойства. Он вездесущ; он заполняет всю вселенную, пронизывает все ее точки, все атомы и межатомные пространства. Он непрерывен и обладает абсолютной упругостью; однако он настолько разрежен, тонок и проницаем, что все земные и небесные тела проходят сквозь него, не испытывая заметного противодействия своему движению. Его разреженность настолько велика, что если бы эфир сгустился в жидкость, вся его масса в пределах Млечного Пути поместилась бы в одном кубическом сантиметре.

Вместе с тем, сэр Оливер Лодж считает, что плотность эфира в миллиард раз выше плотности воды. С этой точки зрения, мир оказывается состоящим из твердой субстанции – «эфира», – которая в миллионы раз плотнее алмаза; а известная нам материя, даже самая плотная, всего лишь пустое пространство, пузырьки в массе эфира.

Было предпринято немало попыток доказать существование эфира или обнаружить факты, подтверждающие его существование.

Так, допускалось, что существование эфира можно было бы установить, если бы удалось доказать, что какой-то луч света, движущийся быстрее, чем другой луч света, определенным образом меняет свои характеристики.

Известен следующий факт: высота звука возрастает или понижается в зависимости от того, приближается слушатель к его источнику или удаляется от него. Это так называемый принцип Доплера; теоретически его считали применимым и к свету. Он означает, что быстро приближающийся или удаляющийся предмет должен менять свой цвет – подобно тому, как гудок приближающегося или удаляющегося паровоза меняет свою высоту. Но из-за особого устройства глаза и скорости его восприятия невозможно ожидать, что глаз заметит перемену цвета, даже если она действительно имеет место.

Для установления факта изменения цвета необходимо было использовать спектроскоп, т.е. разложить луч света и наблюдать каждый цвет в отдельности. Но эти эксперименты не дали положительных результатов, так что доказать с их помощью существование эфира не удалось.

И вот, чтобы раз и навсегда решить вопрос о том, существует эфир или нет, американские ученые Майкельсон и Морли в середине 80-х годов прошлого столетия предприняли серию экспериментов с прибором собственного изобретения.

Прибор помещался на каменной плитке, укрепленной на деревянном поплавке, который вращался в сосуде со ртутью и совершал один оборот за шесть минут. Луч света из особой лампы падал на зеркала, прикрепленные к вращающемуся поплавку; этот свет частью проходил сквозь них, а частью ими отражался, причем одна половина лучей шла по направлению движения Земли, а другая – под прямым углом к нему. Это значит, что в соответствии с планом эксперимента половина луча двигалась с нормальной скоростью света, а другая половина – со скоростью света плюс скорость вращения Земли. Опять-таки согласно плана эксперимента, при соединении расщепленного луча должны были обнаружиться определенные световые феномены, возникающие вследствие различия скоростей и показывающие относительное движение между Землей и эфиром. Таким образом, косвенно удалось бы доказать существование эфира.

Наблюдения производились в течение длительного времени, как днем, так и ночью; но обнаружить какие-либо явления, подтверждающие существование эфира, так и не удалось.

С точки зрения первоначальной задачи пришлось признать, что эксперимент окончился неудачей. Однако он раскрыл другое явление (гораздо более важное, чем то, которое пытался установить), а именно: скорость света увеличить невозможно. Луч света, двигавшийся вместе с Землей, ничем не отличался от луча света, двигавшегося под прямым углом к движению Земли по орбите.

Пришлось признать как закон, что скорость света представляет собой постоянную и максимальную величину, увеличить которую невозможно. Это, в свою очередь, объясняло, почему к явлениям света не применим принцип Доплера. Кроме того, было установлено, что общий закон сложения скоростей, который является основой механики, к скорости света не применим.

В своей книге об относительности проф. Эйнштейн объясняет, что если мы представим себе поезд, несущийся со скоростью 30 км в секунду, т.е. со скоростью движения Земли, и луч света будет догонять или встречать его, то сложения скоростей в этом случае не произойдет. Скорость света не возрастет за счет прибавления к ней скорости поезда, и не уменьшится за счет вычитания из нее скорости поезда.

В то же время было установлено, что никакие существующие инструменты или средства наблюдения не могут перехватить движущийся луч. Иными словами, нельзя уловить конец луча, который еще не достиг своего назначения. Теоретически мы можем говорить о лучах, которые еще не достигли некоторого пункта; но на практике мы не способны их наблюдать. Следовательно, для нас с нашими средствами наблюдения распространение света оказывается мгновенным.

Одновременно физики, которые анализировали результаты эксперимента Майкельсона-Морли, объясняли его неудачу присутствием новых и неизвестных явлений, порожденных высокими скоростями.

Первые попытки разрешить этот вопрос были сделаны Лоренцом и Фицджеральдом. Опыт не мог удаться, – так сформулировал свои положения Лоренц, – ибо каждое тело, движущееся в эфире, само подвергается деформации, а именно: оно сокращается в направлении движения (для наблюдателя, пребывающего в покое). Основывая свои рассуждения на фундаментальных законах механики и физики, Лоренц с помощью ряда математических построений показал, что установка Майкельсона и Морли подвергалась сокращению и размеры этого сокращения как раз таковы, чтобы уравновесить смещение световых волн, которое соответствовало их направлению в пространстве, и что это аннулировало различия в скорости двух лучей.

Выводы Лоренца о предполагаемом смещении и сокращении движущегося тела, в свою очередь, дали толчок многим объяснениям; одно из них было выдвинуто с точки зрения специального принципа относительности Эйнштейна. Но это уже область новой физики.

Старая физика была неразрывно связана с теорией колебаний.

Новой теорией, которая появилась, чтобы заменить старую теорию колебаний, стала теория корпускулярного строения света и электричества, рассматриваемых как независимо существующая материя, состоящая из квантов.

Это новое учение, говорит Хвольсон, означает возвращение к теории излучений Ньютона, хотя и в значительно измененном варианте. Оно далеко еще от завершения, и важнейшая его часть, понятие кванта, до сих пор остается не определенным. Что такое квант – этого новая физика определить не может.

Теория корпускулярного строения света и электричества совершенно переменила воззрения на электричество и световые явления. Наука перестала видеть главную причину электрических явлений в особых состояниях эфира и вернулась к старой теории, согласно которой электричество – это особая субстанция, обладающая реальным существованием.

То же самое произошло и со светом. Согласно современным теориям, свет – это поток мельчайших частиц, несущихся в пространстве со скоростью 300 000 км в секунду. Это не корпускулы Ньютона, а особого рода материя-энергия, создаваемая электромагнитными вихрями.

Материальность светового потока была установлена в опытах московского профессора Лебедева. Лебедев доказал, что свет имеет вес, т.е. падая на тела, он оказывает на них механическое давление. Характерно, что, начиная свои эксперименты по определению светового давления, Лебедев исходил из теории колебаний эфира. Этот случай показывает, как старая физика сама себя опровергла.

Открытие Лебедева оказалось очень важным для астрономии; оно объяснило, например, некоторые явления, наблюдавшиеся при прохождении хвоста кометы около Солнца. Но особую важность оно приобрело для физики, поскольку предоставило новые доводы в пользу единства строения лучистой энергии.

Невозможность доказать существование эфира, установление абсолютной и постоянной скорости света, новые теории света и электричества и, прежде всего, исследование строения атома – все это указывало на самые интересные линии развития новой физики.

Из этого направления физики развилась еще одна дисциплина новой физики, получившая название математической физики. Согласно данному ей определению, математическая физика начинается с какого-то факта, подтвержденного опытом и выражающего некоторую упорядоченную связь между явлениями. Она облекает эту связь в математическую форму, после чего как бы переходит в чистую математику и начинает исследовать при помощи математического анализа те следствия, которые вытекают из основных положений (Хвольсон).

Таким образом, представляется, что успех или неуспех выводов математической физики зависит от трех факторов: во-первых, от правильности или неправильности определения исходного факта; во-вторых, от правильности его математического выражения; и в третьих, от точности последующего математического анализа.

Было время, когда значение математической физики сильно преувеличивали, – пишет Хвольсон. – Ожидалось, что именно математическая физика определит принципиальный курс в развитии физики, но этого не случилось. В выводах математической физики налицо множество существенных ошибок. Во-первых, они совпадают с результатами прямого наблюдения обычно только в первом, грубом приближении. Причина этого та, что предпосылки математической физики можно считать достаточно точными лишь в самых узких пределах; кроме того, эти предпосылки не принимают во внимание целый ряд сопутствующих обстоятельств, влиянием которых вне этих узких предпосылок нельзя пренебрегать. Поэтому выводы математической физики относятся только к идеальным случаям, которые невозможно осуществить на практике и которые зачастую очень далеки от действительности.

К этому необходимо добавить, что методы математической физики позволяют решать специальные проблемы лишь в самых простых случаях. Но практическая физика не в состоянии ограничиваться такими случаями; ей то и дело приходится сталкиваться с проблемами, которые математическая физика разрешить не может. Более того, результаты выводов математической физики бывают настолько сложными, что практическое их применение оказывается невозможным.

В дополнение к сказанному нужно упомянуть еще одну характерную особенность математической физики: как правило, ее выводы можно сформулировать только математически; они теряют всякий смысл, всякое значение, если попытаться истолковать их на языке фактов.

Новая физика, развившаяся из математической физики, обладает многими ее чертами. Так, теория относительности Эйнштейна является новой главой новой физики, возникшей из физики математической, но неверно отождествлять теорию относительности с новой физикой, как это делают некоторые последователи Эйнштейна. Новая физика может существовать и без теории относительности. Но с точки зрения новой модели вселенной теория относительности представляет для нас большой интерес, потому что она, помимо прочего, имеет дело с фундаментальным вопросом о форме мира.

Существует огромная литература, посвященная изложению, объяснению, популяризации, критике и разработке принципов Эйнштейна; но по причине тесной связи между теорией относительности и математической физикой, выводы из этой теории трудно сформулировать логически. Необходимо принять во внимание и то, что ни самому Эйнштейну, ни кому-либо из его многочисленных последователей и толкователей не удалось объяснить смысл и сущность его теории ясным и понятным образом.

Одна из главных причин этого указана Бертраном Расселом в его популярной книжке «Азбука относительности». Он пишет, что название «теория относительности» вводит читателей в заблуждение, что Эйнштейну приписывают тенденцию доказать, что «все относительно» тогда как на самом деле он стремится открыть и установить то, что не является относительным. Было бы еще правильнее сказать, что Эйнштейн старается установить взаимоотношения между относительным и тем, что не является относительным.

Далее Хвольсон пишет в своем «Курсе физики»:

Главное место в теории относительности Эйнштейна занимает совершенно новая и, на первый взгляд, непонятная концепция времени. Чтобы привыкнуть к ней, необходимы определенные усилия и продолжительная работа над собой. Но бесконечно труднее принять многочисленные следствия, вытекающие из принципа относительности и оказывающие влияние на все без исключения области физики. Многие из этих следствий явно противоречат тому, что принято (хотя и не всегда справедливо) называть «здравым смыслом». Некоторые такие следствия можно назвать парадоксами нового учения.

Идеи Эйнштейна о времени можно сформулировать следующим образом:

Каждая из двух систем, движущихся друг относительно друга, имеет свое собственное время, воспринимаемое и измеряемое наблюдателем, движущимся вместе с одной из систем.

Понятия одновременности в общем смысле не существует. Два события, которые происходят в разных системах, могут казаться одновременными наблюдателю в каком-то одном пункте, а для наблюдателя в другом пункте они могут происходить в разное время. Возможно, для первого наблюдателя одно и то же явление произойдет раньше, а для второго – позже (Хвольсон).

Далее Хвольсон выделяет следующие из идей Эйнштейна:

Эфира не существует.

Понятие пространства, взятое в отдельности, лишено смысла. Только сосуществование пространства и времени реально.

Энергия обладает инертной массой. Энергия аналогична материи; имеет место преобразование того, что мы называем масой осязаемой материи, в массу энергии, и наоборот.

Необходимо отличать геометрическую форму тела от его кинетической формы.

Последнее положение указывает на определенную связь между теорией Эйнштейна и положениями Лоренца и Фицджеральда относительно сокращения движущихся тел. Эйнштейн принимает это положение, хотя говорит, что основывает его на других принципах, нежели Лоренц и Фицджеральд, а именно: на специальном принципе относительности. Вместе с тем, теория относительности принимает, как необходимое основание, теорию сокращения тел, выводимую не из фактов, а из преобразований Лоренца.

Пользуясь исключительно преобразованиями Лоренца, Эйнштейн утверждает, что жесткий стержень, движущийся в направлении своей длины, будет короче того же стержня, пребывающего в состоянии покоя; чем быстрее движется такой стержень, тем короче он становится. Стержень, движущийся со скоростью света, утрачивает третье измерение и превращается в свое собственное свечение.

Сам Лоренц утверждал, что, когда электрон движется со скоростью света, он исчезает.

Эти утверждения доказать невозможно, поскольку такие сжатия, если они действительно происходят, слишком незначительны при возможных для нас скоростях. Тело, которое движется со скоростью Земли, т.е. 30 км в секунду, должно, согласно расчетам Лоренца и Эйнштейна, испытывать сжатие в 1:100000 своей длины; иными словами, тело длиной в 100 м сократится на 1 мм.

Интересно отметить, что предположения о сжатии движущегося тела коренным образом противоречат установленному новой физикой принципу возрастания энергии и массы движущегося тела. Этот принцип верен, хотя все еще не разработан. Позднее будет показано, что этот принцип, смысл которого еще не раскрыт новой физикой, является одним из оснований для новой модели вселенной.

Переходя к фундаментальной теории Эйнштейна, изложенной им самим, мы видим, что она состоит из двух «принципов относительности»: «специального» и «общего».

Предполагается, что «специальный принцип относительности» устанавливает на основе общей закономерности возможность совместного рассмотрения фактов общей относительности движения, которые с обычной точки зрения кажутся противоречивыми; точнее, здесь имеется в виду то, что все скорости являются относительными, хотя скорость света остается безотносительной, конечной и «максимальной». Эйнштейн находит выход из затруднений, созданных всеми этими противоречиями, во-первых, благодаря пониманию времени, согласно формуле Минковского, как воображаемой величины, выражаемой отношением данной скорости к скорости света; во-вторых, благодаря целому ряду совершенно произвольных предположений на грани физики и геометрии; в третьих, благодаря подмене прямых исследований физических явлений и их взаимоотношений чисто математическими операциями с преобразованиями Лоренца, результаты которых, по мнению Эйнштейна, выявляют законы, управляющие физическими явлениями.

«Общий принцип относительности» вводится там, где необходимо согласовать идею бесконечности пространства-времени с законами плотности материи и законами тяготения в доступном наблюдению пространстве.

Короче говоря, «специальный» и «общий» принципы относительности необходимы для согласования противоречивых теорий на границе между старой и новой физикой.

Основная тенденция Эйнштейна состоит в том, чтобы рассматривать математику, геометрию и физику как одно целое.

Это, конечно, совершенно правильно: все три должны составлять одно. Но «должны составлять» еще не значит, что они действительно едины. Смешение этих двух понятий и есть главный недостаток теории относительности.

В своей книге «Теория относительности» Эйнштейн пишет:

Пространство есть трехмерный континуум. Сходным образом, мир физических явлений, который Минковский кратко называет «миром», является четырехмерным в пространственно-временном смысле. Ибо он состоит из отдельных событий, каждое их которых обозначается четырьмя числами, а именно: тремя пространственными координатами и временной координатой.

То, что мы не привыкли рассматривать мир как четырехмерный континуум, – следствие того, что до появления теории относительности время в физике играло совсем иную и более независимую роль по сравнению с пространственными координатами. Именно поэтому мы привыкли подходить ко времени как к независимому континууму. Согласно классической механике, время абсолютно, т.е. не зависит от положения и условий движения в системе координат.

Четырехмерный способ рассмотрения «мира» является естественным для теории относительности, поскольку согласно этой теории, время лишено независимости.

Но открытие Минковского, представлявшее особую важность для формального развития теории относительности, заключается не в этом. Его скорее следует усмотреть в признании Минковским того обстоятельства, что четырехмерный пространственно-временной континуум теории относительности в своих главных формальных свойствах демонстрирует явное родство с трехмерным континуумом евклидова геометрического пространства. Чтобы надлежащим образом подчеркнуть это родство, мы должны заменить обычную временную координату t мнимой величиной v–1·ct, которая пропорциональна ей. При этих условиях естественные законы, удовлетворяющие требованиям (специальной) теории относительности, принимают математические формы, в которых временная координата играет точно такую же роль, что и пространственные координаты. Формально эти четыре координаты соответствуют пространственным координатам евклидовой геометрии».

Формула v–1·ct означает, что время любого события берется не само по себе, а как мнимая величина по отношению к скорости света, т.е. что в предполагаемое «метагеометрическое» выражение вводится чисто физическое понятие.

Длительность времени t умножается на скорость света c и на квадратный корень из минус единицы v–1, который, не меняя величины, делает ее мнимой.

Это вполне ясно. Но в связи с цитированным выше отрывком необходимо отметить, что Эйнштейн рассматривает «мир» Минковского как развитие теории относительности, тогда как на самом деле, наоборот, специальный принцип относительности построен на теории Минковского. Если предположить, что теория Минковского вытекает из принципа относительности, тогда, как и в случае теории Фицджеральда и Лоренца о линейном сокращении движущихся тел, остается непонятным, на какой основе построен принцип относительности.

Во всяком случае, для построения принципа относительности требуется специально разработанный материал.

В самом начале своей книги Эйнштейн пишет, что для согласования друг с другом некоторых выводов из наблюдений за физическими явлениями необходимо пересмотреть определенные геометрические понятия.

«Геометрия», – пишет он, – означает «землемерие». Как математика, так и геометрия обязаны своим происхождением потребности узнать нечто о свойствах разных вещей.» На этом основании Эйнштейн считает возможным «дополнить геометрию», заменив, например, понятие прямых линий понятием жестких стержней. Жесткие стержни подвергаются изменениям под влиянием температуры, давления и т.п.; они могут расширяться и сокращаться. Все это, разумеется, должно значительно изменить «геометрию».

Дополненная таким образом геометрия, – пишет Эйнштейн, – очевидно, становится естественной наукой; и ее надо считать отраслью физики.

Я придаю особую важность изложенному здесь взгляду на геометрию, потому что без этого было бы невозможно построить теорию относительности.

Евклидову геометрию необходимо отбросить.

Следующий важный пункт теории Эйнштейна – оправдание применяемого математического метода.

Опыт привел к убеждению, – говорит он, – что, с одной стороны, принцип относительности (в ограниченном понимании) является правильным, а с другой стороны, скорость распространения света в пустоте следует считать постоянной величиной.

Согласно Эйнштейну, сочетание этих двух положений обеспечивает закон преобразований для четырех координат, определяющих время и место события.

Каждый общий закон природы должен быть сформулирован таким образом, чтобы его можно было преобразовать в совершенно одинаковый по форме закон, где вместо пространственно-временных переменных первоначальной системы координат введены пространственно-временные переменные другой системы координат. В этой связи, математические соотношения между величинами первого порядка и величинами второго порядка даются преобразованиями Лоренца. Или кратко: общие законы природы ковариантны относительно преобразований Лоренца.

Утверждение Эйнштейна о ковариантности законов природы относительно преобразований Лоренца – наиболее ясная иллюстрация его позиции. Начиная с этого момента, он полагает возможным приписывать явлениям те же изменения, которые находит в преобразованиях. Это как раз тот самый метод математической физики, который давно уже осужден и который упоминал Хвольсон в цитированном выше отрывке.

В «Теории относительности» есть глава под названием «Опыт и специальная теория относительности.»

В какой мере специальная теория относительности подкрепляется опытом? Нелегко ответить на этот вопрос, – пишет Эйнштейн. – Специальная теория относительности выкристаллизовалась из теории электромагнитных явлений Максвелла-Лоренца. Таким образом, все факты опыта, которые подтверждают электромагнитную теорию, подтверждают также и теорию относительности.

Эйнштейн с особой остротой чувствует, как необходимы ему факты, чтобы поставить свою теорию на прочную основу. Но факты удается найти только в области невидимых величин – ионов и электронов.

Классической механике необходимо было измениться, прежде чем она смогла стать на один уровень со специальной теорией относительности. Однако в главной своей части эти изменения относятся лишь к законам больших скоростей, когда скорости движения материальных частиц не слишком малы по сравнению со скоростью света. Мы имеем опыт таких скоростей только в случае электронов и ионов, для других случаев движения, являющихся вариациями законов классической механики, изменения величин слишком малы, чтобы их удалось точно определить на практике.

Переходя к общей теории относительности, Эйнштейн пишет:

Классический принцип относительности для трехмерного пространства с временной координатой t (реальная величина) нарушается фактом постоянной скорости света.

Но этот факт постоянной скорости света нарушается искривлением светового луча в гравитационных полях, что, в свою очередь, требует новой теории относительности и пространства, определяемого гауссовой системой координат для неевклидова континуума.

Гауссова система координат отличается от декартовой тем, что ее можно применить к пространству любого рода независимо от его свойств. Она автоматически приспосабливается к любому пространству, в то время как декартова система координат требует пространства с определенными свойствами, т.е. геометрического пространства.

Продолжая сравнение специальной и общей теорий относительности, Эйнштейн пишет:

Специальная теория относительности применяется в тех областях, где не существует гравитационного поля. В этой связи, примером является твердое тело-эталон в состоянии движения, т.е. твердое тело, движение которого выбрано таким образом, что к нему применимо положение об однородном прямолинейном движении «изолированных» материальных точек.

Чтобы сделать ясными принципы общей теории относительности, Эйнштейн сравнивает сферу пространства-времени с диском, который равномерно вращается вокруг центра в собственной плоскости. Наблюдатель, находящийся на этом диске, считает, что диск «пребывает а покое»; а силу, действующую на него и вообще на все тела, покоящиеся относительно диска, он принимает за силу гравитационного поля.

Этот наблюдатель, находясь на своем диске, проводит опыты с часами и измерительными стержнями. Проводя эти опыты, он намерен получить точные данные о времени и пространстве в пределах своего диска.

Для начала он помещает одни из двух одинаково устроенных часов в центре диска, а другие – на его краю, так что и те, и другие находятся относительно диска в покое.

Таким образом, на нашем диске, или, в более общем случае, в любом гравитационном поле, часы в зависимости от своего местоположения будут, пребывая в «покое», отставать или спешить. По этой причине правильное определение времени при помощи часов, пребывающих в покое относительно некоторого эталона, оказывается невозможным. Сходная трудность возникает, если мы попытаемся применить в этом случае традиционное определение одновременности.

Определение пространственных координат также представляет собой непреодолимые трудности. Если наблюдатель, движущийся вместе с диском, пользуется своим стандартным измерительным стержнем (достаточно коротким по сравнению с длиной радиуса диска), располагая его по касательной к краю диска, тогда. длина этого стержня окажется меньше действительной, поскольку движущиеся тела укорачиваются в направлении движения. Наоборот, измерительный стержень, который расположен на диске в радиальном направлении, не укоротится.

По этой причине употребляют не твердые, а упругие эталоны, которые не только движутся в любом направлении, но и во время движения в разной степени меняют свою форму. Для определения времени служат часы, закон движения которых может быть любым, даже неправильным. Нам нужно представить себе, что каждые из часов укреплены в какой-то точке на нетвердом, упругом эталоне. Часы удовлетворяют только одному условию, а именно: «показания», которые наблюдаются одновременно на соседних часах (в данном пространстве), отличаются друг от друга на бесконечно малые промежутки времени. Такой нетвердый, упругий эталон, который с полным основанием можно назвать «эталонным моллюском», в принципе эквивалентен произвольно взятой четырехмерной гауссовой системе координат. Этому «моллюску» некоторую удобопонятность по сравнению с гауссовой системой придает (фактически неоправданное) формальное сохранение отдельных пространственно-временных координат в противоположность временной координате. Любая точка «моллюска» уподобляется пространственной точке, и любая материальная точка, находящаяся в покое относительно него, уподобляется покоящейся, пока «моллюска» рассматривают в качестве эталона. Общий принцип относительности настаивает, что всех таких «моллюсков» можно с равным правом и одинаковым успехом использовать в качестве эталонов при формулировках основных законов природы; сами же законы должны быть совершенно независимы от выбора «моллюска».

Касаясь фундаментального вопроса о форме мира, Эйнштейн пишет:

Если поразмыслить над вопросом о том, в каком виде следует представлять себе вселенную как целое, то первым ответом напрашивается следующий: что касается пространства и времени, то вселенная бесконечна. Везде есть звезды, так что плотность материи, хотя местами и самая разнообразная, в среднем остается одной и той же. Иными словами, как бы далеко мы ни удалились в пространстве, повсюду мы встретим разреженные скопления неподвижных звезд примерно одного типа и плотности.

Эта точка зрения не гармонирует с теорией Ньютона. Последняя в какой-то мере требует, чтобы вселенная имела своего рода центр, где плотность звезд была бы максимальной; по мере того, как мы удаляемся от этого центра, групповая плотность звезд будет уменьшаться, пока наконец на больших расстояниях не сменится безграничной областью пустоты. Звездная вселенная по Ньютону должна быть конечным островком в бесконечной пучине пространства.

Причина невозможности неограниченной вселенной, согласно теории Ньютона, состоит в том, что интенсивность гравитационного поля на поверхности сферы, заполненной материей даже очень малой плотности, будет возрастать с увеличением радиуса сферы и в конце концов станет бесконечно большой, что невозможно.

Развитие неевклидовой геометрии привело к признанию того, что можно отбросить всякие сомнения в бесконечности нашего пространства, не приходя при этом в конфликт с законами мышления или опыта.

Признавая возможность подобных выводов, Эйнштейн описывает мир двухмерных существ на сферической поверхности:

В противоположность нашей вселенная этих существ двухмерна; как и наша, она распространяется до бесконечности.

Поверхность мира двухмерных существ составляет «пространство». Это пространство обладает весьма необычными свойствами. Если бы существа, живущие на сферической поверхности, стали проводить в своем «пространстве» круги, т.е. описывать их на поверхности своей сферы, эти круги возрастали бы до некоторого предела, а затем стали бы уменьшаться.

Вселенная таких существ конечна, но не имеет границ.

Эйнштейн приходит к заключению, что существа сферической поверхности сумели бы установить, что живут на сфере, и, возможно, определить радиус этой сферы, если бы им удалось исследовать достаточно большую часть пространства, т.е. своей поверхности.

Но если эта часть окажется очень малой, они не смогут найти наглядных доказательств того, что живут на поверхности сферического «мира», а не на евклидовой плоскости; малая часть сферической поверхности лишь незначительно отличается от части плоскости такой же величины.

Итак, если бы существа сферической поверхности жили на планете, солнечная система которой занимает ничтожно малую часть сферической вселенной, они не смогли бы определить, где они живут: в конечной или в бесконечной вселенной, поскольку та «часть вселенной», к которой они имеют доступ, в обоих случаях окажется практически евклидовой плоскостью.

Для двухмерной вселенной существует и трехмерная аналогия, а именно: трехмерное сферическое пространство, открытое Риманом. Оно обладает конечным объемом, определяемым его «радиусом».

Легко видеть, что такое трехмерное сферическое пространство аналогично двухмерному сферическому пространству. Оно конечно, т.е. обладает конечным объемом, и не имеет границ.

Можно упомянуть еще об искривленном пространстве другого рода – об «эллиптическом пространстве», рассматривая его как некоторое искривленное пространство. Эллиптическую вселенную допустимо, таким образом, считать искривленной вселенной, обладающей центральной симметрией.

Из сказанного следует, что удается представить себе замкнутое пространство без границ. Среди примеров такого пространства сферическое (и эллиптическое) – самое простое, поскольку все его точки эквивалентны. Как результат подобного обсуждения, возникает наиболее интересный вопрос для астрономов и физиков: бесконечна ли вселенная, в которой мы живем, или она конечна по типу сферической вселенной? Наш опыт далеко не достаточен, чтобы дать нам ответ на этот вопрос. Но общая теория относительности позволяет ответить на него с известной степенью определенности; и в этой связи упомянутое ранее затруднение (с точки зрения ньютоновской теории) находит свое разрешение.

Структура пространства, согласно общей теории относительности, отличается от общепризнанной.

В соответствии с общей теорией относительности геометрические свойства пространства не являются независимыми; они определяются материей. Таким образом, выводы о геометрической структуре материи можно сделать только в том случае, если основывать свои соображения на состоянии материи, как на чем-то нам известном. Из опыта мы знаем, что. скорости звезд малы по сравнению со скоростью распространения света. Благодаря этому мы можем очень приблизительно прийти к выводу о природе вселенной в целом, если рассматривать материю как пребывающую в состоянии покоя.

Мы могли бы представить себе, что с точки зрения геометрии наша вселенная ведет себя наподобие поверхности, которая в отдельных частях неравномерно искривлена, но нигде явно не отклоняется от плоскости; это нечто вроде поверхности озера, покрытого рябью. Такую вселенную можно назвать квази-евклидовой вселенной. Что касается ее пространства, то оно будет бесконечным. Но расчет показывает, что в квази-евклидовой вселенной средняя плотность материи неизбежно будет равна нулю.

Если нам нужна во вселенной средняя плотность материи, которая хотя бы на малую величину отличается от нулевой, такая вселенная не может быть квази-евклидовой. Наоборот, результаты расчетов показывают, что, если материя равномерно распределена во вселенной, такая вселенная непременно будет сферической или эллиптической. Поскольку в действительности распределение материи неоднородно, подлинная вселенная в отдельных своих частях будет отличаться от сферической. Но она непременно будет конечной. Действительно, теория показывает нам простую связь между протяженностью пространства вселенной и средней плотностью материи.

Последнее положение несколько по-иному рассматривается Э.С. Эддингтоном в его книге «Пространство, время и тяготение»:

После массы и энергии есть одна физическая величина, которая играет в современной физике очень важную роль – это действие (определяемое как произведение энергии на время).

В данном случае действие – просто технический термин, и его не следует путать с «действием и противодействием» Ньютона. В особенности же важным оно представляется в теории относительности. Причину увидеть нетрудно. Если мы желаем говорить о непрерывной материи, которая присутствует в любой точке пространства и времени, нам придется употребить термин плотность. А плотность, помноженная на объем, дает массу, или, что то же самое, энергию. Но с нашей пространственно-временной точки зрения куда более важным является произведение плотности на четырехмерный объем пространства и времени; это действие. Умножение на три измерения дает массу, или энергию; а четвертое умножение – их произведение на время.

Действие есть кривизна мира. Едва ли удастся наглядно представить себе это утверждение, потому что наше понятие о кривизне проистекает из двухмерной поверхности в трехмерном пространстве, а это дает слишком ограниченную идею возможностей четырехмерной поверхности в пространстве пяти и более измерений. В двух измерениях существует лишь одна полная кривизна, и если она исчезнет, поверхность будет плоской или ее, по крайней мере, можно развернуть в плоскость.

Повсюду, где существует материя, существует и действие, а потому и кривизна; интересно отметить, что в обычной материи кривизна пространственно-временного мира отнюдь не является незначительной. Например, кривизна воды обычной плотности такова же, как и у пространства сферической формы радиусом в 570 млн. км. Результат еще более удивителен, если выразить его в единицах времени; этот радиус составляет около половины светового часа. Трудно по-настоящему описать, что это значит; по крайней мере, можно предвидеть, что шар радиусом в 570 млн. км обладает удивительными свойствами. Вероятно, должна существовать верхняя граница возможного размера такого шара. Насколько я могу себе представить, гомогенная масса воды, приближающаяся к этому размеру, может существовать. У нее не будет центра, не будет границ, и каждая ее точка будет находиться в том же положении по отношению к общей массе, что и любая другая ее точка, – как точка на поверхности сферы по отношению к поверхности. Любой луч света, пройдя в ней час или два, вернется к исходному пункту. Ничто не сможет проникнуть в эту массу или покинуть ее пределы; фактически она сопротяженна с пространством. Нигде в другом месте не может быть иного мира, потому что «другого места» там нет.

Изложение теорий новой физики, стоящих особняком от «теории относительности» заняло бы слишком много времени. Изучение природы света и электричества, исследование атома (теории Бора) и особенно электрона (квантовая теория) направили физику по совершенно новому пути; если физика действительно сумеет освободиться от упомянутых выше препятствий, мешающих ее прогрессу, а также от излишне парадоксальных теорий относительности, она обнаружит когда-нибудь, что знает об истинной природе вещей гораздо больше, чем можно было бы предположить.

Геометрическое понимание пространства, т.е. рассмотрение его отдельно от времени. Понимание пространства как пустоты, в которой могут находиться или не находиться «тела».

Одно время для всего что существует. Время, измеряемое одной шкалой.

Принцип Аристотеля – принцип постоянства и единства законов во вселенной, и, как следствие этого закона, доверие к незыблемости установленных явлений.

Элементарное понимание мер, измеримости и несоизмеримости. Меры для всех вещей, взятые извне.

Признание целого ряда понятий, трудных для определения (таких как время, скорость и т.д.), первичными понятиями, не требующими определения.

Закон тяготения, или притяжения, распространение этого закона на явление падения тел, или тяжести.

«Вселенная летающих шаров» – в небесном пространстве и внутри атома.

Теории колебаний, волновых движений и т.п.

Тенденция объяснять все явления лучистой энергии волновыми колебаниями.

Необходимость гипотезы «эфира» в той или иной форме. «Эфир» как субстанция величайшей плотности, – и «эфир» как субстанция величайшей разреженности.

Попытки уйти от трехмерного пространства при помощи математики и метагеометрии. Четыре координаты.

Исследование структуры материи и лучистой энергии. Исследование атома. Открытие электрона.

Признание скорости света предельной скоростью. Скорость света как универсальная константа.

Определение четвертой координаты в связи со скоростью света. Время как мнимая величина и формула Минковского. Признание необходимости рассмотрения времени вместе с пространством. Пространственно-временной четырехмерный континуум.

Новые идеи в механике. Признание возможности того, что принцип сохранения энергии неверен. Признание возможности превращения материи в энергию и обратно.

Попытки построения системы абсолютных единиц измерений.

Установление факта весомости света и материальности электричества.

Принцип возрастания энергии и массы тела во время движения.

Специальный и общий принципы относительности; идея необходимости конечного пространства в связи с законами тяготения и распределения материи во вселенной.

Кривизна пространственно-временного континуума. Безграничная, но конечная вселенная. Измерения этой вселенной определяются плотностью составляющей ее материи. Сферическое или эллиптическое пространство.

Новые теории структуры атома. Исследование электрона. Квантовая теория. Исследование структуры лучистой энергии.

Источник