Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

ШЕСТЕРЕНКИ ДЛЯ СВЕТА

Один из добрейших детских писателей возбуждал миллионы умов этим, казалось, бессмысленным вопросом. В самом деле, что может послужить причиной столкновения этих миролюбивых гигантов? И как они могут встретиться, обитая в различных условиях? И вообще, что будет…

Писатель знал, сколь полезно, хотя бы иногда, подумать над подобной ситуацией. Жизнь преподносит и более сложные задачи. Ставит нас в положения не менее невероятные. Химеры вдруг оживают и требуют ответа, принуждают к принятию решения, от правильности которого зависит очень многое.

Знаменитый вопрос Кассиля — что будет, если кит нападет на слона? — модель всеобъемлющей проблемы: кто сильнее, что важнее? В науке этот вопрос возрождается вновь и вновь в дискуссиях о роли опыта, об отношениях опыта и теории.

Опыт — высший судья в науке. С этим теперь никто не спорит. Но как отличить праведного судью от неправедного? Ведь опыты иногда приводят к противоречивым, несовместимым результатам. И как быть, если судья воздерживается от ответа… А бывает и так, как об этом рассказал Пушкин:

Глухой глухого звал к суду судьи глухого;

Глухой кричал: «Моя им сведена корова!»

«Помилуй, — возопил глухой тому в ответ. —

Сей пустошью владел еще покойный дед».

Судья решил: чтоб не было разврата,

Жените молодца, хоть девка виновата.

Судья может судить справедливо, только зная факты и опираясь на закон. Это относится и к науке. Опыт, взятый сам по себе, способен дать лишь очень мало или даже ничего. Для того чтобы правильно поставить опыт и понять его результаты, необходимы правильные законы, правильная теория.

Но как опознать правильные законы в науке, какую теорию следует считать истиной? Ясно, что при этом нельзя просто ссылаться на опыт. Иначе получается порочный круг. Иван кивает на Петра, а Петр кивает на Ивана.

В науке, как и в юриспруденции, законы представляют собой сформулированные человеком и проверенные опытом человечества формулы. В юриспруденции — это словесные выражения объективно сложившихся человеческих отношений. Результат многовекового развития общества. В точных науках — это выраженные на языке математики объективные соотношения, присущие явлениям природы или возникающие в ситуациях, созданных человеком, в научных экспериментах. Только в этом смысле следует понимать известную фразу: законы природы создаются человеком. Человек формулирует их математическим языком, чтобы таким путем понять происходящее в природе.

И в юриспруденции, и в науке законы должны удовлетворять целому ряду логических требований. Вот важнейшие из них:

Непротиворечивость. Один закон не должен противоречить другому. Если два закона противоречивы, один из них должен быть отброшен. Или необходим третий закон, определяющий условия применения первых двух: в таких-то случаях применять первый, а в этих — второй.

Полнота. Все возможные ситуации должны попадать в сферу действия свода законов. Если свод законов полон, то любая возникшая, даже ранее не встречавшаяся, ситуация должна попасть в сферу его действия. Если хотя бы одна новая ситуация оказывается непредусмотренной, то свод законов не полон и нуждается в дополнении. Есть и менее важные требования, но и они существенны, например:

Простота. Желательно, чтобы количество отдельных законов было минимальным, а каждый из них охватывал много соответствующих ситуаций.

Однозначность и ясность. Необходимо, чтобы законы не допускали различных толкований и не требовали дополнительных разъяснений.

Законы науки и учет их следствий требуются для правильной постановки экспериментов и при обработке полученных результатов. Эксперименты необходимы для проверки правильности предсказаний, даваемых теорией. Ибо теория, лишь объясняющая известное, но не позволяющая продвинуться в неведомое, не делающая предсказаний, поддающихся проверке, не может претендовать на то, чтобы заменить ранее существовавшие теории. В этом проявляется диалектика познания: только совокупность опыта и теории составляет настоящую науку.

Мы знаем, что будет, если хотя бы один новый опыт противоречит теории, то есть противоречит огромной совокупности прежних опытов, из которых выросла эта теория. Речь идет, конечно, только о правильном опыте, об опыте, поставленном и обработанном без ошибок и, желательно, повторенном независимыми исследователями. Такой опыт не может отвергнуть результатов других столь же тщательно поставленных и обработанных опытов. Он является лишь сигналом о том, что теория не полна. Что она должна быть дополнена или переработана.

Но что будет, если внезапно обнаружится противоречие между двумя фундаментальными теориями? Общепризнанными теориями, относящимися к двум не связанным между собой областям науки и до того непринужденно объяснявшими огромное количество опытных данных.

Слон вышел на отмель, около которой плещется кит!

Великая древняя наука механика… Вместе с арифметикой и геометрией она пришла к нам из тьмы веков. Это не просто красивая метафора. Возраст «Механики» Аристотеля перевалил за двадцать веков. А еще четыре века назад она безраздельно властвовала в умах образованных людей и, несмотря на множество своих ошибок, служила фундаментом великолепных зданий и мостов, акведуков и прекрасных скульптур. Надежным фундаментом, ибо во всех подобных случаях достаточно законов статики, относящихся к условиям равновесия сил, действующих на неподвижные тела. Главные же ошибки «Механики» Аристотеля начинаются там, где он пытается объяснить процесс движения.

Движение оставалось непостижимой тайной для древних мудрецов — их мышление было сугубо конкретным. Даже богов они наделяли человеческим обликом, а герои и чудовища выходят за пределы реального только своими масштабами: Геракл — силой, Аргус — количеством голов. Пределом абстракции для древних мыслителей было число и простейшие геометрические фигуры. В построении системы чисел они сделали лишь два шага. Простые числа, при помощи которых можно считать предметы, и простые дроби — отношения простых чисел, позволяющие делить то, что поддается делению. Когда Пифагор обнаружил несоизмеримость диагонали квадрата с его сторонами, если их размер — единица, он велел ученикам сохранить это в тайне. Существование величин, несопоставимых с простыми дробями, казалось ему ниспровержением основ. Страх перед такими величинами привел к застою математики на два тысячелетия.

Дымные костры инквизиции еще подсвечивали гнетущую ночь средневековья, когда Коперник, Кеплер и Галилей, отбросив древние предрассудки, положили начало новой науке о небесных и земных движениях. Коперник и Кеплер сосредоточили свои усилия на движении планет. Галилей, кроме того, стремился понять законы, лежащие в основе движений обычных земных тел и механизмов. Так возник фундамент современной науки, в который вошла мощь абстрактного мышления и сочетание все более сложной математики с искусством опытного исследования природы, пионером которого по праву считается Галилей. Под этим фундаментом сохранились, обеспечивая его устойчивость, древние блоки арифметики и алгебры, геометрии и логики, астрономических наблюдений и законов рычага. Конечно, кое-что пришлось удалить, иное лишь впоследствии вошло в общий монолит знаний после многовекового забвения.

Ньютон хорошо сказал, что ему удалось создать что-то новое только потому, что он стоял на плечах гигантов. Великолепный труд «Математические начала натуральной философии» сообщал людям суть научного метода, развитого Ньютоном на основе, заложенной Галилеем.

Вот этот метод: исходя из опыта обнаруживать «принципы» — фундаментальные свойства природы; на основе «принципов» строить законы — математические зависимости, связывающие между собой различные характеристики явлений и процессов, полученные из измерений; при помощи законов выводить следствия, поддающиеся проверке путем специально поставленных новых опытов. Этот метод и сейчас надежно служит ученым, успешно сочетаясь с методами гипотез. Конечно, речь идет не о гипотезах, придумываемых для объяснения отдельного частного явления, с которыми так страстно боролся Ньютон. Каждая гипотеза такого рода обычно требует дополнительных гипотез, объясняющих, почему новая гипотеза не противоречит другим явлениям или другим гипотезам, и этой порочной цепи нет конца. Но Ньютон сам с большим искусством создавал гипотезы другого рода. Их скорее следовало бы называть «пробными принципами». Они с самого начала строятся так, что оказываются согласующимися со множеством фактов и явлений или хотя бы с широким кругом родственных процессов, и способны вести к предсказаниям, поддающимся проверке опытом. Ко времени появления «Начал» Ньютон уже был известным и общепризнанным ученым. Но не это явилось причиной совершенно необычного успеха его книги — она оказалась распроданной так быстро, как сейчас расходятся бестселлеры, хотя это был не детектив, а сложный научный труд. Причина заключалась в революционном содержании «Начал». Впервые ученому удалось связать общими законами земные и небесные явления. Объяснить на основе механики процессы, не имеющие видимой общности с какими-либо механизмами.

«Начала» стали не только вершиной науки, но началом нового быстрого прогресса различных ее областей. Метод, созданный Ньютоном, оказался очень аффективный, а результаты, полученные им, столь эффектными, что многие поколения ученых, взяв на вооружение его метод, стремились, подобно ему, объяснить при помощи законов механики весь окружающий мир, со всеми его особенностями и част-частностямиИ это удавалось. Казалось, нет предела возможностям механического объяснения природы.

Поразительные успехи механики и ее применений к другим областям физики привели к далеко идущим последствиям. Некоторые важнейшие понятия механики Ньютона были восприняты философами и обобщены ими далеко за пределы, первоначально установленные их автором. Затем возникло то, что инженеры называют обратной связью, что зачастую ведет к возникновению самовозбуждающихся колебаний, нередко приводящих к катастрофическим последствиям. Ученые начали применять эти же понятия уже не как атрибуты механики, а как философские категории. Так случилось, в частности, с понятиями пространства, времени и причинности. Реальное пространство и время были отождествлены с абсолютным пространством и временем механики Ньютона. А причинность, трудами великого математика и механика Лапласа, была сведена к детерминизму: к жесткой связи между различными этапами механических процессов. Связи, описываемой уравнениями движения.

Сложившаяся ситуация вначале не только не мешала прогрессу науки, но и способствовала ему. Кристальная ясность и строгость уравнений механики, торжество причинности импонировали людям, склонным к исследовательской работе. Они стремились изгнать из науки малейшую неясность и произвол. Механика и ньютоновский метод познания природы всегда приводили к цели. Казалось, успехам методов механики никогда не будет конца.

Дальнейшее в существенной мере покоится на новаторских работах Фарадея. Этот гениальный самоучка не получил систематической подготовки и в течение всей жизни испытывал трудности в области высшей математики. К счастью, в то время еще удавалось сделать многое на основе элементарных расчетов. Конечно, и тогда требовалась способность интуитивного понимания связей, скрытых за явлениями природы. В этом отношении равным Фарадею был впоследствии, по-видимому, лишь Бор. Фарадей, подобно Ньютону, интуитивно чувствовал неудовлетворенность оттого, что для объяснения взаимодействия тяжелых тел и электрических зарядов приходится привлекать дальнодействуюшие силы. Но если в области механики им не было видно замены, то в области магнетизма дело обстояло иначе.

Более того, в 1820 году Эрстед обнаружил доселе неведомую силу, никак не укладывающуюся в ряд уже изученных сил, действующих не только в механике, но и в экспериментах с электричеством и магнетизмом. Все силы, с которыми встречались физики: сила тяготения, сила электростатического притяжения или отталкивания, сила притяжения или отталкивания полюсов магнитов и другие действовали по прямым, соединяющим тела — источники силы. Это позволило Ньютону, а затем его последователям применить геометрию и математику для формулировки законов действия сил. Так возник закон тяготения и его близнец — закон Кулона, определяющий взаимодействие наэлектризованных тел.

Эрстед изучал влияние электрического тока на намагниченную иглу. Он протянул прямолинейный провод вдоль стрелки компаса, указывающей на север и юг. Когда провод был присоединен к электрической батарее, стрелка компаса повернулась поперек своего начального положения. Эрстед был потрясен. Он понял, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не вдоль соединяющей их прямой, а в поперечном направлении. Эрстед назвал эту силу «поворачивающей силой». Статья Эрстеда была написана по-латыни. В то время мода на латынь миновала и большинство научных журналов выходило на живых языках. Переводчик, а он, несомненно, был ученым, работавшим в близкой области, не был уверен в том, что правильно понял Эрстеда, и в примечании дал латинский оригинал той части его статьи, где говорилось о «поворачивающей силе». В таком же замешательстве были и читатели. Экспериментаторы проверили и подтвердили опыты Эрстеда. Био и Савар установили зависимость этой силы от расстояния, а затем была определена и ее зависимость от силы тока. Но причина «поперечности» направления действия силы оставалась совершенно непонятной.

Так появился первый факт, противоречащий самому духу ньютоновской механики.

Следуя методам Ньютона и используя гипотезу светоносного эфира, Фарадей объяснил явление магнетизма действием особых натяжений эфира. Ему удалось сделать еще один шаг. Огромный шаг. Связать между собой электрические и магнитные явления. Так возникли законы электромагнитной индукции.

Следующий шаг сделал Максвелл. Он тоже следовал методам Ньютона: отыскивать в явлениях природы общие принципы, получать из них законы, выраженные на языке математики, и извлекать из них следствия, доступные опытной проверке. При этом, однако, он смело прибегал к гипотезам и к тому, что теперь иногда называют «экспериментальной математикой», или методом математических гипотез. Он смело вводил в уравнения новые члены, добиваясь симметрии уравнений и придавая им такой вид, который лучше соответствует всей совокупности опытных фактов. При этом Максвелл искусно опирался на метод аналогий, на механические модели, ибо он стремился строить теорию электричества и магнетизма на основе механики Ньютона.

Исходным принципом было единство электрических и магнитных явлений, установленное Фарадеем. Оно требовало объединения известных ранее, но выступавших как независимые, законов электричества и магнетизма: закона Кулона, описывающего взаимодействие между электрическими зарядами; закона индукции Фарадея, объяснявшего, каким образом движущийся магнит возбуждает электрический ток в металлических проводниках. Максвелл сумел найти недостающие зависимости и описать все эти разрозненные законы при помощи единой системы из четырех взаимосвязанных уравнений. Самым трудным при этом, требовавшим не только гениального предвидения, но и смелости, явилось введение в одно из уравнений дополнительного члена, никак не связанного с известными законами и, более того, с известными явлениями. Этот член нужен был для придания уравнениям симметрии, для достижения чисто математической завершенности.

Современникам, да и многим потомкам этот член казался совершенно абсурдным, ибо он соответствует электрическому току, проходящему через пустоту. Явление невиданное и казавшееся невозможным. Абсурдный член сыграл в истории развития знаний роль, аналогичную той, которая впоследствии выпала на долю легендарной «аш» (h) Планка. Чисто формальный шаг привел к пониманию физической картины Вселенной.

Максвелл не сразу осознал, что уравнения подсказали ему возможность самостоятельного существования в пустом мировом пространстве электромагнитных волн. Максвелл не сразу поддался обаянию простой картины мира, нарисованной его уравнениями. Для него было естественнее предположить, что электромагнитные волны являются движущимися волнами эфира. Ведь Максвелл, как и все его современники, находился под глубоким влиянием механики Ньютона и считал высшей целью науки объяснение всех явлений природы при помощи механики. Поэтому он настойчиво пытался построить механическую модель, способную отобразить все электромагнитные явления, в том числе и электромагнитные волны. Сохранились многочисленные эскизы различных механических конструкций, созданных воображением Максвелла на основе его уравнений. Многие из них представляют собой бесконечные наборы различных связанных между собой шестеренок, скомбинированных так, чтобы они моделировали волновые движения. Теперь нам, живущим в совершенно иную эпоху, кажется удивительным и странным, как гениальный создатель электродинамики мог надеяться на то, что ему удастся представить оптические явления при помощи комбинации движений множества шестеренок! Осознать это можно, лишь вспомнив, в какую эпоху он учился и творил.

Все усилия оставались тщетными. Модель могла иллюстрировать одно или несколько единичных явлений. Но никакая механическая модель не в силах объединить в себе всю совокупность разнообразных электромагнитных явлений. То, что у Фарадея было чрезвычайно простым, при механической трактовке становилось весьма сложным. Максвелл сам чувствовал, что созданная им теория переросла пределы возможностей механических моделей. В последующей работе он обходится без этих механических подпорок. Он стремится убрать строительные леса и формулирует теорию в замкнутой математической форме. Он пишет: «Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля потому, что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные тела, и она может быть названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении…» Дальше констатации того факта, что в мировом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, Максвелл, конечно же, не мог пойти. И так это было крамольное утверждение, ниспровергающее основы. И Максвелл сосредоточился на математическом углублении своей теории. Рождалась новая наука — электродинамика. Максвелл поставил свой целью«…показать, каким образом непосредственным применением идей и методов Фарадея лучше всего могут быть выяснены взаимные отношения различных классов открытых им явлений». Он пишет: «…Я имею в виду представить фарадеевскую теорию электричества с математической точки зрения…»

На эту титаническую работу ушло десять лет. Но полученные результаты не встретили признания. Одних смущали математические гипотезы. Они считали теорию спекулятивной. Другие не могли понять ее сложной математики, принять непривычное абстрактное понятие поля. Отлично сознавая значение своей работы, Максвелл решается на необычный шаг. Он отказывается от всякой служебной деятельности и, уединившись в родном доме, в течение последующих восьми лет пишет «Трактат по электричеству и магнетизму». Этот выдающийся труд представляется нам, людям ХХI века, образцом систематичности и ясности. Основные уравнения теории вобрали в себя всю совокупность известных фактов и, как мы теперь знаем, много неизвестного ни самому Максвеллу, ни его современникам. Именно они породили крылатую фразу о том, что уравнения зачастую знают больше, чем их создатель. Ведь в то время, когда Максвелл писал свой «Трактат», многие основные выводы теории еще не были получены.

Несмотря на то, что физическое содержание уравнений Максвелла не только не могло быть проиллюстрировано при помощи механических моделей, но и не поддавалось сведению к уравнениям движения ньютоновской механики, уравнения Максвелла, по существу, чрезвычайно точно соответствовали идейным основам, заложенным Ньютоном. Уравнения Максвелла, как и уравнения движения, являются законом, вернее, математической формулировкой закона, следующего из немногих «принципов», выражающих объективные закономерности природы, в данном случае связи между электрическими зарядами, токами и магнитами. Эти уравнения, в свою очередь, объясняют всю совокупность известных опытных фактов и предсказывают новые неизвестные явления без привлечения дополнительных гипотез.

Еще одна существенная черта сближает между собой великие творения Ньютона и Максвелла. Как и уравнения механики, система уравнений Максвелла содержит постоянные множители, неполучаемые из исходных «принципов». В законе тяготения — это гравитационная постоянная, в уравнениях Максвелла это диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества. Эти множители можно определить только путем измерений. Но кощунство заключалось в том, что Максвелл приравнял к веществу… пустое пространство!

Структура уравнений Максвелла требовала, чтобы пространству, свободному от каких-либо тел, были приписаны вполне определенные свойства. И выражаться они должны численными значениями величин, имеющих смысл диэлектрической и магнитной проницаемости пустого пространства.

Людям той эпохи казалось недопустимым думать о каких-то конкретных характеристиках совершенно пустого пространства, и было вполне естественно приписать эти проницаемости эфиру, заполняющему пространство. Поэтому те, кто верил в эфир, были довольны: существование эфира получило как бы новое подтверждение. Максвелл же не ставил себе целью утверждать или отвергать эфир, он размышлял над новой загадкой, которую преподнесли ему его уравнения. Загадка таилась в удивительном совпадении значения квадратного корня из произведений диэлектрической и магнитной проницаемости эфира с величиной скорости света в пустоте… Именно этот намек послужил для Максвелла убедительной основой, чтобы считать свет одним из видов электромагнитных воли…

Сделаем отступление — несколько слов о мировых константах. Гравитационная постоянная q и скорость света с знакомы нам со школьной скамьи. Физики знают магическое число 137, которое получается из комбинации важнейших констант: скорости света, заряда электрона и по-постояннойПланка. Почему это число равно именно 137? Это одна из загадок, объяснения которой не найдено до сих пор. Таково свойство природы, это дают измерения — единственно, что объективно может констатировать ученый.

Много волнений связано и с другими константами, входящими в формулы, которые зарекомендовали себя как основа наших знаний.

Присутствие в теории и в ее уравнениях постоянных величин, получаемых из измерений, представляет собой характерную особенность феноменологических теорий. По мере углубления теории, количество таких независимых эмпирических (получаемых из опыта) постоянных уменьшается. Целью каждой теории является вычисление большинства постоянных, исходя из уравнений самой теории и из возможно меньшего количества постоянных, лежащих за пределами теории. Такие постоянные возводят в ранг универсальных постоянных, иногда их называют мировыми константами.

С повестки научных обсуждений по сей день не сходит вопрос: почему существуют именно те универсальные постоянные, которые нам известны, и почему их величины именно таковы, какую дают результаты измерений? Это не перестает тревожить ученых. Их высшей целью остается создание теории, способной объяснить все. Универсальные постоянные всегда возникали как привязка теории к реальному явлению. Ведь так было и с постоянной Планка h, и со скоростью света с, и с гравитационной постоянной q, и со всеми остальными мировыми константами. То же произошло и с константами Максвелла — они вошли в теорию не по его капризу, а в силу интуитивной уверенности в объективном существовании природы.

Дедуктивное изложение теоретической части «Трактата» Максвелла, вся абстрактная структура его теории, как уже упоминалось, мешали ее усвоению. Несмотря на ее успехи, в большинстве университетов мира вплоть до начала XX века профессора излагали оптику Френеля, трактуя свет как упругие волны эфира. Профессора поступали так не из снисхождения к невежеству студентов, а потому, что сами не понимали всю глубину теории Максвелла или даже не были с нею знакомы. Наиболее разительным доказательством трудности понимания идей Максвелла для его современников являются лекции выдающегося физика Больцмана, которые он в 1891 году, излагая теорию Максвелла, начал строками из «Фауста»:

Я должен тяжким потом исходить,

Чтоб вас тому, чего не знаю, обучить.

Больцман считал, что теория Максвелла остается для большинства современных ему физиков книгой за семью печатями, но понимал необходимость ознакомления с ней будущих физиков. Далеко не каждый профессор решится сообщить студентам, что он сам еще не вполне овладел излагаемым предметом. Борн вспоминает, что знаменитый автор курса оптики Шефер еще в 1897 году говорил в лекциях только об упругих волнах эфира.

Первым, кто понял важность работы Максвелла, был молодой лейденский студент Лоренц. Он случайно наткнулся в журналах, пылившихся на полках библиотеки, на статьи Максвелла, посвященные синтетической теории электромагнетизма. Ясность и монолитность, с которыми перед ним предстала обширная и дотоле несвязная совокупность разнообразных электрических и магнитных явлений, поразили воображение Лоренца. После того как порыв восторга уступил место творческому возбуждению, Лоренц приступил к систематическому изучению теории Максвелла. Он начал применять ее к решению различных конкретных проблем и частных задач, связанных с многочисленными экспериментами, до того порождавшими различные, порой весьма частные, гипотезы, способные объяснить только данный опыт. Теория Максвелла позволила разобраться во всех сомнительных случаях, не требуя никаких дополнительных гипотез. Лишь одно оставляло чувство неудовлетворенности — необходимость введения в расчеты феноменологических постоянных. Лоренц задался целью дополнить теорию Максвелла так, чтобы новая теория содержала все необходимое для вычисления этих постоянных, исходя лишь из небольшого количества первичных универсальных постоянных. Мысленно оглядев все известные ему опыты, проведенные различными исследователями, Лоренц обнаружил один из циклов замечательных опытов Фарадея, не использованных Максвеллом при создании его теории. Более того, этот цикл опытов лежал как бы в стороне от теории, не нуждаясь в ее объяснениях и не противореча ей. Это был электролиз. Что-то подсказало Лоренцу — не проходи мимо, задержись…

Явление электролиза возникает при пропускании электрического тока через растворы. Известны жидкости, практически не пропускающие электрического тока, например многие масла. Но имеются и жидкости, очень хорошо проводящие электрический ток. Таковы растворы некоторых солей. Фарадей обнаружил, что при пропускании электрического тока через такие жидкости на электродах выделяются слои металла или пузырьки газа. Фарадей был блестящим экспериментатором, изобретательным, наблюдательным и вдумчивым. Он, как никто до него, умел придумывать опыты, способные ответить на интересовавший его вопрос, и толковать их результаты. Еще лучше он умел формулировать вопросы, подлежащие проверке. А правильно поставленный вопрос в существенной мере определяет ценность ответа.

Фарадей впервые соединил последовательно несколько сосудов с различными проводящими жидкостями. Он назвал такие жидкости электролитами, а пластины, введенные в сосуды, соответственно: анодом — тот, на котором выделяется кислород, и катодом — на котором выделяются водород или металлы. Наблюдая результат прохождения электрического тока через цепочку сосудов, Фарадей обнаружил, что отношения весов различных металлов, выделяющихся на катодах сосудов, всегда остаются одинаковыми, несмотря на изменения силы тока и времени его действия. Эти отношения не меняются при замене данной соли, содержащей применяемый металл, другой солью этого же металла. Так Фарадей установил основной закон электролиза: химическое действие тока пропорционально количеству прошедшего электричества. В отличие от предшественников, Фарадей считал, что разложение солей не есть результат действия тока. Он ввел гипотезу о том, что электролиты под действием внутренних сил самой жидкости распадаются на ионы двух типов. Электрический ток лишь переносит их к аноду и к катоду. Те, что оседают на анодах, он назвал анионы, на катоде — катионы. Другими словами, носителями тока в электролитах, по мнению Фарадея, являются заряженные частицы — анионы и катионы. О природе электрического тока в проводниках Фарадей не высказывался столь определенно.

Он писал: «Под током я разумею нечто распространяющееся, будь то электрический флюид, или два движущихся в противоположных направлениях флюида, или только колебания, или, выражаясь еще более обще, распространяющиеся силы».

Пусть Фарадей не знал, что такое электрический ток. Очень важно, что он наконец-то сказал слово об электрически заряженных частицах. Лоренц сохраняет основную идею Фарадея, воплощенную Максвеллом в «Трактате»: электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством поля. А так как Лоренц верил в эфир, то именно его считал носителем поля. По его мнению, эфир неподвижен и проникает во все тела.

Это заблуждение не помешало ему сделать великий шаг. Лоренц предположил, что любые тела, а не только электролиты, как считал Фарадей, состоят из маленьких заряженных частиц, существующих в эфире, погруженных в него. Став на эту точку зрения, Лоренц пересмотрел строение веществ, электромагнитных полей и их взаимоотношения. Он догадался, что число частиц, несущих положительные заряды, в обычных условиях равно числу отрицательно заряженных частиц. Поэтому все тела, за исключением особых случаев, электрически нейтральны. Компенсация разноименных зарядов обеспечивает нейтральность и твердых тел, и жидкостей, и газов. Как повлияет на нейтральные тела внешнее электрическое поле? — спросил он себя. Поле, вызывающее движение ионов, обнаруженное Фарадеем в растворах электролитов, может вызвать в твердых или жидких диэлектриках только небольшие местные смещения заряженных частиц. Поэтому их заряды внутри диэлектрика остаются скомпенсированными. Избыточные заряды проявляют себя только на поверхности диэлектриков.

Но только ли этим выдают свое присутствие заряды, скрытые в диэлектрике? Нет, решил Лоренц, они «нагружают» эфир подобно тому, как мелкие плавающие предметы или слой масла нагружают поверхность воды, замедляя скорость бегущих по ней волн. Заряженные частицы замедляют скорость электромагнитных волн, в том числе скорость света в прозрачных телах. И Лоренц создал теорию, которая позволяет вычислить это замедление, вычислить скорость света в прозрачных телах, а значит, и диэлектрические постоянные, входившие в теорию Максвелла как эмпирические величины, определяемые из опыта. Уже одно это обеспечивало Лоренцу почетное и заметное место в истории физики.

Теория Лоренца позволила объяснить и таинственное явление, открытое Холлом. Оно состоит в появлении напряжения, направленного поперек проводника, если вдоль него течет электрический ток и проводник подвергается действию сильного магнитного поля. В течение пяти лет ученые ломали голову над этим загадочным явлением. Лоренц показал, что это, результат действия магнитного поля на электрические заряды, образующие ток в проводнике. Магнитное поле отклоняет их в поперечном направлении, что и приводит к возникновению напряжения, обнаруженного Холлом. Мы знаем теперь, что тот же механизм приводит в действие электромоторы. Магнитное поле, действуя на заряды, образующие электрический ток, вызывает движение проводника, по которому течет ток. Если проводник закреплен неподвижно, то смещаются лишь текущие по нему заряды, возникает эффект Холла. Сила, действующая на заряды, движущиеся в магнитном поле, была названа «силой Лоренца». Она играет важнейшую роль в науке и технике.

Прежде чем представления Максвелла о самостоятельной природе электромагнитных волн слились с фактом существования заряженных частиц Лоренца, должен был родиться электрон. Честь открытия электрона принадлежит Дж. Дж. Томсону, он же определил величину его заряда и массы. Конечно, это открытие возникло не на пустом месте. Еще в 1862 году Вебер полагал, что с весомыми атомами связаны электрические атомы. Максвелл высказал мысль о том, что явление электролиза связано с молекулами электричества, но не развил эту мысль и не ввел молекулы электричества в свою теорию. В 1874 году Стоней, выступая на заседании Британского физического общества, предположил, что в природе есть три «естественные единицы»: скорость света, постоянная тяготения и заряд электрического атома. Он даже определил величину этого атома, разделив количество электричества, затрачиваемого на получение при помощи электролиза одного кубического сантиметра водорода, на число атомов водорода в этом объеме. Стоней предложил называть этот электрический атом электроном.

Через шесть лет Гельмгольц, по-видимому не зная о выступлении Стонея, говорил в своей фарадеевской лекции об электрических зарядах ионов, играющих роль атомов электричества. Это была идейная линия, приведшая к теории Лоренца. Параллельно развивались эксперименты. Начало им положил Гитторф, изучавший электрические разряды в разреженных газах. В 1869 году ему удалось снизить давление в разрядной трубке менее чем до 1 мм ртутного столба. При этом он заметил, что темное, несветящееся пространство, до того прилегавшее к катоду трубки, начало быстро увеличиваться, захватывая весь ее объем. Теперь вся внутренняя часть трубки стала темной, но стенки начали сильно флюоресцировать. При этом светящиеся места на стенках можно было перемещать, воздействуя на трубку магнитом. Конечно, это был явный намек на электрическую природу свечения. Исследования Гитторфа через десять лет продолжил Крукс. Проведя целый цикл эффектных опытов, Крукс писал: «…явления в этих разреженных трубках открывают перед физикой новый мир — мир, в котором материя существует в четвертом состоянии; мир, к которому применима корпускулярная теория света, — здесь свет не всегда движется по прямой линии; мир, в который мы никогда не будем в состоянии войти и по отношению к которому мы должны удовлетворяться наблюдениями и опытами со стороны».

Открытие Крукса вызвало волну интереса, а его опыты стали любимой демонстрацией не только в физических лабораториях, но и в частных домах. Однако объяснения Крукса встретили возражения, и почти двадцать лет большинство физиков предпочитало объяснять опыты Крукса особыми волнами эфира. Но сам Крукс считал, что открыл особые катодные лучи. Воззрения Крукса приобрели право гражданства, лишь когда Перрен обнаружил, что катодные лучи несут с собой электрические заряды.

Дж. Дж. Томсон писал: «Исследования, которые привели к открытию электрона, начались с попытки объяснить расхождения между поведением катодных лучей в магнитном и электрическом полях». Томсон измерил отношение заряда частиц, составляющих катодные лучи, к их массе и нашел, что этот заряд совпадает с зарядом, переносимым при электролизе. Измерения показали, что масса частицы катодных лучей меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Теперь мы знаем, что масса электрона в 1840 раз меньше массы протона — ядра атома водорода.

Томсон понял, что явления, открытые Круксом, свидетельствуют о делимости атомов. Из любого атома под действием электрического поля, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла можно вырвать одинаковые частицы, несущие одинаковый отрицательный заряд. Томсон говорил об электронах — это они давали о себе знать в трубке Гитторфа, это их наблюдали Крукс и Перрен. Так, одновременно, был открыт электрон и подтверждена атомная структура вещества путем отказа от многовекового представления о неделимых атомах. Атомы существуют, но они делимы!

Воображение Лоренца заработало с новой силой. Перед ним было добытое Максвеллом знание о том, что Вселенная пропитана электромагнитным полем, и теперь он знал, что частицами, взаимодействующими с этим полем, являются электроны. Как они взаимосвязаны друг с другом, то есть какова структура Вселенной, ее плоть и кровь? Лоренц угадал, что электромагнитное поле Максвелла не нечто изолированное и оторванное от материи. Нет, в плоть поля природой вкраплены электроны — эти элементарные частицы электричества, входящие в состав нейтральных атомов. Сочетание электрических зарядов, связанных с веществом, и электромагнитного поля образует все многообразие мира, все материальные тела. Лоренц нарисовал и механизм дыхания этой Вселенной: движение зарядов порождает электромагнитное поле, а волны поля в свою очередь вызывают движение зарядов.

Электромагнитная теория Фарадея — Максвелла — Лоренца стала на твердую почву. Теория поля слилась воедино с представлением об атомной структуре вещества. Еще один раздел классической физики казался полностью завершенным. Но недаром говорят: в науке каждый решенный вопрос ставит новые нерешенные проблемы.

Разгорелся спор о применимости уравнений Максвелла к движущимся телам, — ведь они были созданы для неподвижной среды. Особенно горячие дискуссии возникли между Лоренцем и Герцем. Таковы противоречия творчества — Лоренц, сделавший новаторское дополнение к теории Максвелла, не верил в самостоятельную сущность электромагнитных волн. Он верил в эфир и считал свет колебаниями волн эфира. В теории Лоренца эфир неподвижен, и сквозь него движутся все тела, нейтральные или заряженные частицы вещества… Эфир выступает как нечто неподвижное, абсолютное, сродни Ньютонову абсолютному пространству. Возникает искушение считать, что принцип относительности Галилея тут не работает и неподвижный эфир может служить надежной базой для определения абсолютного движения в пространстве.

С этим был не согласен Герц, замечательный экспериментатор, которому посчастливилось через двенадцать лет после создания Максвеллом его теории обнаружить реальное существование электромагнитных волн. Герц был не только экспериментатором. Как теоретик он исходил из того, что электромагнитные процессы в движущихся телах подчиняются тем же законам, что и в неподвижных. Тем самым он распространял принцип относительности Галилея с механических явлений в область электромагнитных процессов. Но он тоже верил в эфир. Чтобы удовлетворить принципу относительности, Герц предположил, что эфир, заключенный внутри тел, принимает участие в их движении. Но ему самому было ясно, что это предположение является вымыслом того сорта, с которым боролся Ньютон. Сразу понадобилась новая гипотеза, чтобы связать части эфира, движущиеся с телами, с остальным неподвижным эфиром. Каждое движущееся тело, подобно ложке, перемещающейся сквозь кисель, должно было тянуть за собой «эфирный хвост».

Кто же прав? Положение усугубляется тем, что Лоренца подводят его же уравнения. Они преподносят Лоренцу сюрприз. Вычисляя скорость света в движущейся среде, он приходит к неожиданному результату: решение уравнений таково, как будто эфир, заключенный внутри тела, следует за его движением. Лоренц написал свои уравнения, предполагая, что эфир всегда неподвижен, а решения уравнений показали, что он должен частично увлекаться движущимися телами. Получается парадоксальное положение: уравнения Лоренца не удовлетворяют принципу относительности, но их решения с большой точностью удовлетворяют ему!

Так это началось. В теории Герца скорость света в движущихся и покоящихся средах одинакова. В теории Лоренца она различна. В спор вмешался сам Максвелл. Незадолго перед смертью он указал на опыт, который мог бы стать арбитром. Его письмо редактору журнала «Нейчур» было опубликовано в 1886 году, уже после смерти автора. Максвелл писал: можно, хотя чрезвычайно трудно, определить из опыта скорость движения Земли сквозь эфир, подобно тому, как можно определить скорость корабля, измеряя скорость звука. Имеется в виду, конечно, что скорость звука измеряется на палубе, где воздух не участвует в движении корабля, а не в каюте, где такие измерения не позволяют узнать ничего, в соответствии с принципом относительности Галилея.

Этот спор воспламенил молодого офицера Военно-морского флота США Майкельсона. Он решил провести опыт, предложенный Максвеллом. После двухлетней морской службы он начинает преподавать физику и химию в Военно-морской академии в Аннаполисе. У него мало опыта и знаний. Он едет учиться в Европу. В Берлинском университете в лаборатории великого Гельмгольца Майкельсон знакомится с посмертной статьей Максвелла и приступает к опытам. Его цель — поймать эфирный ветер. Он строит соответствующую установку — но… эфирного ветра не обнаруживает…

Лоренца очень занимает этот опыт. В соответствии с его теорией результат должен быть положительным, ведь Земля перемещается в недвижимом эфире, и приборы должны обнаружить, как эфир «обдувает» Землю. Лоренц проверяет расчеты молодого физика и обнаруживает в них ошибку. Измеряемая величина должна быть вдвое меньшей, чем ожидал Майкельсон. Вопрос остается открытым…

Проходят шесть лет. Майкельсон не забыл своего намерения. Он готовится к более решительному наступлению на эфирный ветер. Теперь он не один. Вернувшись из Европы, он преподает в Кливленде, штат Огайо, и дружит с Мор-ли, преподавателем химии из соседнего университета. По-разному коротают время их коллеги. Майкельсон же, нарядный, безупречно выбритый, и Морли, рассеянный, небрежный в одежде, с рыжей щетиной на щеках, спускаются в подвал лаборатории, где и проводят все свободное время.

Тут смонтирован прибор для обнаружения эфирного ветра. Их опыт (1887 год) одна из поворотных точек в судьбе физики, хотя достичь цели не удалось — эфир не был обнаружен. Вот как пишет современный ученый о значении этого опыта: «Никогда раньше в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон решил, что его эксперимент не удался. Он никогда не думал, что эта «неудача» сделает его опыт одним из наиболее значительных, революционных экспериментов в истории науки».

Как встретили ученые весть о неудаче Майкельсона и Морли? Австрийский физик Мах немедленно заявил, что представление об эфире надо отбросить, он не верит в абсолютное движение через эфир. Одни ученые его поддержали, другие метали громы и молнии. Начались споры — есть ли эфирный ветер или его нет, может быть, эфир следует за Землей и потому необнаружим. Решающим голосом никто из ученых тогда не обладал. Возникла парадоксальная ситуация. Один-единственный опыт свидетельствовал против всех остальных, возможно, он свидетельствовал в пользу Герца против теории Лоренца. Все остальные опыты соответствовали теории Лоренца.

Однако в этом суде необходимо единогласие.

При одном «против» вопрос остается открытым.

Ирландский физик Фицджеральд высказал ошеломившую всех мысль: возможно, эфирный ветер давит на движущиеся предметы и… сокращает их размеры… Сокращает ровно настолько, что сводит результат опыта Майкельсона к нулю… Эту экзотическую гипотезу независимо высказал и Лоренц! Он добавил, что в движущихся сквозь эфир телах меняется и время… На движущейся Земле, где все одинаково сокращается, это сокращение невозможно заметить. Так было бы, если пытаться обнаружить усадку ткани при помощи «метра», изготовленного из той же ткани. Все эти изменения мог бы заметить лишь наблюдатель со стороны, находящийся вне Земли…

В этой любопытной гипотезе скорость света выступала как предел скорости тел, ибо длина тела, движущегося со скоростью света, при справедливости этой гипотезы, обращается в нуль, а время останавливается. Гипотеза Фицджеральда-Лоренца, выдвинутая специально для объяснения одного-единственного опыта, выглядела весьма искусственной, и большинство ученых отнеслись к ней с недоверием. Но лучших объяснений не было. Физики привыкали жить с открытой раной…

Много было передумано, переговорено на этот счет. Как тут не вспомнить простой мысленный эксперимент замечательного французского математика Пуанкаре. Что будет, спрашивает он, если однажды ночью, когда все мы крепко спим, Вселенная увеличится в размерах? Мы сами, атомы, столы и стулья, Солнце, Земля — все станет в миллион раз больше? Ничего не будет. Никто ничего не заметит. Но может быть, можно провести какой-нибудь эксперимент, чтобы обнаружить это общее увеличение Вселенной? Нет, такого эксперимента нет и не может быть. Ведь все приборы тоже изменили свои габариты в соответствии со всеобщим увеличением. Вот если бы увеличились в своих размерах, скажем, только Земля и все предметы на ней, это можно было бы увидеть с другой планеты.

То же произойдет и с изменениями течения времени, интервалов времени. Можно заметить только местные изменения времени, как, скажем, в знаменитом рассказе Уэллса «Новый ускоритель». Ученый открыл способ ускорения всех процессов в своем организме. Все в мире вокруг него замерло… Но если бы все ускорилось или замедлилось во всей Вселенной, никто бы ничего не заметил…

По существу, это тот же круг вопросов, над которым думал Галилей, постепенно приходя к пониманию закона природы, который он назвал принципом относительности. Раз-мер предметов сравнивают с эталоном длины, часы сверяют с эталоном времени, для определения движения какого-либо предмета нужен другой предмет… Движение и покой, большое и малое, быстрое и медленное, верх и низ, левое и правое — все это равноправные, симметричные понятия. Ни одно из них не абсолютно, не выделено чем-то уникальным. Представляете, какую надежду возлагали ученые на эфир, который предлагал себя в качестве надежной, абсолютной опоры в этом мире относительности!

Мудрый Максвелл не зря предложил свой опыт. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с определенной скоростью и если эта скорость не зависит от скорости движения источника, то скорость света может служить эталоном для определения абсолютного движения наблюдателя. И вот опыт, придуманный им, не обнаружил эфирного ветра. Нет ли его в природе, или он действительно так деформирует измерительный прибор, что делает незаметным свое присутствие?

Этот опыт был поставлен впервые, когда Эйнштейну было два года. И если следовать хронологии, то мнение Эйнштейна по этому поводу приводить еще рано. Но у нас — не история физики, скорее, роман мысли, драма идей, как говорил сам Эйнштейн. Поэтому как раз к месту подчеркнуть радикальный подход Эйнштейна к загадке эфира. Фицджеральд и Лоренц считали, что эфирный ветер искажает истинные размеры предметов и истинное течение времени. Они верили, что тела имеют абсолютные размеры — скажем, длину. Сокращение виделось им как физическое, реальное изменение длины, вызванное давлением эфирного ветра. И когда тела — в их уравнениях — сокращались, они воспринимали это как отклонение от «истинной» длины. Эйнштейн не только отбросил эфир как воплощение абсолютного покоя. Он отбросил понятие абсолютной длины и абсолютного времени. Вернее, счел, что понятия абсолютной длины или времени лишены смысла. Есть длина или время, полученные в результате измерении, и эти измерения меняются в зависимости от относительной скорости объекта и прибора, при помощи которого проводят измерения.

Если повстречаются два космических корабля, то наблюдатель на каждом из них будет видеть другой корабль как бы укоротившимся в направлении движения. Эффект заметен при больших скоростях. Два велосипедиста при сближении этого не заметят. Сокращение их размеров при небольшой скорости очень мало. Фицджеральд сказал бы, что космический корабль меняет свои истинные размеры, свои абсолютные размеры. Эйнштейн понял, что укорочение размеров — результат измерений данного наблюдателя. Для другого наблюдателя, связанного с другим космическим кораблем, измерения дадут другую величину сокращения размеров.

Так же обстоит дело и с течением времени. Ньютон считал само собой разумеющимся, что единое универсальное абсолютное время течет одинаково во всей Вселенной. Лоренц верил, что эфирный ветер искажает это «истинное» время при измерениях на движущихся телах. Эйнштейн отказался от понятия абсолютного времени, как от лишенного смысла. Имеются только местные времена. При встрече космических кораблей часы каждого из них покажут свое время. Это не будет «искаженное абсолютное время», это местное время, свое для каждой системы координат.

Итак, поворот в логическом восприятии событий можно описать так: нет «истинной» длины, нет «истинного» времени. Длина и время, понятие одновременности связаны с данной системой отсчета. Дело не в том, что один наблюдатель прав, а другой ошибается. Что у одного правильные приборы, у другого они врут. Просто показания приборов обусловлены движением системы отсчета и связанных с нею приборов. Эти показания объективны, они могут быть записаны автоматическими приборами. Результаты измерения длины, времени и, добавим, массы тела относительны и связаны с применяемой системой отсчета.

Мы забежали вперед. Но наша задача — не только изложение идей, главное — описание путей, приведших к тем или иным идеям, к переплетению различных точек зрения; понимание влияния стиля мышления отдельных ученых на ход событий, на результат коллективных усилий. Нам интересны борьба мнений, соперничество, единомыслие, противоборство, то, что составляет, определяет содержание конечного результата общих усилий в деле познания мира, что обусловливает, подготавливает подвиг ученых.

До Эйнштейна опыт Майкельсона — Морли, теории Лоренца и Герца противостояли в полном бессилии справиться с результатами реальных и мысленных опытов, наблюдений и умозаключений по поводу кардинальных проблем мироздания.

Как Эйнштейн пришел к своим феноменальным выводам? От каких противоречий оттолкнулся? Что взял из багажа науки в свое беспримерное путешествие в страну относительности? Попробуем понять и проследить самое ценное и важное для последователей — ход его мыслей… Еще раз окинем мысленным взором поле боя.

Механика Ньютона и все ее разветвленные следствия, включая кинетическую теорию материи, классическая термодинамика, так же, как все ее обширные ветви в химии, основывались на классическом принципе относительности Галилея. Все они сохраняли свою применимость, а их уравнения оставались неизменными, для процессов во всех телах, движущихся равномерно и прямолинейно.

Теория Максвелла и электронная теория Лоренца не удовлетворяли принципу относительности. Они утверждали возможность обнаружения движения тел относительно эфира, что запрещалось принципом относительности и опровергалось опытом Майкельсона. Примирить эти теории с опытом можно было, только отказавшись от формул, выражающих принцип относительности Галилея, заменив их преобразованиями Лоренца. Тогда автоматически возникало гипотетическое сокращение Фицджеральда — Лоренца и исчезала возможность обнаружения эфирного ветра в опытах Майкельсона. Но физический смысл преобразований Лоренца оставался неясным. Особенно загадочным была входящая в него формальная величина, которую Лоренц назвал «местным временем», или «кажущимся временем». В неподвижных телах эта величина совпадала с абсолютным временем теории Ньютона, но в движущихся телах она отличалась от него тем сильнее, чем больше скорость движения. При этом вновь выступал предельный характер скорости света: в телах, движущихся со скоростью света, «местное время» останавливается. Сам Лоренц при этом продолжал считать покоящийся эфир и абсолютное время Ньютона истинной основой своей теории.

Две величайшие физические теории — механика Ньютона и электродинамика Максвелла — Лоренца противостояли друг другу в неразрешимом противоречии. Именно в это время, в 1905 году среди глубокой тьмы вспыхнул свет. Он исходил из двух статей начинающего ученого, безвестного патентного эксперта третьего класса Эйнштейна, обдумывавшего эти противоречия в свободное от работы время. Он понял, что теория Максвелла несовершенна сразу в двух отношениях: она не удовлетворяет принципу относительности и не описывает микроструктуру света. В двух статьях он устранил эти пороки.

Работая в полном одиночестве, лишенный доступа к научным библиотекам, Эйнштейн многого не знал и ко многому приходил самостоятельно, своими путями. Он не знал работу Лоренца 1904 года, а лишь его работы 1895 года.

Он не был знаком с исследованиями Пуанкаре. В его статье нет ссылки на какие-либо труды предшественников.

В своей статье он опирается лишь на уравнения механики Ньютона и уравнения Максвелла — Герца для пустого пространства. Он проверяет свои результаты на оптических явлениях: аберрации, эффекте Допплера и давлении света. Эти явления, а также движение электронов используются в качестве пробных камней новой теории.

Исходный пункт работы выражен так: «Известно, что электродинамика Максвелла в современном ее виде приводит в применении к движущимся телам к асимметрии, которая несвойственна, по-видимому, самим явлениям». Эйнштейн указывает, что эти асимметрии должны были бы позволить определить, движется ли проводник относительно магнита или наоборот, то есть обнаружить абсолютное движение, что не соответствует свойствам реального мира. Вывод ясен: «Примеры подобного рода, как и неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды», ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя… Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно, что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Эти две предпосылки достаточны для того, чтобы, положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся тел. Введение «светоносного эфира» окажется при этом излишним…»

В этих удивительно ясных фразах ставится четкая задача: создать теорию, симметрия которой полностью соответствует симметрии реального мира, совместить принцип относительности и постоянство скорости света. Два наиболее общих факта, установленных многочисленными и разнообразными опытами. Два факта, ставившие в тупик всех, кто пытался их примирить.

Прежде чем приступить к делу, Эйнштейн замечает: всякая теория должна основываться на кинематике реальных твердых тел, на соотношениях между твердыми линейками, часами и электромагнитными процессами. Недостаточное понимание этого является корнем всех трудностей, которые предстоит преодолеть. Сохраняя уравнения механики Ньютона, Эйнштейн отбрасывает его понятие абсолютного времени и показывает, что понятие одновременности является сложным понятием, зависящим от движения тел. Если учесть это и определить, как при помощи световых сигналов устанавливать ход и показания часов, расположенных в различных местах и перемещающихся друг относительно друга с постоянной скоростью, то противоречие между принципом относительности и постоянством скорости света исчезает. Исчезает роковая асимметрия теории. Ценой этого является замена простых преобразований Галилея более сложными. Эта замена вытекает как математическое следствие новых физических основ. Эйнштейн получает необходимые математические формулы, не зная, что ими уже пользовался Лоренц, подобравший их как удобную математическую гипотезу. Так Эйнштейн, следуя идеологии Ньютона, вывел закон преобразования Лоренца из принципов обобщенного опыта. Именно поэтому Лоренц, получивший свои преобразования в результате математических проб, отвергал все попытки приписать ему честь создания теории относительности и справедливо считал ее создателем Эйнштейна. Он был старше по возрасту, но боготворил Эйнштейна. И они были добрыми друзьями. О теории относительности Лоренц говорил так: «Каждый любитель прекрасного должен желать, чтобы она оказалась правильной».

Еще Ломоносов писал: «Природа весьма проста; что этому противоречит, должно быть отвергнуто». Можно с уверенностью сказать, что Эйнштейн не был знаком с этим высказыванием, но во всем своем творчестве он постоянно следовал этому правилу. Теория должна возводиться на простейшей достоверной основе опытных фактов при наименьшем количестве предположений. В данном случае Эйнштейн взял за основу лишь два факта: скорость света постоянна, принцип относительности верен. Он обошелся всего одним дополнительным замечанием — предписанием того, как устанавливать часы. Из этого, как чертики из коробочки, появилось все: преобразования Лоренца, сокращение Фицджеральда — Лоренца, зависимость течения времени от скорости движения, принцип Допплера, известный ранее из опыта, закон аберрации, тоже известный из опыта, уравнения движения электрона и зависимость его массы от скорости, связь массы и энергии, вычисленная ранее Абрагамом из специальной гипотезы, и в то время недоступная экспериментальной проверке, но приведшая к пониманию строения вещества и к овладению ядерной энергией. Все это богатство содержалось в двух статьях, появившихся с разрывом в несколько месяцев. А равноценным дополнением к ним была третья статья, содержащая открытие квантов света.

Эта третья статья, вместе с фундаментальной работой Планка, стала началом квантовой физики. Первые две завершили величественное здание классической физики. Они, подобно мощной арке, соединили два независимых здания— механику Ньютона и электродинамику Максвелла, каждое из которых выросло так высоко, что оба грозили рухнуть под грузом взаимных противоречий. Теперь они могли стоять вечно и постоянно служить людям во всех технических применениях за исключением полетов в дальний Космос и ядерной техники. Здесь необходимо обращаться к их продолжению — к теории относительности Эйнштейна.