Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Майкельсон вместе с Морли в 1887 году повторил свой опыт, повысив его точность. Теперь движение Земли относительно эфира было бы обязательно обнаружено, если бы эфир у поверхности Земли оставался неподвижным.

Но этого не случилось. Опыт не зафиксировал неподвижного эфира.

Эксперимент надежно показал, что вся электронная теория Лоренца покоится на ошибочном предположении о том, что эфир неподвижен, а все тела движутся относительно него.

Вместе с тем все выводы, полученные на основе этой теории самим Лоренцом и другими учеными, прекрасно совпадали с многочисленными и разнообразными опытами.

Несмотря на все опыты приходилось признать, что теория нуждается в критическом пересмотре. Опыт Майкельсона — Морли бесспорно доказал, что эфир невозможно считать неподвижным.

Но нельзя и согласиться с мнением Герца о том, что эфир полностью увлекается движущимися телами.

Обе теории привели в тупик.

СОКРАЩЕНИЕ РАЗМЕРОВ И ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ

И Герц, и Лоренц были вынуждены признать, что оптические опыты свидетельствуют о частичном увлечении электромагнитного эфира. Так же как эти опыты свидетельствовали о частичном увлечении механического эфира в теории Френеля.

Но признание частичного увлечения означает, что вопреки теории Максвелла эфир обладает не только электромагнитными, но и механическими свойствами.

Мы уже знаем, что Герц не мог с этим согласиться. Он предпочел считать свою теорию не окончательной и надеялся на то, что в будущем появится теория, построенная на электромагнитном эфире, свободном от механических свойств.

Не мог согласиться с этим и Лоренц. Он стремился найти путь к уточнению своей электронной теории. Он хотел, сохранив неподвижность эфира, устранить противоречие с опытом Майкельсона — Морли.

Интересно проследить за эволюцией его взглядов. В 1897 году он анализирует ситуацию и излагает свои мысли в статье «Относительно проблемы увлечения эфира». Главная мысль — признание того, что, считая эфир неподвижным, нельзя объяснить, почему не удается обнаружить движение Земли относительно эфира.

В следующем году в статье «К вопросу о поступательном движении эфира» он показывает, что признание частичного увлечения эфира движущимися телами приводит электронную теорию в тупик.

В это время Планк, тоже мучительно переживавший безуспешность попыток объяснения результатов опыта Майкельсона — Морли, предлагает новую гипотезу: эфир неподвижен, но сжимаем. В 1899 году Лоренц показывает, что этот путь противоречив. Он не соглашается приписывать эфиру механические свойства, а сжимаемость — типичная механическая характеристика.

Сменилось столетие, а выход не найден.

В 1902 году Лоренц публикует две статьи. В них он вновь рассматривает влияние движения тел на оптические явления.

Постепенно у Лоренца возникает интуитивное ощущение безусловной необходимости отказа от признания за эфиром каких-либо механических свойств. Интуиция подсказала ему новый путь устранения противоречия электронной теории (основанной на постулате неподвижности эфира) с опытом Майкельсона-Морли.

Этот путь основан на новой гипотезе, на предположении о том, что эфир каким-то образом влияет на движущиеся тела. Нужно лишь уточнить, каково это влияние, чтобы оно приводило к нулевому результату в опыте Майкельсона-Морли и в любых других оптических опытах, имеющих целью обнаружить движение приборов относительно эфира.

В статье «Электромагнитные явления в системе, движущейся с любой скоростью, меньшей скорости света», вышедшей в 1904 году, Лоренц подводит итог своим раздумьям, своим поискам, своим попыткам. Все это мы теперь могли бы отнести к «экспериментальной математике».

Лоренц пытался узнать, почему переход от неподвижного эфира к движущемуся телу нельзя совершить при помощи бесспорного преобразования Галилея. Вслед за этим возникает вопрос: можно ли видоизменить преобразование Галилея так, чтобы этот переход не приводил к противоречию с опытом Майкельсона-Морли?

Итог: такое видоизменение преобразования возможно. Удалось подобрать подходящие математические формулы. Они удовлетворяют двум требованиям. Первое — при больших скоростях движения тела они объясняют отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли. Второе — при малых скоростях движения они переходят в формулы преобразования Галилея.

За это пришлось уплатить двойной ценой. Первая — поверить в то, что при движении сквозь эфир размеры всех тел уменьшаются в направлении движения (в остальных направлениях размеры тел остаются неизменными). Согласится с тем, что при одинаковых скоростях совершенно одинаково изменяются размеры всех тел, начиная от электронов и кончая обычными телами, состоящими из множества частиц. А значит соответственно изменяются и размеры измерительных приборов.

Вторая — признать, что время на движущихся телах течет медленнее, чем на неподвижных. С этим Лоренц примирился еще раньше, когда ему пришлось допустить, что на движущихся телах существует свое «местное» время. Правда, формула, связывающая течение времени со скоростью движения тела, теперь отличается от той, которую он нашел в 1895 году. Но новая формула выглядит проще старой. Кроме того формула, описывающая замедление времени в движущихся телах, имеет много общего с формулой, описывающей сокращение размеров этих тел.

Проделав эту колоссальную работу, Лоренц признает, что она построена на гипотезе, принятой с целью устранить противоречие с одним единственным опытом. Он пишет: «О нашей гипотезе сокращения электронов нельзя заранее утверждать ни того, что она правдоподобна, ни того, что она недопустима».

История науки богата совпадениями. Ирландский физик Дж. Фитцджеральд, исследовавший явления излучения электромагнитных волн, а также электрооптические и магнитооптические процессы, тоже обдумывал отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли. В 1892 году в лекции студентам Тринити-колледжа в Дублине он высказал предположение о том, что воздействие эфира на все движущиеся тела приводит к тому, что их размеры сокращаются в направлении движения. Сокращаются и размеры измерительных приборов. В этом случае невозможно обнаружить сокращение: ведь измерительный прибор укорачивается так же, как измеряемый предмет.

Фритцджеральд не выразил эту гипотезу математически, а Лоренц ничего о ней не знал. Однако имя Фритцджеральд сохранилось в названии «сокращение Лоренца-Фритцджеральда».

Замечательный математик Анри Пуанкаре откликнулся на публикацию Лоренца статьей «О динамике электрона», вышедшей в том же 1904 году. Он несколько упростил формулы, полученные Лоренцем, и назвал эти упрощенные формулы «преобразованием Лоренца». Название стало общепризнанным. Преобразование Лоренца сыграло в развитии науки эпохальную роль. Этому мы обязаны Эйнштейну. Но об этом впереди.

Много позже, в 1914 году Лоренц счел необходимым подчеркнуть роль Пуанкаре и уточнить проблему приоритета. Вот его слова: «По этому поводу я должен заметить, что это преобразование встречается в одной статье Фойгта, опубликованной в 1887 году, и что я не извлек из этого преобразования всего возможного. В самом деле, для некоторых действительных величин, встречающихся в формулах, я не указал наиболее подходящее преобразование. Это было сделано Пуанкаре, а затем Эйнштейном и Минковским…

Позже я увидел из статьи Пуанкаре, что, действуя более систематически, можно было достичь еще большего упрощения. Не заметив этого, нельзя было добиться полной инвариантности уравнений; мои формулы были загромождены лишними