Пуанкаре

Как же установить эти характеристики времени в реальной действительности, если самый быстрый процесс — это распространение света, скорость которого тоже конечна? Этот вопрос Пуанкаре подвергает детальному анализу, рассматривая те измерительные процедуры, с помощью которых понятию времени придается физический смысл. Полученный им ответ казался его современникам весьма неожиданным и одиозным: абсолютного времени и абсолютной одновременности в природе не существует. Лишь на основе условного соглашения, конвенции, можно считать равными длительности двух промежутков времени и одновременными два явления, происшедшие в разных точках пространства. Например, при практическом установлении с помощью световых сигналов одновременности двух разноместных событий нужно сначала измерить скорость света, а ее измерение, в свою очередь, предполагает установление одновременности. Возникают непреодолимые трудности, справиться с которыми помогает определенное, условное в известных пределах соглашение, договоренность. Свою статью Пуанкаре заканчивает требованием, которому должны удовлетворять такие сознательно заключаемые соглашения: "Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка естественных законов была бы настолько простой, насколько это возможно".

Это было совершенно новое, «неклассическое» понимание времени и одновременности. Введенное в науку на самом закате прошлого века, знание это принадлежало уже надвигающемуся столетию и сыграло в нем первостепенную роль. Только во второй половине нашего столетия, и то после долгих лет сомнений и недопонимания, получило должную оценку и другое положение, сформулированное Пуанкаре в статье 1898 года. Рассматривая взятое в качестве примера утверждение астронома о том, что "звездное явление, которое он видит в настоящее время, произошло 50 лет назад", автор вскрывает в нем неявное допущение о постоянстве скорости распространения света во всех направлениях. Принципиально невозможно измерить скорость распространения света в одном каком-нибудь направлении. Измерению подлежит лишь усредненная скорость прохождения светом некоторой протяженности в двух противоположных направлениях. Поэтому предположение о равенстве двух противоположных по направлению скоростей света является только условным соглашением. [47] "Это есть постулат, — писал Пуанкаре, — без которого нельзя было бы предпринять никакого измерения скорости. Данный постулат никогда нельзя проверить прямо на опыте… Я хочу отметить, что он дал нам новое правило для поисков одновременности, полностью отличное от того, которое мы упоминали выше". Именно это сформулированное Пуанкаре правило определения одновременности, исходя из наиболее простого и удобного соглашения о равенстве скоростей света в прямом и обратном направлениях, было использовано впоследствии для обоснования релятивистских свойств времени.

47

[47] Это обстоятельство и сейчас еще нередко упускают из виду при обсуждении возможностей экспериментальной проверки отдельных положений теории относительности, что лишний раз характеризует всю глубину анализа, проведенного Пуанкаре в конце прошлого века.

Новые взгляды на время Пуанкаре проводит и в своем лекционном курсе "Электричество и оптика", прочитанном в 1899 году и опубликованном два года спустя, а также В докладе на философском конгрессе 1900 года, который вошел в виде отдельной главы в книгу "Наука и гипотеза".

Лоренцу в этот период тоже потребовалось пересмотреть понятие времени, чтобы раскрыть физический смысл некоторых сторон развиваемой им электродинамики движущихся сред. Но он так и не отважился сразу и решительно порвать со столь привычным всеобщим временем классической физики. Первым его шагом было введение особого понятия «местного» времени, которое использовалось им фактически как реальное время для описания процесса распространения световой волны в движущейся среде. «Местным» оно называлось по той причине, что в каждой точке движущейся системы было выбрано свое, характерное для данного места начало его отсчета.

Сам Лоренц был далек от того, чтобы это «местное» время признать равноправным со временем неподвижной системы, которое он называл всеобщим. Но это лишь свидетельствовало об отсутствии у него понимания подлинного значения сделанного им шага. Для согласования своей теории с результатами опыта Физо ему пришлось отказаться от всеобщего времени, связанного с классическими преобразованиями Галилея, и использовать «местное» время как реальное физическое время. Таким образом, даваемая Лоренцем оценка «местного» времени как некоторой вспомогательной величины не соответствовала фактическому его употреблению. [48]

48

[48] Без использования этой вспомогательной величины для описания процесса распространения света в движущейся среде невозможно было бы получить согласие с опытом. Но реальное физическое время не имеет никакого другого, отличного от этого смысла. Поэтому никак нельзя согласиться с широко распространенным непризнанием факта использования Лоренцем «местного» времени именно как реального времени только на том основании, что сам автор считал его вспомогательной величиной.

В этой ситуации особенно важное значение приобретало то простое разъяснение физического смысла «местного» времени, которое дал Пуанкаре. В своей статье "Теория Лоренца и принцип равенства действия и противодействия", опубликованной в 1900 году в одном из голландских журналов, посвященном двадцатипятилетию научной деятельности Лоренца, он определяет «местное» время как соответствующее показаниям часов, синхронизованных световым сигналом. Это означало, что оно является таким же реальным физическим временем в движущейся системе, каким считалось отличное от него время неподвижной системы.

Неожиданное решение

И «местное» время, и гипотеза о сокращении длин твердых тел, движущихся в эфире, все это были неосознанные отступления от общепринятых методов классической физики, с которыми сам Лоренц никак не хотел расстаться. По его представлениям, любые электромагнитные явления происходят всегда в неподвижном мировом эфире в строгом соответствии с уравнениями Максвелла. Это означало, что при движении какой-либо системы относительно эфира меняются лишь условия наблюдения процессов, разыгрывающихся всегда на одной и той же сцене по одному и тому же сценарию, задаваемому уравнениями Максвелла. Чтобы выяснить, к каким последствиям приводят эти изменения условий наблюдения, нужно было перейти от пространственно-временных координат системы, связанной с эфиром, к таким же координатам движущейся системы отсчета.

Согласно представлениям классической физики математические соотношения между координатами двух систем отсчета предписаны очевидными соображениями и выражаются преобразованиями, принятыми еще Галилеем. Эти преобразования и были использованы Лоренцем для описания электромагнитных процессов в движущейся системе координат. Полученные им результаты, однако, расходились с опытными. Но, даже столкнувшись с таким противоречием, он проявляет удивительную верность уравнениям Максвелла и своей основной идее о неподвижном эфире. Стремясь согласовать свою теорию с опытом, Лоренц выдвигает те самые дополнительные гипотезы, которые, не затрагивая уравнений электродинамики, вносят необходимые изменения в описание процессов в движущейся системе. Фактически же «местное» время и гипотеза о сокращении длин означали изменение преобразований пространственно-временных координат, отход от обычных преобразований Галилея.

Еще в работе Лоренца 1895 года присутствовали новые преобразования координат, которые приближенно отвечали этим принятым им двум гипотезам. Несколько позже, в работе 1899 года, Лоренц получает уже точные выражения для таких преобразований. Он преподносит их как некие специальные преобразования пространственно-временных координат, применение которых обеспечивает неизменность, инвариантность уравнений Максвелла при переходе от системы эфира к движущейся системе. Правда, голландский физик не дал строгого и общего доказательства этого утверждения. Тем не менее, как было потом доказано Пуанкаре, полученные Лоренцем преобразования действительно обладают таким ценным свойством, отвечающим требованию принципа относительности. Сам Лоренц, проявляя свойственную ему непоследовательность, рассматривал полученные преобразования лишь как вспомогательный математический прием.

В 1900 году англичанин Лармор в своей книге "Эфир и материя" также приводит эти новые преобразования координат. Он доказал даже инвариантность уравнений Максвелла относительно полученных им независимо от Лоренца преобразований, правда, для простейшего случая — при отсутствии электрических зарядов и токов. В отличие от своего голландского коллеги английский ученый более определенно высказался о реальном физическом смысле новых преобразований. Он пишет, например, о замедлении времени, связывая его с ходом электромагнитных процессов в движущейся через эфир системе. Лармор получил также точную формулу для изменения длины волны света, обусловленного движением системы в эфире (эффект Доплера). Им же впервые была получена релятивистская формула сложения скоростей, которую он вывел для объяснения опыта Физо.

Таким образом, в самом конце XIX века были уже найдены новые преобразования пространственно-временных координат, составляющие основу будущей физической теория — теории относительности. Были получены также самые необычные следствия этой теории о сокращении длин отрезков и расширении временных интервалов. В работах Лоренца и Лармора контуры новой теории, связанной с революционным преобразованием всей физики, проступали весьма отчетливо. Но на их работы не было обращено должного внимания даже теми учеными, которые интересовались проблемами электродинамики движущихся тел. Да и сами авторы не придавали полученным ими результатам особого значения и не делали категорических выводов о преодолении кризиса в физике. К тому же ограниченное применение новых пространственно-временных преобразований лишь для уравнений электродинамики не обеспечивало еще всеобщности принципа относительности. Например, неинвариантными относительно новых преобразований оставались законы механики. Поэтому-то в своем докладе на конгрессе в Сент-Луисе Пуанкаре специально подчеркивал, что может потребоваться совершенно новая механика быстрых движений. В этом состояло глубокое понимание французским теоретиком того факта, что проблема электродинамики движущихся тел затрагивает общие свойства физических процессов и требует пересмотра основ другой науки — механики. Приведение в согласие различных разделов физики всегда рассматривалось Пуанкаре как важнейшее требование, вытекающее из единства физического мира. Теперь же приведение механики в соответствие с электродинамикой выдвигалось на очередь дня в качестве основного условия решения проблемы, связанной с невозможностью обнаружить абсолютное движение.

После возвращения из Америки Пуанкаре вновь обратился к последней работе Лоренца, опубликованной в мае 1904 года. Уж сколько раз приходилось ему подмечать в чужих статьях то, что оставалось скрытым даже от самого автора. Но здесь авторская идея выражена достаточно явно. Лоренц предлагает найденный им для электронов закон неограниченного возрастания массы при приближении их скорости к скорости света распространить на любые механические объекты. Аналогичное обобщение предлагалось для преобразования сил из одной системы координат в другую. Правда, идеи эти не были развиты до общих уравнений новой механики, и даже высказаны они были как бы мимоходом. Но у Пуанкаре нет и тени сомнения в том, что статья Лоренца представляет собой смелое посягательство на незыблемые основы классической механики. Он усмотрел в ней четкую формулировку новых начал необычной механики сверхвысоких скоростей.