Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

КОРАБЛЬ ГАЛИЛЕЯ

Корабли издревле несли людей в неведомое. К новым землям, к новым знаниям. Аргонавты стремились за золотым руном. В поисках приключений викинги высаживались на загадочных берегах Исландии, Гренландии и даже Нового Света. Колумб, влекомый азартом открытий и желанием найти новые торговые пути, хотел морем пройти в Индию, а наткнулся на незнакомый материк. Корабли Магеллана в жажде географических находок плыли на запад в течение двух лет и обогнули земной шар…

Современному реактивному лайнеру для кругосветного путешествия достаточно одних суток. Космический корабль «Восток» промчал Гагарина вокруг земного шара всего за полтора часа… А сегодня школьники уже делают проекты фотонных и плазменных космических кораблей, которые уйдут в космическое плавание со скоростью, близкой к скорости света…

Корабли — морские, воздушные, космические, — сколько их на счету у человечества! Где-то в славной череде кораблей-первопроходцев затерялся скромный и почти забытый корабль. Он не открывал новых земель, не находил сокровищ, не совершал пиратских набегов, даже не существовал в действительности, но он проложил путь науке. Без него не состоялся бы полет Гагарина, Армстронг не ступил бы на Луну, на поверхности Венеры не оказались бы советские космические лаборатории, которые за завесой непроницаемой облачности фотографировали таинственный венерианский пейзаж. Этому кораблю суждено плыть вечно — не старятся его паруса и корпус, ибо весь он соткан из идей, а движет его воображение. Создав этот корабль, Галилей пригласил на него единомышленников и оппонентов, и с тех пор вахту за вахтой несут на нем поколения учащихся и ученых. И так будет вечно.

На этом корабле человечество совершило рывок в понимании законов движения. В умении прокладывать путь к другим мирам. Именно с этого никогда не плававшего по морям и океанам корабля, словно со стартовой площадки, поднялись в космос спутники и приборы, направляемые к планетам. На этом воображаемом корабле были вычерчены первые путевые карты космических путешествий и осознана гениальная находка Галилея — принцип относительности, который утверждает: законы природы не меняются, если от начальной (принятой за таковую) системы координат — будь то корабль, планета, звезда — перейти к другой, обладающей относительно первой равномерным поступательным движением, движением по инерции.

Этот принцип поясняет, почему те представления о мире, которые человек составил себе, экспериментируя на Земле, универсальны. Законы, которые он вывел, наблюдая мир со своей планеты, отражают общие законы, правящие Вселенной. На них можно положиться потому, что движение Земли в течение коротких интервалов времени очень мало отличается от простого движения по инерции.

Галилей не только провозглашает этот принцип, но дает простые формулы — «преобразования Галилея», — позволяющие ученым увязывать события, происходящие в разных системах, объединенных законом инерции. Но прежде чем понять этот принцип, заложенный в природе, прежде чем построить свой корабль, Галилей долго и упорно изучал всевозможные виды движения: свободное падение, движение по наклонной плоскости, качание люстр и маятников… Галилея справедливо называют творцом экспериментальной науки. Он первым сделал эксперимент основным орудием познания и научил этому других. Конечно, и до него некоторые ученые дополняли наблюдения природы специально поставленными опытами. Исследовали явления природы не в обычных естественных условиях, а в искусственной «тепличной» обстановке, в которой изучаемое явление развивается по возможности без помех, а сопутствующие процессы не затрудняют или не очень осложняют задачу наблюдателя. Предтечей экспериментальной физики был Стевин, но он не воспитал учеников и из-за стечения обстоятельств и влияния языкового барьера не имел непосредственных последователей. (Он писал свои труды по-фламандски — на языке малого народа, неизвестного большинству людей.) Другие ученые тоже ставили отдельные опыты, но это были лишь грубые пробы, результаты которых казались очевидными.

Галилей был виртуозным экспериментатором и широко применял свое искусство. Он активно воевал со схоластикой и засильем перипатетиков — последователей Аристотеля, похоронивших материалистические корни античной науки и ограничивших свою деятельность словопрениями, бесконечным пережевыванием догматов. Галилей считал важнейшей задачей ученого осмысливание и математическую обработку наблюдений, ибо природа, говорил он, «написана на языке математики, ее буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без помощи которых человеку невозможно понять ее речь: без них — напрасное блуждание в темном лабиринте». Переводя результаты опыта на язык математики, Галилей приступает к их математической обработке. И он уверен, что результаты, полученные таким путем, будут подтверждены последующими опытами, «потому что наши рассуждения должны быть о чувственном мире, а не о бумажном мире».

Таков метод Галилея: опыт, рабочая гипотеза или математическая модель, математическая разработка, а затем опытная проверка результата. Этим методом ученые пользуются поныне и не предполагают заменять его другим.

Толчком мыслям, которые привели Галилея к этому методу, было будничное наблюдение времен его юности. В 1583 году, будучи 19-летним студентом, Галилей обратил внимание на постоянство периода качаний лампад в церкви и на то, что лампады на более длинных подвесах качаются медленнее, чем снабженные короткими подвесами. Он пришел к заключению о том, что маятники одинаковой длины качаются одинаково и что все это несовместимо с учением Аристотеля о падении тел.

Галилей знакомит своих студентов с мысленными опытами: «Я представил себе мысленно два тела, равных по объему и весу, как, например, два кирпича, которые начинают падать с одинаковой высоты в один и тот же момент… Но если представить себе эти кирпичи в процессе падения соединившимися и столкнувшимися вместе, то который же из них… удвоит скорость другого?..» Ответить на этот вопрос не мог ни один из последователей Аристотеля, утверждавшего, что тяжелые тела падают быстрее легких. А ведь два кирпича, согласитесь, тяжелее одного…

Но перипатетика не убеждает ни мысленный опыт, ни реальный. А кроме того, сбрасывая пушечные ядра различной величины с Пизанской башни, экспериментатор не мог с бесспорной надежностью установить различие или совпадение времени их полета. Да и Аристотель не давал способа оценить и предсказать величину ожидаемой разницы. Поэтому малейшую, даже воображаемую разницу моментов приземления перипатетики толковали в свою пользу.

Молодой Галилей понимал, что не в силах человеческих замедлить движение свободно падающих тел, чтобы тем самым облегчить наблюдение и уменьшить погрешности опыта. И он нашел гениальный выход. Он придумал, как смоделировать уменьшенную силу тяжести. Не зная о работах Стевина, он интуитивно, еще не владея законом разложения сил, решил заменить свободное падение тел их скольжением по наклонной плоскости. Ему пришлось столкнуться с мешающей силой трения, но это его не беспокоило. Галилей изготовил гладкую наклонную плоскость и смазал ее маслом, чтобы уменьшить трение. Оставшимся трением он решил пренебречь. Все тела — большие и малые, легкие и тяжелые — теперь спускались с нее за одинаковое время. Это время зависело от угла наклона. Чем выше подпорка, на которой лежит начало наклонной плоскости, тем быстрее спуск. Галилей установил также, что скорость, приобретаемая телом в конце спуска, не зависит от длины наклонной плоскости, а только от высоты подпорки. И эта скорость одинакова для всех тел, независимо от их веса.

Одинакова скорость, одинаково и время, затрачиваемое любыми телами на спуск по данной наклонной плоскости. Но чем более пологой он делает наклонную плоскость, уменьшая высоту подпорки, тем дольше продолжается спуск, тем удобнее и точнее измерять время движения. Так Галилей сделал то, что казалось невозможным. Он научился управлять величиной силы, с которой тяготение движет тела. Он создал условия, при которых можно очень точно измерять время, затраченное телом на преодоление определенного пути. Измерения показали, что перипатетики не правы. Это время не зависит от веса тела.

Но Галилей не останавливается на этом. Делая наклонную плоскость все более крутой, Галилей приближал условия движения тел по ней к свободному падению. В пределе, когда плоскость вертикальна, она не влияет на падение тела, летящего вдоль нее. Так Галилей не только смоделировал действие различных по величине и постоянных во времени сил, но и впервые осуществил на опыте переход к пределу. Он смог по желанию изменять величину действующей силы от ее наибольшего значения до нуля, когда плоскость становится горизонтальной.

Теперь стала яснее причина того, почему период колебания маятника зависит только от длины подвеса, а не от величины груза. Ведь груз маятника как бы падает по дуге окружности, а ее можно представить совокупностью множества плавно переходящих одна в другую прямых, лежащих на плоскостях, наклон которых постепенно изменяется. И так как скорость, а значит, и время падения не зависят от веса тела, то и период колебания маятника не связан с весом его груза, а только с длиной нити, к которой подвешен груз. Но маятник, практически свободный от трения, позволяет еще проще наблюдать законы движения. Галилей предлагает вбить гвоздь точно под точкой подвеса маятника между нею и грузом и, сохраняя нить натянутой, отклонить груз в сторону, поднимая его до уровня гвоздя. Отпущенный груз будет опускаться до направления отвеса по малой окружности, центр которой совпадает с гвоздем, а затем поднимется на исходную высоту по дуге большой окружности, определяемой полной длиной нити.

Величие этого простого опыта именно в его простоте. Галилей описал его очень подробно. В наших современных терминах этот опыт доказывает закон сохранения энергии в механических явлениях. Потенциальная энергия груза определяется только высотой его подъема и не зависит от формы пути. Потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения и обратно. Этот опыт, если измерять достаточно точно, приводит еще к одному следствию: период колебания маятника не однозначно определяется длиной подвеса. Период зависит от размаха колебания. Такой зависимостью можно пренебречь только в том случае, если размахи достаточно малы, что очень важно для тех, кто вслед за Галилеем применял колебания маятника для измерения времени.

Отталкиваясь от подобных опытов, Галилей создал новую главу механики — динамику, науку о движении тел под действием сил, полностью отвергнув фантастические домыслы Аристотеля. Но перипатетики не сдавались. Теперь их атаке подвергалась вся совокупность достижений новой науки, а острие атаки было направлено в наиболее опасный пункт, на пропагандируемое Галилеем учение Коперника о движении Земли.

Возражения были основаны на том, что все механические явления свидетельствуют о неподвижности Земли. Если бы Земля вращалась, птицы, по убеждению аристотелианцев, отставали бы от ее движения. Тяжелые тела должны падать наклонно, а пушки стрелять на запад дальше, чем на восток. Эти доводы казались неоспоримыми. Здесь в единый союз объединилось множество не достаточно глубоко продуманных мысленных экспериментов и не очень точно поставленных реальных опытов.

На эти возражения Галилей отвечал своим гениальным мысленным экспериментом. Он приглашал оппонентов присоединиться к нему в плавании на воображаемом корабле. Корабле, который, как мы теперь знаем, идет по генеральному пути науки более трехсот лет. И будет идти вечно, лишь несколько уточнив свой курс. Вот что писал Галилей:

«Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд… Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту или другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой…»

Приглашая читателя представить себе эти простые и наглядные опыты, Галилей не только отметал возражения против движения Земли, но провозглашал новый принцип, новую основу механики — принцип относительности. Нет такого механического явления или процесса, нельзя придумать ни одного механического опыта, который способен отличить состояние равномерного прямолинейного движения от состояния покоя. С точки зрения механики покой ничем не отличается от равномерного движения, происходящего по прямой. Законы природы тут едины. В каюте можно убедиться, что при задраенных иллюминаторах нет никакой возможности определить, неподвижен корабль или он равномерно движется по поверхности спокойного моря. Своим простым и гениальным мысленным экспериментом Галилей утверждал: движение по инерции само по себе определить невозможно. Для этого всегда необходимо второе тело. О движении корабля Галилея можно судить лишь по отношению к другому кораблю, берегу или звездам, А если нет ни звезд, ни берега, ни другого корабля? Можно ли найти в окружающем мире какие-то надежные ориентиры, абсолюты, какие-то особенности реальной структуры пространства и затем, пользуясь ими как верстовыми столбами, обнаружить свое движение в этом пространстве, не прибегая к наблюдениям положения звезд? Если же и таких особенностей нет, то можно ли создать прибор, способный обнаружить наше движение в пространстве, подобно тому, как лаг, брошенный в море, позволяет определить скорость движения корабля?

О том, как ученые искали возможность ориентироваться с «завязанными» глазами, как много раз возникали сомнения в справедливости принципа относительности Галилея, как потом он был расширен теорией относительности Эйнштейна, как ученые нашли было опору в абсолютном пространстве Ньютона, в эфире, затем отвергли его и совершенно неожиданно, уже в наши дни, обрели эту опору в «новом эфире», который никогда ничем не выдавал себя, но существование которого предчувствовал Эйнштейн, будет рассказано дальше. Будет рассказано и о том, как реальный опыт в кабине самолета, проведенный в 1976 году, готовился вступить в спор с мысленным экспериментом Галилея.

Принцип относительности вошел в науку триста лет назад и затем утвердился в качестве одной из основ механики. Многие реальные опыты подтвердили его справедливость. Подтвердили его справедливость и последующие эксперименты, в которых ученые пытались в качестве поводыря использовать электрические и магнитные явления или старались, как за путеводную нить, ухватиться за лучи света, но… Ни одно открытие в области механики, электродинамики, термодинамики не указало людям явления, которое помогло бы пассажирам корабля Галилея определить свое движение во Вселенной, не видя другого корабля, берега или звезд, не бросая за борт лага, при помощи которого моряки измеряют скорость корабля по отношению к воде.

Корабль Галилея — по сути планета Земля. Вот почему век за веком, год за годом ученые бились и бьются над проблемой ориентации во времени и пространстве. И год за годом, век за веком все более убеждаются в том, что слишком мало знают о таком, казалось бы, тривиальном явлении, как движение.

Принцип относительности Галилея глубочайшим образом связан с движением по инерции. Тело, свободное от действия сил, движется прямолинейно с постоянной скоростью или пребывает в покое, утверждает Галилей вопреки Аристотелю. Движение тел по инерции обязано пространству. Это оно, как выяснил много позже Эйнштейн, придает телам свойство инерции — свойство оставаться неподвижными или продолжать равномерное прямолинейное движение при отсутствии каких бы то ни было сил.

Почему это происходит? — особый вопрос, на выяснение его потрачены века. Понять истинный характер движения, происходящего как бы само по себе, без очевидной первопричины, было нелегкой задачей. Ни великий Аристотель, много размышлявший над проблемой движения, ни его наследники в науке не поняли истины. Почему? Потому что наблюдать движение по инерции в «чистом виде» в обыденной жизни практически невозможно. (Сила тяжести и трение делают движения реальных тел неравномерными. Трение, например, постепенно замедляет движение тела. Сила тяжести придает ускорение всем незакрепленным телам.) Но если нельзя наблюдать явление, остается один выход — представить, вообразить… Этим и занялись следующие пассажиры корабля Галилея.

Величайшим пассажиром, взошедшим на корабль Галилея, был Ньютон. Он воспринял и развил не только научные результаты, но и научный метод Галилея. От опыта к абстракции, к математической модели, к математическому анализу и к контрольным опытам. И если Галилей был первым великим физиком, то Ньютон был не только великим физиком, но и творцом новой математики, позволившей ему решать задачи, недоступные его предшественникам. И в этой многогранности основа мощи и величия Ньютона. Впрочем, может быть, правильнее сказать, что гениальность Ньютона позволила ему стать величайшим физиком и математиком всех времен, создателем классической науки.

Если на великой лестнице познания отметить всего три главные ступени, относящиеся к учению о движении, то это будут те, на которых начертано:

«Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие» (Аристотель).

«Скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления…» (Галилей).

«Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения» (Ньютон).

Первая фраза отражает заблуждение юной физики, выраженное устами Аристотеля. Вторая — иллюстрирует замечательное прозрение сути движения материальных тел, понимание одного из основных законов природы — закона инерции, сформулированного Галилеем. Третья — подтверждает великий процесс преемственности в науке, закрепления и развития истинных знаний, длящийся иногда на протяжении веков.

Чтобы подняться от Аристотеля к Галилею и Ньютону, человечеству понадобилось более пятнадцати веков и радикальная ломка системы научного мышления. Последователи Ньютона лишь шлифовали детали его механики и применяли ее в качестве орудия для дальнейшего развития науки и техники. Следующую ступень удалось возвести лишь через два с половиной века. На ней начертано имя Эйнштейна. Он понимает, что закон инерции — основа основ, но далеко не исчерпывает всех событий мира. Эйнштейн исследует вращательные движения, движения, включающие в себя замедления, ускорения, и ищет возможности ориентироваться в более сложном мире, которым правит не только закон инерции, но и другие законы движения.

Однако мы забежали вперед. Нам важны как идеи, так и пути обретения их. И тут мы должны проследить, как Ньютон наследовал Галилею. Ньютон продвинулся далеко по пути Галилея. Он завершил науку о движении, основанную на принципе относительности. Он принял закон инерции в качестве Первого закона динамики. Закон инерции мы заучиваем в школе наизусть, и, наверно, нет ни одного грамотного человека, который бы не помнил его. «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием действующей силы». Этот закон, который в науке о движении играет фундаментальную роль, нельзя вывести из непосредственного лабораторного опыта. Как мы уже знаем, мешает трение и сила тяготения. Этот закон открыт Галилеем (и сформулирован Ньютоном) в результате наблюдения и опытов с маятниками и наклонной плоскостью, позволяющих учесть мешающие факторы. Дальше этого Галилей не продвинулся, и Ньютон должен был один прокладывать путь через целину. Ему противостояли силы. Силы, действующие на тела. Нарушающие состояние покоя. Изменяющие величину и направление скорости. Силы, придающие ускорение тем телам, на которые они действуют.

Ускорение, этот результат действия сил, можно измерить, не опираясь на другие тела. Ускорение легко обнаружить в каюте корабля Галилея, если ветер подует в его паруса.

Галилей, да и его предшественники, конечно, чувствовали ускорение во время езды в повозках или наблюдая изменение скорости падающих тел. Но никто до Ньютона не ставил вопроса о том, что такое ускорение. Не задумывался над тем, как происходит изменение скорости тела под действием простейшей постоянной силы.

Несомненно, этому мешало отсутствие необходимого математического аппарата, способного описывать изменение измеряемых величин. Ньютон сам создал этот аппарат — метод флюксий. Но этого мало.

Для того чтобы подойти к пониманию природы ускорения и сформулировать Второй закон динамики, связывающий ускорение тела с его массой и действующей на него силой, Ньютон должен был ввести понятие абсолютного пространства, существующего независимо от присутствия в нем материальных тел, ибо ускорение можно почувствовать и измерить без какой-либо связи с внешними телами. Так понятие пространства, ранее считавшееся лишь философской категорией, приобрело физическую реальность, причем его свойства казались не зависящими ни от конфигурации расположенных в нем тел, ни от их масс, ни от их движения. Именно в этом смысле до сих пор понимают слова «абсолютное пространство». В этом же смысле является абсолютным и время в механике Ньютона. Его течение постоянно и одинаково везде и всюду. Оно не зависит от наличия, свойств и движений материальных тел.

Итак, Вторым законом Ньютон связал ускорение тела с его массой и с силой, действующей на него. Третий закон фиксирует равенство действия и противодействия — этот закон дал Ньютону возможность по-новому изучать движения системы, состоящей из двух и более тел. Он впервые объяснил причину отдачи, ощущаемой стрелком или пушкой при выстреле, и множество других явлений, ранее казавшихся непостижимыми. Теперь их можно рассчитывать наперед, и опыт всегда совпадает с расчетом.

Совокупность закона падения тел, полученного Галилеем, и законов движения планет, установленных Кеплером, позволила Ньютону дополнить три закона механики — Четвертым. Законом тяготения. Он и здесь следовал научному методу Галилея, доведя его до высшей строгости. В основе лежали опыты Галилея с движением тел по наклонной плоскости и выведенные из астрономических наблюдений законы Кеплера, описывающие движение планет. Не видимые движения, ибо они весьма запутаны, а «истинные движения» математической модели, созданной Коперником и исправленной Кеплером. Движения по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Математические расчеты привели Ньютона к закону обратных квадратов: сила тяготения убывает так, как возрастает квадрат расстояния. Дальше контрольный расчет — вычисление движения Луны. Проверка… совпадения нет!

Шок!

Иначе нельзя определить состояние Ньютона, уверенного в том, что законы движения получены им правильно, что законы Кеплера точны, а математика, приведшая его к закону обратных квадратов, безупречна. Правда, в вычисления входила одна величина, измеренная не им самим, — радиус Земли. Но его измеряли ученые, достойные доверия.

Считалось, что эта величина измерена точно, и у Ньютона не было ни возможностей, ни достаточных оснований для того, чтобы повторить такие громоздкие измерения заново. Он не публиковал свои результаты шестнадцать лет. Все казалось ему верным и подтверждалось многочисленными опытами. Но один опыт не сходился. Движение Луны грозило разрушить мощное здание новой механики, потопить корабль Галилея. Ибо достаточно одного опыта, чтобы опровергнуть любую теорию. Опыт, в конечном итоге, верховный судья в науке.

История сохранила поразительный факт. Через четыре года после открытия закона тяготения Ньютон опубликовал в Кембридже «Всеобщую географию» Варениуса. Ньютон систематически способствовал изданию книг других авторов, если считал их заслуживающими внимания. В книге Варениуса сообщалось о том, что еще в 1617 году соотечественник автора Снеллиус измерил величину радиуса Земли. Совершенно невероятно, чтобы Ньютона не заинтересовало это сообщение. Правда, результат Снеллиуса значительно отличался от общепринятого во времена Ньютона. Маловероятно и то, что Ньютон не подставил величину, найденную Снеллиусом, в формулу закона тяготения. Сделав это, он должен был получить результат, совпадающий с движением Луны! Почему и чего он ждал еще двенадцать лет?! Остается только догадываться, что произошло на самом деле. Оставил ли Ньютон без внимания давнишнюю работу, дошедшую до него через третьи руки… Или провел вычисления, но не спешил их опубликовать, не имея достаточных оснований, чтобы предпочесть старый результат новому… Общеизвестная научная добросовестность и осторожность Ньютона заставляют нас склоняться к последнему предположению. Факт остается фактом. Ньютон никому не рассказал и нигде не написал о результате Снеллиуса.

Мы не знаем, как Ньютон пытался спасти положение. В течение этих шестнадцати лет он продолжал свои исследования и добился выдающихся результатов в других областях физики. Решение пришло со стороны. В 1682 году на одном из заседаний Королевского общества Ньютон узнал о новом измерении длины земного меридиана, выполненном Пикаром. Ньютон сразу вернулся к своим расчетам 16-летней давности и подставил в них величину радиуса, полученную из измерений Пикара. Все сошлось! Классическая физика праздновала одну из длинного ряда своих побед. Корабль Галилея продолжал плавание. Ньютон и в этот раз не упомянул о Снеллиусе. Теперь бессмысленно пытаться узнать, что было причиной. Забыл ли он историю 12-летней давности? Может быть, он и тогда не обратил внимания на результат Снеллиуса? Или не захотел вводить эмоции в научные результаты? Для него было достаточно бесконечных дискуссий с Гуком.

Перейдем к более существенному. Закон тяготения Ньютона, один из величайших законов, которые на языке математики описывают свойства природы, приводит к большой трудности, ясной уже самому Ньютону. В математическую формулу закона не входит время. Создается впечатление, что сила тяготения распространяется мгновенно. Ньютон отлично сознавал, что это. не так. Ему была известна колоссальная величина скорости света, измеренная Рёмером из наблюдений моментов затмения спутников Юпитера. Он понимал, что тяготение может распространяться невообразимо быстро, но не мгновенно. Почему же это не отразилось в законе тяготения? Мучила Ньютона и другая тайна тяготения: что и как передает его от одного тела к другому? Это оставалось неизвестным. Сравнение с яблоком, вид которого притягивает мальчика (объяснение священника Гассенди), конечно, не соответствовало принципам научного познания, сформулированным Галилеем и уточненным Ньютоном. Да и не много ли этого для яблока…

Ньютон настойчиво думал над загадкой тяготения; но одно дело — обдумывать вопрос самому, другое — отвечать на чужие вопросы… А они сыпались на него — ведь он стал знаменит, его почитали как мудрейшего и всеведущего… Конечно, можно было придумать какую-нибудь временную гипотезу, правдоподобную, наукообразную. Но Ньютон был пуританином в науке, бескомпромиссно честным, он был принципиально против беспочвенных умозаключений. Недаром его гордые слова «гипотез я не измышляю» вошли в историю. Он не боялся сознаться в непонимании причины тяготения. Он писал: «До сих пор я изъяснял небесные явления и приливы наших морей на основании силы тяготения, но я не указывал причины самого тяготения».

Почему он не указывает эти причины и не объясняет, каким образом осуществляется притяжение? «То, что я называю притяжением, может происходить посредством импульса или какими-либо другими способами, мне неизвестными».

Он признался в бессилии перед великой загадкой природы и предоставил ее решение потомкам. А они безуспешно пытались найти ответ в течение почти трехсот лет.

Так продолжалось до тех пор, пока на корабль Галилея не взошел Эйнштейн. Но он не ограничивается опытами в каюте. Он поднимается на палубу и идет по ней со скоростью 3 км/час. Если скорость корабля 30 км/час, то наблюдатель на берегу, измеряя скорость корабля и за дальностью не видя пассажира, но зная, как быстро он ходит, скажет: скорость пассажира относительно берега 33 км/час или 27 км/час, в зависимости от того, движется ли он к носу или к корме. Этот расчет вытекает из принципа относительности Галилея, справедливого для механических явлений. Он основан на законе, сложения и вычитания скоростей.

Потом Эйнштейн сооружает на палубе каюту со стеклянными стенами и измеряет в ней скорость звука. Эта скорость оказывается в каюте одинаковой во всех направлениях и не зависит от движения корабля. Ничего удивительного, ведь звук — это колебания воздуха, чистая механика. Что из того, что наблюдатель, стоящий на берегу, получает другие результаты. Результаты измерений на берегу таковы: скорость звука в каюте больше в направлении движения корабля и меньше в противоположном направлении. Это полностью согласуется с принципом относительности Галилея и вытекает из правила сложения и вычитания скоростей.

Остановимся на этом подробнее, чтобы нам был более ясен дальнейший ход мысленного опыта. В изолированной от внешнего мира каюте воздух не может ни выйти из нее, ни войти вовнутрь. Если человек в этой каюте разговаривает, то с физической точки зрения он создает звуковые волны, которые распространяются в воздухе от его рта со скоростью звука. Они распространяются во все стороны с одинаковой скоростью. И достигают стен каюты одновременно во всех направлениях, если человек стоит в середине каюты. Пассажир в каюте скажет: скорость звука в моей системе координат одинакова во всех направлениях. Наблюдатель на берегу скажет: в моей системе координат — на неподвижном берегу — скорость звука, распространяющегося в движущейся каюте, в различных направлениях не одинакова. Она больше в направлении движения корабля (на величину его скорости) и меньше в противоположном направлении — также на величину скорости корабля. И никто не удивится и не оспорит эти измерения. Каюта изолирована, воздух в ней заперт, источник звука передвигается вместе с кораблем, и как следствие скорость звука различна для пассажира в корабле и наблюдателя на берегу. Тут полная аналогия с определением скорости пассажира, идущего по палубе.

Эйнштейн, который уверен в универсальности принципа относительности Галилея для всех явлений, а не только для механических, хочет доказать это объективно для оптических явлений. Он ставит вопрос: каков будет результат, если такой же опыт провести, измеряя скорость света?. И Эйнштейн производит мысленный эксперимент, полагая для наглядности, что свет — это волны эфира, подобно тому, как звук — волны в воздухе. Гипотеза эфира не влияет на результат. Она лишь упрощает рассуждения, уменьшает количество необходимых слов, экономит время. Можно «перевести» все рассуждения с «эфирного языка» на «безэфирный» — результаты не изменятся. Но здесь просто нет для этого нужного места. Не посчитал нужным сделать такой перевод и сам Эйнштейн.

Теперь он помещает в центре каюты источник света. Итак, говорит Эйнштейн, имеются две возможности. Первая: каюта увлекает эфир так же, как воздух. Тогда и результат измерения скорости света будет аналогичным опытам со звуком — скорость света зависит от скорости корабля. Наблюдатель на борту корабля и наблюдатель на берегу получат различные результаты для величины скорости света. Их результаты можно сопоставить при помощи формул преобразования Галилея, и опыт совпадет с расчетом.

Вторая возможность: эфир свободно проникает через стенки каюты, они не увлекают эфир в своем движении. Каюта движется сквозь эфир. Как корабль, медленно скользящий по абсолютно гладкому морю, не увлекает частиц воды, а продвигается между ними, так и прозрачные стенки каюты не увлекают эфира, он свободно проникает сквозь стенки. В этом случае наблюдатель, находящийся в каюте, мог бы, не выглядывая наружу, определить, движется корабль или нет: свет достигнет передней стенки каюты позже, чем задней.

Опыт со светом, в случае, когда эфир свободно проникает сквозь стены каюты, не отличался бы от опыта со звуком, если измерять скорость звука не в каюте, а на открытой палубе, где воздух не участвует в движении корабля.

Наблюдатель на палубе скажет: свет бежит к корме быстрее, чем к носу движущегося корабля. Наблюдатель, находящийся на берегу, увидит, что свет коснулся заднего каната, ограждающего палубу, раньше, чем переднего. Но он скажет: скорость света не зависит от движения корабля: различие времени касания лучами света соответствующих канатов определяется тем, что скорость корабля в одном случае прибавляется, а в другом вычитается из скорости света.

Обе возможности, говорит Эйнштейн, неприемлемы. Одна из них заставляет отказаться от предположения о том, что скорость света — постоянная величина, не зависящая от условий опыта и от применяемых приборов. Другая принуждает пренебречь фактом, установленным еще Галилеем: не выходя за пределы каюты, нельзя судить о ее движении. То, что Галилей установил свой принцип для механики, не дает основания для того, чтобы отказаться от него в оптике.

Эйнштейн считает бесспорным, что симметрия явлений природы, заключающаяся в том, что законы природы едины в покоящихся и в движущихся телах, не ограничена механикой. Симметрия справедлива для всех явлений. В этом состоит истинная сущность принципа относительности. Этот принцип шире, чем думал Галилей, для которого механика была основой всех наук.

Эйнштейн убежден: нельзя отказаться ни от принципа относительности, ни от постоянства скорости света. Нужно искать выход из тупика, говорит Эйнштейн, вернее, пишет вместе с другом и сотрудником Инфельдом в замечательной книге «Эволюция физики», вышедшей в 1938 году. В более ранних статьях и брошюрах, посвященных теории относительности, Эйнштейн проводил свои мысленные эксперименты не в каюте корабля, а в купе поезда.

Кредо Эйнштейна — всякая теория должна опираться на реальный опыт — требовало полного доверия к факту постоянства скорости света, неоднократно подтвержденному всеми достоверными экспериментами. Врожденное чувство гармонии убедило Эйнштейна во всеобщей справедливости принципа относительности Галилея, отражающего симметрию природы — в данном случае симметрию покоя и равномерного прямолинейного движения. В чем же просчет мысленного опыта? Где логика рассуждений уводит от действительности? Может быть, вина лежит на математике? Все ли в порядке в самих формулах сложения и вычитания скоростей? В преобразованиях Галилея?

Эйнштейн снова и снова обдумывает ситуацию. Переход от одной системы координат к другой осуществляется так, как это принято в классической механике. Это простой, механический закон сложения и вычитания скоростей. Он исходит из существования некоего абсолютного времени, единого для всех наблюдателей, для всех систем отсчета. Он исходит из предположения, что во всех системах координат расстояния между телами имеют одно и то же значение. Из этих двух принципов, которые казались всем вполне естественными, и следуют математические формулы преобразования Галилея… На них сосредоточивает свое внимание Эйнштейн. В них видит узкое место.

Не однажды, не дважды — множество раз ученые перестраивали формулы, рожденные теориями, подчиняясь необходимости увязать формулы с реальностью, с опытными данными. И Эйнштейн вынужден ввести в преобразования Галилея изменения. Он вводит небольшие изменения — о них мы еще будем говорить. Он вводит в них скорость света. Картина меняется словно по волшебству! Все становится на свои места! Теперь скорость света постоянна в обеих системах координат — и на корабле и на берегу! Теперь вновь торжествует принцип относительности Галилея, хотя математические преобразования Галилея изменены. Теперь вновь обретена симметрия явлений природы — на движущихся телах и на телах, пребывающих в покое. Вновь восстановлена гармония. Но… какой ценой? Эйнштейн еще не знает, какую бурю он вызовет, потянув за эту ниточку…

Эйнштейна не удовлетворяет успех от исправления преобразований Галилея, сделавшего их пригодными для анализа событий, связанных с оптическими явлениями, с событиями, где играет роль скорость света. Ему всегда и во всем нужно видеть физическую картину, понять анатомию явления. Эйнштейну было насущно важно понять причины, по которым преобразования Галилея необходимо заменить новыми формулами, выяснить физические следствия этой замены. Луи де Бройль комментирует: «Это Эйнштейн сделал при помощи тонкой и глубокой критики понятий пространства и времени». К этому его привела логика, ведь в формулу скорости входят именно расстояния и время. Затем де Бройль продолжает: «Такая критика была совершенно необходима, поскольку преобразование Лоренца влекло за собой целый ряд следствий, казавшихся тогда совершенно парадоксальными».

Итак, произнесено название «преобразования Лоренца». Да, формулы, найденные Эйнштейном как замена преобразований Галилея, носят наименование преобразований Лоренца. Эйнштейн получил эти усложненные формулы, не зная, что ранее они уже были выведены Лоренцом из других соображений. В то время Эйнштейн работал в должности эксперта третьего класса в Берне в «Бюро духовной собственности», как тогда именовалось Швейцарское патентное бюро. В Берне он не имел возможности ни общаться с физиками, ни пользоваться соответствующей литературой. Он был предоставлен себе, и все, чего он достиг, явилось результатом предельной интеллектуальной сосредоточенности, плодом самостоятельных усилий.

Эйнштейн пришел к этим преобразованиям в 1905 году, исходя из чисто интуитивного, внутреннего убеждения в том, что в природе властвует симметрия и она должна отображаться в уравнениях. Симметрия в природе проявляется, в частности, в принципе относительности и в независимости скорости света от движения наблюдателя. Математика должна отображать эту симметрию. Симметрия жестко ограничивает выбор математических формул, пригодных для описания природы. Эйнштейн был убежден — симметрия требует изменения формул, полученных Галилеем, поэтому он и отважился на эти изменения.

Итак, выход из тупика, найденный Эйнштейном, звучит очень просто: скорость света всегда и везде постоянна; принцип относительности везде и всегда справедлив. Природа устроена так, что скорость света постоянна при всех условиях и никакие тела не могут двигаться со скоростью света или еще большей. В своей автобиографии Эйнштейн рассказывает о мысленном эксперименте, послужившем первым толчком для этой мысли. Школьником он задумался над тем, какой должна предстать световая волна перед наблюдателем, движущимся вдоль нее со скоростью света. Ответ гласил: она должна выглядеть неподвижным электромагнитным полем, величина которого изменяется в пространстве. И вывод школьника: этого не может быть!

Если читатель нуждается в уточнении, если требуется сказать, чего не может быть, то ответ гласит: не может быть движения со скоростью, равной скорости света. Недопустимо даже мысленно считать, что световая волна может при каких-то условиях предстать неподвижным образованием. Природа устроена так, что принцип относительности справедлив не только для механики, что установил Галилей, но и для всех других известных процессов и явлений. Впоследствии пришлось ввести два пояснения: принцип относительности останется справедливым и для всех явлений, которые еще не известны, но могут быть открыты в будущем: элементарные частицы, способные двигаться со скоростью света, не могут двигаться иначе (не могут существовать в покое). Это относится к частицам света — фотонам— и к тем, не имеющим массы покоя частицам, которые, может быть, еще будут открыты.

Казалось бы, замечательный ответ, показавший выход из тупика и открывший новую эру в науке, куплен лишь небольшим усложнением формулы, выражавшей принцип относительности на языке математики. Нет, это не совсем так. Эйнштейн не только изменил формулу. Это был не формальный акт. Эйнштейн проник так глубоко, что пришлось поставить под сомнение исходные принципы, лежащие в основе преобразований Галилея и законов Ньютона. Они исходили из постулата абсолютности времени и пространства для любых наблюдателей — на покоящихся или движущихся телах. Эйнштейн усомнился в неизбежности этого постулата. Пересмотрел основные положения классической механики и в конце концов… отказался от них! Ввел другие исходные постулаты. Основным критерием он принял свое юношеское прозрение — никакая энергия, никакой сигнал не может распространяться со скоростью, большей, чем скорость света в пустоте. Вторым постулатом он счел незыблемость принципа относительности для всех явлений в природе как основы симметрии, гармонии мира, неизбежно отраженной в законах природы. Все это меняло взгляд на устоявшиеся понятия физики. И с этим теперь нужно было жить… Чтобы свести концы с концами, Эйнштейн провел глубокий критический анализ методов измерения времени и расстояний. Эйнштейн много размышлял перед тем, как пришел к расширению принципа относительности и к необходимости пересмотреть многие привычные нам понятия о размерах тел, о постоянстве течения времени во Вселенной, о понятии одновременности событий. Это и легло в основу Специальной теории относительности, о которой будет подробнее рассказано впереди.