30. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

СОКРАЩЕНИЕ ЛОРЕНЦА — ФИТЦДЖЕРАЛЬДА

Занимая скромную должность младшего эксперта в швейцарском Патентном бюро, Альберт Эйнштейн, который, будучи студентом, не обратил на себя внимания ни одного из профессоров, которого попросили покинуть мюнхенскую гимназию ввиду того, что он оказывал дурное влияние на своих соучеников, и который был обязан как своим пребыванием в швейцарском Федеральном технологическом институте, так и своей работой в Патентном бюро своему другу Марселю Гроссману, писал в 1905 г.:

«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, и даже, более того, — к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же электродинамические и оптические законы... 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» [1].

Эти два постулата, заявил Эйнштейн, находятся «лишь в кажущемся противоречии». За исключением, быть может, своего друга и коллеги М. Бессо, он был единственным в мире человеком, кто обладал тогда этим знанием 2).

Неудачная попытка Майкельсона и Морли наблюдать движение Земли относительно эфира была лишь одной из огромного числа предпринятых в конце девятнадцатого века попыток определить скорость

движения Земли относительно этой светоносной среды. Поскольку каждый раз получался нулевой результат, теоретикам приходилось придумывать новые и все более безнадежные объяснения. Простора же для мысли было немного.

В самом конце девятнадцатого века Фитцджеральд и Лоренц выдвинули предположение, что при движении твердого тела относительно эфира его размеры изменяются так, что его длина в направлении движения сокращается как раз на такую величину, которая и приводит к отрицательному результату опыта Майкельсона — Морли. Если, согласно их предположению, длина параллельная направлению движения прибора, сокращается, так что она «в действительности» становится равной то время распространения в параллельном направлении в точности совпадает с временем распространения в перпендикулярном направлении и при повороте установки интерференционная картина не должна сместиться

В 1908 г. Минковский писал:

«Согласно Лоренцу, любое движущееся тело должно сокращаться в направлении своего движения, и если скорость тела равна это сокращение пропорционально множителю Эта гипотеза выглядит чрезвычайно фантастической, поскольку сокращение тел нельзя считать следствием сопротивления эфира или каких-нибудь подобных явлений, а можно лишь рассматривать как дар свыше, или как явление, сопровождающее само движение» [21.

Возникла настоятельная необходимость в фундаментальном объяснении предполагаемого сокращения движущихся тел, и Г. А. Лоренц попытался создать подробную теорию поведения твердых тел, находящихся в движении [31. Его статья производит поразительное впечатление: большинство написанных в ней уравнений имеют форму, которую мы сейчас считаем правильной. Статья содержит почти все, за исключением кардинального изменения взглядов на мир, которое мы связываем с работой Эйнштейна.

Лоренц рассматривает поведение вещества, скажем твердого стержня, находящегося в движении, предполагая, что силы, удерживающие вместе частицы стержня, — либо электромагнитные, либо ведут себя подобно электромагнитным. Затем, пользуясь электродинамикой Максвелла, Лоренц показывает, что силы, удерживающие частицы твердого стержня, изменяются, если стержень перемещается относительно эфира (например, между движущимися заряженными частицами начинают действовать магнитные силы, которые отсутствовали,

когда заряды покоились). Далее, Лоренц выдвигает предположение, что все силы подобны электромагнитным, а поскольку последние изменяются при движении тела, равновесное положение зарядов в стержне тоже изменится и окажется, что при движении стержень сокращается.

При этом Лоренц вынужден был допустить, что, например, электроны, которые в состоянии покоя считаются сферами радиуса изменяют свои размеры при движении так же, как и сам стержень. Более того, он должен был предположить, что силы, действующие между нейтральными частицами, как и силы взаимодействия между различными заряженными частицами, изменяются при движении частиц подобно электрическим силам. Иными словами, при перемещении тел все силы ведут себя подобно электромагнитным. Используя перечисленные допущения, Лоренцу удалось нарисовать физическую картину сокращения твердого стержня. Стержень сокращается вследствие того, что силы, действующие между частицами стержня, изменяются при его движении.

В своей статье Лоренц получил, что масса электрона должна изменяться, когда электрон начинает двигаться; затем Лоренц ввел время названное им «местным временем в движущейся системе». Это время не совпадает с временем в неподвижной системе и связано с ним весьма удивительным образом, однако при использовании «местного времени» уравнения Лоренца принимают особенно простой вид.

Таким образом, вывод работы Лоренца заключался в том, что, если считать все тела состоящими из заряженных частиц, а действующие между частицами силы — подчиняющимися уравнениям Максвелла, то, поскольку эти силы изменяются при движении тела, последнее будет сокращаться в направлении движения. Для такого вывода потребовалось несколько странных предположений: во-первых, электроны должны сокращаться подобно твердым телам; во-вторых, все существующие силы (например, гравитационные) должны вести себя так же, как и электромагнитные, когда тело движется. Если согласиться с этими допущениями, то становилась понятной физическая картина сокращения движущегося стержня.

Возможно, что наш взгляд на мир мог продолжать развиваться подобным образом, если бы не родился Альберт Эйнштейн. Лоренц нашел, что удобно ввести так называемое местное время в движущейся системе. Это было удобно потому, что при использовании этого времени уравнения электродинамики, соотношения между полями и зарядами сохраняли в движущейся системе ту же форму, которую они имели в неподвижной системе (этого не будет, если в подвижной и неподвижной системах использовать одно и то же время).

Минковский по этому поводу писал:

«Лоренц назвал — комбинацию х и — местным временем равномерно движущегося электрона и применил физическое истолкование этого понятия для лучшего понимания

гипотезы сокращения. Однако первым, кто ясно осознал, что время одного электрона ничуть не хуже времени другого, иными словами, что и — абсолютно равноправны, был А. Эйнштейн. Так впервые время, оказавшееся явно зависящим от физических явлений, было смещено со своего высокого пьедестала» [4].

Предпринятая Альбертом Эйнштейном атака на одну из самых древних наших догм, догму времени, придает его статье 1905 г. [5] особый блеск. И именно это делает ее столь малопонятной. В «техническом отношении» она чрезвычайно проста (гораздо проще статьи Лоренца, вышедшей раньше, но неизвестной тогда Эйнштейну) и не содержит ничего более трудного, чем утверждение, что скорость равна расстоянию, деленному на время: «...Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью с, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом. При этом путь луча света

Но если скорость светового импульса одинакова, наблюдаем ли мы за ним из одной системы отсчета или из другой, движущейся относительно первой, то наши представлений об оптическом пути (расстоянии) или о временном интервале, либо, как позднее выяснится, о том и о другом одновременно, необходимо пересмотреть.