Пуанкаре

Вездесущий заполнитель вселенной

Величайшая из всех неудачных гипотез обрела права гражданства в науке благодаря авторитету человека, категорически заявившего: «Гипотез не измышляю». Считая абсурдным предположение о том, что одно тело может взаимодействовать с другим на расстоянии, через пустоту, без участия какого-либо материального посредника, Ньютон мысленно заполнил все мировое пространство некой универсальной средой — эфиром, пронизывающим, по его мнению, даже сплошные тела. Идея к тому времени уже не новая.

Этот единый материальный носитель, обусловливая все известные тогда явления физического мира — и электричество, и магнетизм, и тяготение, — воплощал в глазах ученых их общность. Великий преобразователь естествознания в борьбе со взглядами сторонников дальнодействия вынужден был прибегнуть к эфиру по методологическим соображениям. Таким образом, Ньютон все-таки «изобрел» гипотезу, но в отличие от других приверженцев эфира он не подменял своими умозрительными догадками и предположениями необходимость экспериментального постижения законов и свойств этой вездесущей среды. Прекрасно понимая, как далеко отстоит современная ему наука от познания конкретных свойств гипотетического заполнителя вселенной, автор знаменитых «Начал» констатировал: «…нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира могли бы быть точно определены и показаны».

В течение последующих полутора столетий эфир так и оставался вне досягаемости физического эксперимента, а следовательно, за пределами подлинно научного знания. Это не мешало, однако, теоретикам использовать его в самых разнообразных своих построениях. Развивая представление об эфире как об идеально упругой среде, являющейся проводником световых колебаний, французский физик Френель в первой четверти XIX века смог объяснить явления дифракции и интерференции световых волн. Но и эта теория светоносного эфира не доказывала и не могла доказать ни его существования, ни его механической природы. Между тем представления об эфире настолько органично входили в теоретическую картину описываемых волновых явлений, что было совсем нелегко отделить их от экспериментально обоснованных положений теории Френеля.

Так, например, исходя из наивного представления о том, что эфир частично увлекается перемещающейся в пространстве Землей, Френель приходит к выводу о невозможности обнаружить на опыте движение относительно этой мировой среды и получает правильную формулу сложения скоростей.[30] Его теоретическое предсказание получило блестящее подтверждение при измерении скорости света в движущейся воде. Этот сложнейший опыт был поставлен в 1851 году замечательным французским физиком Физо, который к тому времени уже прославился своим точнейшим измерением скорости света в земных условиях. Но истинный смысл полученной Френелем формулы стал ясен только после создания теории относительности.

Несмотря на необоснованность гипотезы светоносного эфира, она привела Френеля к правильному основополагающему результату: он первым высказал утверждение о независимости скорости распространения света от движения его источника. На эту мысль его натолкнула аналогия с явлением распространения звука. Подобно тому как скорость звука определяется только свойствами среды, передающей звуковые колебания, и не зависит от скорости движения его источника, так и скорость прохождения сигнала в светоносном эфире должна определяться лишь свойствами этой среды. Этот вывод Френеля, оставшийся в силе и после признания электромагнитной природы света, сыграл исключительно важную роль в электродинамике движущихся тел. Он был положен в основу специальной теории относительности в качестве одного из исходных постулатов.

После того как физикам стала ясна фундаментальность электромагнитных явлений, их несводимость к механическим явлениям, они отказались от безуспешных поисков проявлений механических свойств эфира. Но даже столь значительный сдвиг в физических представлениях не затронул их веры в существование этой гипотетической среды. Отпала лишь необходимость приписывать эфиру абсолютную упругость и другие какие-либо свойства, отличные от электромагнитных. Эфир стал выступать материальным носителем свойств непосредственно самого электромагнитного поля. Материалистическая тенденция заполнения пустого пространства материальной средой нашла свое воплощение в новом эфире, уже не механической, а электромагнитной природы. Но и в новом обличье он, как и прежде, оставался особой идеальной средой, материальной субстанцией, невидимой и невесомой, недоступной опытному познанию.

Эфир продолжал фигурировать лишь в пределах умозрительной физики. Необходимость в нем проистекала из логической потребности связывать представление о поле и о процессе распространения электромагнитных колебаний с материальной средой — переносчиком силовых воздействий и носителем этих колебаний. Поэтому с каждым годом все более настоятельной становилась потребность в прямых экспериментальных доказательствах существования эфира. В последней четверти XIX века появилась наконец надежда окончательного решения этой проблемы, когда на самом серьезном уровне физики принялись обсуждать весьма хитроумные оптические и электромагнитные опыты, с помощью которых надеялись обнаружить движение Земли относительно неподвижного мирового эфира.

В поисках абсолютного движения

Согласно действующему в механике принципу относительности Галилея равномерное и прямолинейное движение материальной системы[31] относительно какого-либо другого тела совершенно не сказывается на ходе механических процессов, происходящих внутри этой материальной системы. В трюме корабля, плывущего равномерно и прямолинейно, никакими экспериментами невозможно обнаружить его движение относительно водной среды и суши. Чтобы измерить скорость движения судна, необходимо выйти за пределы перемещающейся системы, вступить во взаимодействие с внешней средой, включить ее в свой «опыт». В давние времена для этой цели моряки бросали за корму предмет, к которому была привязана веревка — линь, и измеряли скорость, отсчитывая узлы на разматывающемся лине.

В теории этот принцип относительности означает неизменность, одинаковость математической записи законов механики в системах, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Уравнения механических законов включают в себя координаты рассматриваемых тел и время. Если две системы движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, то при переходе из одной системы в другую пересчету подлежит лишь координата вдоль направления движения. Причем пересчет совершается по формулам преобразований Галилея: к координате добавляется расстояние, на которое сместились по отношению друг к другу обе системы. Производя в законах механики, записанных для одной системы, замену координат согласно преобразованиям Галилея, получим законы механики уже для другой системы. Если обе системы инерциальны, форма закона при такой замене координат останется прежней. Эта неизменность именуется инвариантностью законов механики относительно преобразований Галилея. Так выражается принцип относительности Галилея на математическом языке.

При любой сколь угодно высокой скорости невозможно обнаружить движение инерциальной системы, наблюдая за протекающими в ней механическими явлениями. Иное дело, если включить в рассмотрение электромагнитные явления. Мировой эфир играет роль абсолютно неподвижной среды для бесчисленного множества всех остальных систем. В такой привилегированной, выделенной системе электромагнитные процессы могут протекать иначе, чем в других движущихся инерциальных системах. Как арена действия электромагнитных явлений, эфир проникает во все тела, во все системы. От этой вездесущей внешней среды не изолируешься, как это мог сделать наблюдатель в трюме корабля, полностью отгородившись от воздушной и водной сред. Это значит, что любое электромагнитное явление поневоле уподобляется своеобразному «линю», бросаемому в неподвижное эфирное море, которое бороздят во всех направлениях самые различные системы. С помощью «электромагнитного линя» можно было бы отсчитывать скорость движения системы относительно самой неподвижной среды — абсолютную скорость — и тем самым подтвердить на опыте наличие этой среды. Но прежде чем ловить электромагнитными или оптическими экспериментами встречный (или боковой) «эфирный ветер», требовалось сначала обобщить уравнения Максвелла на случай движущихся тел, то есть нужно было мысленно перенестись на палубу движущегося корабля.

Из прежних неудачных попыток обнаружить абсолютное движение Земли с помощью оптических явлений было ясно, что следует либо предположить полное увлечение эфира вместе с Землей, либо рассчитывать на совсем иной порядок малости ожидаемого эффекта и готовить «линь» не столь грубый. По первому пути пошел Г. Герц. Предложенная им в 1890 году электродинамика движущихся тел, как и классическая механика, удовлетворяла принципу относительности Галилея. Уравнения электродинамики не менялись, когда к координатам применяли преобразования Галилея, и обнаружить «эфирный ветер» в принципе не представлялось возможным. Но тут же выяснилась неприемлемость такого прямого распространения принципа относительности механики на электродинамику. Принятая Герцем гипотеза полного увлечения эфира движущимися телами противоречила открытому Дж. Брадлеем в 1728 году явлению аберрации света звезд и результатам опыта Физо, измерявшего скорость света в движущейся воде.[32]

Другой путь обобщения теории Максвелла был представлен в работах голландского физика-теоретика Гендрика Антона Лоренца, сыгравшего исключительно важную роль в становлении современных физических представлений. Начиная с 1886 года Лоренц в целом ряде работ обращается к проблеме эфира и электродинамики движущихся тел. Он останавливается на гипотезе неподвижного эфира, не увлекаемого движением весомой материи, что освобождало его теорию от основного затруднения теории Герца в объяснении аберрации света звезд. Кроме того, эта гипотеза приводила к утверждению о том, что скорость распространения света не зависит от движения источника. Но в то время это важнейшее свойство света не было еще подтверждено прямыми наблюдениями. Лоренц пытался согласовать гипотезу о неподвижном эфире с многочисленными неудавшимися попытками обнаружить абсолютное движение Земли в оптических и электромагнитных опытах, и ему это удалось без каких-либо специальных предположений.

Уравнения электродинамики, полученные Лоренцем, оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея. Принцип относительности Галилея нарушался в предложенной голландским ученым электродинамике, что свидетельствовало о возможности обнаружить «эфирный ветер». Но ожидаемый эффект возникал лишь во втором порядке малости,[33] что объясняло отрицательный результат всех опытов, проведенных с точностью до первого порядка. Чтобы измерить абсолютную скорость Земли, нужно было существенно повысить точность экспериментального оборудования. Дело теперь было за экспериментаторами.

Решающий эксперимент

Абсолютное движение относительно неподвижного эфира можно было обнаружить только тогда, когда оно совершается с достаточно высокой скоростью. В противном случае улавливаемые эффекты оказывались слишком незначительными. Такую быстро перемещающуюся систему предоставила ученым сама природа. Наша планета вращается вокруг Солнца со средней скоростью около 30 километров в секунду. Еще в 1878 году Максвелл в своей статье «Эфир» обсуждал возможность наблюдения «эфирного ветра», возникающего за счет орбитального движения Земли. Из двух рассмотренных им постановок опыта он счел принципиально осуществимой только одну, и то, по его мнению, далекую от практических возможностей экспериментальной техники.

Проще всего было бы измерить скорость света в одном направлении и сравнить ее со скоростью светового луча, идущего в противоположном направлении. По ходу движения Земли эта скорость должна быть меньше, если действительно существует встречный «эфирный ветер». Но заманчивый в своей простоте опыт принципиально невозможно осуществить. Когда измеряют скорость звука, то момент испускания звукового сигнала отмечают световой вспышкой. Это позволяет наблюдателю на другом конце трассы, проходимой звуковой волной, фиксировать время ее отправления, а время прибытия отсчитывает сам звуковой сигнал. Для подобного же опыта со светом нечем отметить момент отправления светового луча. Ведь скорость распространения соответствующего сигнала должна была бы значительно превосходить световую скорость. Или же она должна быть известна с недостижимо высокой точностью. Поэтому никаким опытом невозможно доказать ни равенство скоростей света в двух прямо противоположных направлениях,[34] ни их различие. Можно лишь попытаться измерить общее время прохождения светом какого-либо расстояния в прямом и обратном направлениях. По-разному ориентируя по отношению к движению Земли этот дважды проходимый световым лучом путь, будем получать различное время прохождения за счет влияния «эфирного ветра». Правда, различие это весьма незначительное, почти в десять тысяч раз меньше, чем в опыте первого типа, что дало Максвеллу основание считать и этот эксперимент практически безнадежным. «Увеличение этого времени вследствие относительной скорости эфира, равной скорости Земли на ее орбите, — писал он, — составило бы всего около одной стомиллионной доли всего времени перехода и было бы, следовательно, незаметно».

С авторитетным мнением великого английского физика осмелился не согласиться молодой американский исследователь Альберт Майкельсон, взявшийся за постановку этого труднейшего опыта. Конечно, на этот шаг мог решиться только уверенный в себе, целеустремленный исследователь. Но, как пишет биограф Майкельсона, «недостатком уверенности в себе он никогда не страдал». Еще шестнадцатилетним юношей, чтобы получить внеконкурсное место в Морской академии, он добился встречи с президентом Соединенных Штатов и заверил его: «Если я поступлю в академию, Вы сможете мною гордиться».[35] Вскоре после окончания академии Майкельсон и задумал свой смелый эксперимент по обнаружению «эфирного ветра». Для достижения необходимой точности измерения он решил использовать явление интерференции. Фиксируя положение темных и светлых полос на интерференционной картине, возникающей при наложении двух световых пучков, можно уловить ничтожнейшее запаздывание одного луча по отношению к другому. Физо еще в середине XIX века смог таким способом обнаружить изменение скорости света в воде, вызванное ее движением со скоростью, лишь незначительно превышающей две стомиллионные доли скорости света. У американского физика был хороший пример для подражания. Следовало лишь подумать о такой схеме интерференционного опыта, который обнаружил бы влияние движения Земли на процесс распространения света.

В 1881 году Майкельсон приступил к измерениям на своем интерферометре, смонтированном в лаборатории Берлинского университета. Наблюдая в зрительную трубу интерференционную картину, он убедился в высокой чувствительности прибора. Полосы на экране дрожали и перемещались от каждого экипажа, проезжавшего по улице. Пришлось перевезти прибор в более спокойное место, в подвал обсерватории в Потсдаме. Но и здесь случайная погрешность отдельного измерения превосходила величину ожидаемого эффекта. Когда же прибегли к обработке данных многих измерений, вычисления не обнаружили никакого абсолютного движения Земли. Полученные результаты не были еще достаточно надежными для окончательного вывода. Тем не менее в том же 1881 году Майкельсон опубликовал в Америке и во Франции свое заключение об ошибочности гипотезы неподвижного эфира. Как говорил С. И. Вавилов, это было скорее догадкой, чем экспериментально доказанным фактом. К тому же в вычислениях времени прохождения светового луча Лоренц обнаружил ошибку. После ее исправления ожидаемый сдвиг интерференционных полос значительно уменьшился и составил всего четыре процента от их ширины. Доказать или опровергнуть наличие «эфирного ветра» оказалось гораздо труднее, чем первоначально предполагал автор опыта.

Вернувшись в Америку, Майкельсон не сразу отважился продолжить эксперимент, чтобы получить более достоверные результаты. Надо полагать, что к тому времени он уже понял всю сложность проблемы, которую ему не удалось решить с первого подхода. Для начала он задумал теперь создать прибор, способный заметить такие же ничтожные изменения скорости света, которые были обнаружены в опыте Физо. Своей идеей Майкельсон увлек видного ученого, профессора химии Эдварда Морли,[36] с которым он познакомился после переезда в Кливленд. В связи с плохим самочувствием Майкельсон не принимает участия в разработке измерительного устройства и в постановке опыта. Он покидает Кливленд в сентябре 1885 года, предполагая быть в отъезде целый год. Но через четыре месяца сообщение Морли об успешном запуске интерферометра вызывает его незамедлительное возвращение. Совместно проведя измерение скорости света в движущейся воде, они публикуют в 1886 году свои результаты, полностью подтверждающие данные опыта Физо. Лишь заново пройдя путь знаменитого французского физика, Майкельсон и Морли приступают к своему основному эксперименту. В середине 1887 года они завершили все намеченные измерения. Обнаруженные ими смещения интерференционных полос носили случайный характер и оказались в 20 раз меньше ожидаемого эффекта. «Эфирный ветер» был отвергнут теперь уже действительно достоверными результатами опыта, отвергнут окончательно и бесповоротно.

Этот решающий эксперимент дал величайший из всех «отрицательных» результатов в истории науки. Сам Майкельсон расценивал его как доказательство известной гипотезы об увлечении эфира движущейся Землей. Но совокупность имевшихся тогда экспериментальных данных и проведенный вскоре теоретический анализ всей проблемы не позволили согласиться с его выводами. Опыт привел к совершенно противоречивой ситуации в физике того времени, потребовал пересмотра основных ее понятий и представлений.

Глубокий кризис

Намереваясь посвятить себя физике, будущий великий физик-теоретик Макс Планк в 1875 году обратился за советом к декану физического факультета Мюнхенского университета. «Физика — область знания, в которой уже почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли вам имеет смысл поступать на физический факультет» — такую бесперспективную картину нарисовал ему авторитетный профессор.

Меньше всего ожидалось, что это безмятежное состояние завершенности физики как науки может быть нарушено какими-либо сенсационными экспериментами. Возникнув в результате анализа и обобщения первоначальных опытных данных, физика давно уже превратилась в точную математическую науку, значительно опередив технические возможности эксперимента. Экспериментаторам предназначалась как будто бы незавидная роль: непрерывно уточнять свои же результаты, удивляясь безотказности всегда подтверждаемых теоретических предсказаний. В лучшем случае они могли открывать некоторые новые особенности уже известных физических явлений, недостаточно подробно изученных теоретическими методами. Поэтому велико было всеобщее изумление, когда именно со стороны экспериментов последовало первое потрясение основ классической физики.

Теория классической физики оказалась совершенно беспомощной перед опытами, в которых были установлены особенности распространения света в движущихся системах. «Отрицательный» результат опыта Майкельсона — Морли, доказав принципиальную неуловимость, ненаблюдаемость эфира, исключил последние возможности традиционного, согласующегося с законами классической теории объяснения экспериментально установленных свойств света. Эксперимент Брадлея, в котором наблюдалась аберрация звездного света, вызванная движением Земли вокруг Солнца, и эксперимент Физо, в котором устанавливалось частичное суммирование скоростей при распространении света в движущейся воде, совершенно исключали гипотезу полного увлечения эфира движущейся Землей, как будто бы согласующуюся с результатом опыта Майкельсона — Морли. Вся совокупность этих опытов в целом создавала безвыходную ситуацию в физике конца XIX века.

Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опыте свойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилия величайшими экспериментальными открытиями совершенно новых и удивительных явлений. Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющее открытие: 1896 год — открытие явления радиоактивности, 1897 год — открытие электрона, 1898 год — открытие радия и полония, 1899 год — открытие сложного состава радиоактивного излучения. Пуанкаре пристально следил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века, нередко первым регистрируя наиболее острые моменты, как, например, обнаружение кажущегося несохранения энергии при радиоактивном распаде. Он неоднократно подчеркивал фундаментальный характер явления радиоактивности. Ему принадлежит меткая фраза о «радии — великом революционере нашего времени».

Каскад сенсационных открытий окончательно подорвал претензии классической физики на полное знание и объяснение физической действительности. Неспособность истолковать наблюдаемые на опыте особенности распространения света дополнялась теперь отсутствием каких-либо представлений о природе вновь открытых явлений. Экспериментальная физика обрела могущество, развеяв миф о полноте и близком завершении физики.

Одна из острейших проблем того времени была поставлена самой теоретической физикой. Расчеты распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела приводили к явно несуразному результату. В теоретически рассчитанном спектре энергия излучения неограниченно возрастала с уменьшением длины испускаемой волны. Это означало, что вся энергия нагретого тела должна была уходить в коротковолновое излучение. Неприемлемость такого теоретического предсказания была очевидна и без обращения к специальному опыту. Над решением этой проблемы, получившей название ультрафиолетовой катастрофы, безрезультатно бились крупнейшие физики мира.

Все эти вставшие перед физикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий и представлений и создания на их основе теоретического обобщения всей совокупности недавно полученных экспериментальных данных.