Фиговые листики теории относительности - О. Деревенский

О.Х.Деревенский

Фиговые листики теории относительности

«Теория относительности так надёжно подтверждена опытом, что сегодня сомневаться в этом могут лишь совсем необразованные люди».

Канонизированная версия появления теории относительности (ТО), вкратце, такова. На рубеже XIX-XX веков был в оптике движущихся тел жуткий кризис. Физики захлебнулись в противоречиях, сидели в прострации и не знали, что делать дальше. Тут-то Эйнштейн и вывел этих недотёп на путь истинный. Все-то противоречия его ТО устранила, все-то эксперименты она объяснила, да ещё кучу предсказаний сделала – и все они великолепно подтвердились на опыте!

Ну, красная цена канонизированным версиям хорошо известна: «Боже мой, что скажет история?» - «Да не волнуйтесь, история солжёт, как всегда!» И точно! Никаких противоречий ТО не устранила: она их послала куда подальше, а от себя новых насадила, ласково называя их парадоксами. Никаких экспериментов она не объяснила: она выдала постулаты без каких бы то ни было объяснений. А что касается дух захватывающих предсказаний ТО – мол, у движущегося с околосветовой скоростью объекта продольный размер сокращается чуть не в ноль, время растягивается чуть не на веки вечные, а масса растёт в дурную бесконечность – так правда в том, что все эти предсказания великолепно подтверждаются лишь мысленными экспериментами. А в физических экспериментах – не считая тех, тривиальные результаты которых ничего не доказывают – всё получается не так, как предсказывает ТО. Вам трудно такое представить? Ничего страшного: по меткому выражению Ландау, «ныне учёные способны постигать даже то, чего не могут себе вообразить». Было бы желание!

Ради исторической справедливости напомним, что вышеупомянутый «жуткий кризис» случился из-за представлений о природе света. Которые были, мол, больно наивными. А особенно – у Лорентца, чья концепция по законченности своей наивности была самой выдающейся. Всё пространство у него было под завязку заполнено особой субстанцией – эфиром. Механические напряжения в этой субстанции описывались уравнениями Максвелла. Читаешь Лорентца и изумляешься: становится совершенно понятно, почему уравнения Максвелла именно таковы, каковы они есть. А также – почему в эфире возможны упругие волны. Которыми, как считалось, и был свет. Причём, эта эфирная концепция охватывала и вещество тоже! Лорентц представлял «частички материи» как могущие свободно передвигаться «местные модификации в состоянии эфира». Развив теорию Максвелла на случай присутствия электрических зарядов и выведя законы их взаимодействия и движения, Лорентц объяснил все известные тогда явления в оптике, электродинамике, а также в испускании и поглощении тепла.

Но была здесь и заковыка, из-за которой-то всё и вышло. С эфиром, казалось бы, можно было связать выделенную систему координат – для отсчитывания абсолютных скоростей физических объектов. Смотрите: скорость упругих волн определяется упругими свойствами среды, поэтому скорость света должна быть константой по отношению к эфиру. Значит, если прибор движется в эфире, то для этого прибора скорость света должна определяться по правилам векторного сложения. Тогда для света легко объяснялся бы линейный эффект Допплера. А также – боковой снос (аберрация по Брэдли), из-за обращения Земли вокруг Солнца с линейной скоростью 30 км/с. Скорость эта приличная – Земля, по идее, должна со свистом пронизывать эфир. Но увы: наземные оптические эксперименты, например, опыт Майкельсона-Морли, показывают, что такого «пронизывания эфира» нет – как будто околоземный эфир вместе с Землёй тащится. Как же тогда околоземный эфир без всяких турбулентностей продирается сквозь эфир межпланетный? Эта проблема, по линии гидродинамики, устранялась бы, если плотность эфира у поверхности Земли была бы на несколько порядков больше, чем в межпланетном пространстве. Но скорость света и там, и сям – одинакова! Неужели, при изменении плотности среды на несколько порядков, не изменяются её упругие свойства? Нет, концы с концами никак не сходились…

Положим, результат-то Майкельсона-Морли Лорентц объяснил сокращением размеров конструкций их установки вдоль направления её движения в эфире. Это не было вспомогательной гипотезой. Из теории Лорентца прямо следовало, что электроны деформируются вдоль направления своего движения в эфире, превращаясь из шариков в сплюснутые эллипсоиды, а магнитные и электрические силы при этом изменяются так, что атомы в твёрдом теле занимают новые положения равновесия. От этого размер тела вдоль движения сокращается – на множитель, равный лорентцеву квадратному корню. С одной стороны, это было замечательно: хоть и наивное, но объяснение всё-таки. А с другой стороны выходило, что теория, основанная на абсолютных скоростях в эфире, в итоге разъясняла: вот этих-то скоростей, ребятки, вам и не видать, как своих ушей! Было в этом, знаете, что-то обескураживающее...

И вот, когда Лорентц по этому поводу пребывал в полном раздрае, стал ему чёрт нашёптывать: «Душка моя! Ты проверь: вдруг невозможность засечь абсолютную скорость – это универсальный принцип? Такой, что любому оптическому приборчику безразлично, стоит он в эфире или едет!» - «Сгинь, сгинь, - отмахивался Лорентц. – Такой абстракционизм моей теорией не опишется!» - «Да не скромничай, - втолковывал чёрт, - дело нехитрое! Стоит приборчик или едет, а оптическая картинка в нём одна и та же, так? Значит, в обоих случаях уравнения Максвелла идентичны! Вот и прикинь, как такое может быть! Если не ты, то кто же?»

Ну, Лорентц и прикинул – вышла, как и следовало ожидать, чертовщина полнейшая. В движущейся системе отсчёта уравнения Максвелла принимают точно такой же вид, как и в покоящейся, если выполнить особые преобразования линейной и временной координат. В результате этих преобразований, в движущейся системе отсчёта линейные масштабы сокращаются, в направлении движения, на множитель, равный лорентцеву квадратному корню, а временной масштаб, наоборот, на такой же множитель растягивается. «Господа! – умолял Лорентц. – Преобразования, которые я получил – это всего лишь формальный математический приём! Вы не подумайте, что в движущейся системе отсчёта происходят реальные деформации пространственных и временных масштабов!»

Всё! На этом месте лорентцевы игрушки кончились, и начался эйнштейновский монументализм. Никто не оценил результаты Лорентца так высоко, как Эйнштейн. Он проворно положил их в основу свеженькой концепции. Всё её содержание, в сущности, и сводилось к преобразованиям Лорентца и следовавшим из них деформациям пространственных и временных масштабов – с той лишь разницей, что эти деформации объявлялись реальными. «Постойте, - говорили ошарашенные физики. – Вон у Лоренца теория, так теория. Преобразования Лорентца – выведены им на основе его подхода. А у Вас?» - «А у меня, – растолковывал Эйнштейн, - преобразования Лорентца изначально присутствуют!» - «Да откуда они у Вас взялись-то?» - «Ах, господа, вы совсем тупые, что ли? Я их просто у Лорентца, как бы это выразиться, спостулировал. Имею право!» Кроме этого, Эйнштейн ещё «спостулировал» у Лорентца соотношение между массой и энергией (для случая электрона), а также выражение, описывающее рост массы электрона при увеличении его скорости. Там тоже множителем является лорентцев квадратный корень, так что внешне всё получилось очень даже в масть. Кстати, в знак признания заслуг Лорентца, это выражение поначалу так и называлось: формула Лорентца-Эйнштейна. Правда, у Лорентца эта формула была, опять же, чётко выведена, а у Эйнштейна, опять же, никакого вывода не было – эта формула у него тоже «изначально присутствовала». Уж на что Лорентц был утончённым интеллигентом, так даже он в своей «Теории электронов» высказал, что об Эйнштейне думает: «Его результаты… в основных чертах совпадают с теми результатами, которые мы получили… причём главное различие различается в том, что Эйнштейн просто постулирует то, что мы старались, с некоторыми затруднениями и не всегда вполне удовлетворительно, вывести из основных уравнений электромагнитного поля». Опять же – какая наивность! Во-первых, на утончённых интеллигентов и рассчитано. Во-вторых, многие ли читали «Теорию электронов»? А газеты читали многие. И в кинематограф ходили. Вот для всех них и устроили грандиозный кошачий концерт – про то, что Эйнштейн сбацал не фигнюшку какую-нибудь, а теорию, да к тому же гениальную. Трудно было найти домохозяйку или портового грузчика, которым все уши не прожужжали про то, что теперь, оказывается, «всё относительно». Пришлось потихоньку и физикам подтягиваться к переднему краю.

Ох, с каким же скрипом это у них получалось! Инерция мышления мешала! Что это для физиков значило – «всё относительно»? А это значило, что про абсолютные скорости в эфире следовало забыть. «И про эфир – тоже!» - настаивал Эйнштейн. Потому что про абсолютные скорости в эфире было забыть гораздо легче, если сначала забыть про сам эфир. Сейчас кому-то может показаться смешным расстраиваться из-за таких пустяков, но в то время на физиков было смотреть больно. Ведь отказ от эфира означал отказ от кучи наработок и, в первую очередь, от тогдашних представлений о свете – ради которых, собственно, эфир в своё время и придумали. «Но, - продолжал раздавать ценные указания Эйнштейн, - уравнения Максвелла нужно сохранить!» Это тоже понятно: без уравнений Максвелла теряли бы смысл преобразования Лорентца, а заодно и всё то, что называлось «теорией относительности». Поэтому, уравнения Максвелла пришлось сохранить. Но без эфира. Вот вы, дорогой читатель, можете представить упругие волны в среде, только без этой среды? Не получается? Странно… Впрочем, у физиков это тоже не сразу получилось. Они быстро поняли, в чём проблема: всё портило словечко «упругие». Это словечко они отбросили, и картинка заиграла: получились у них просто-волны, без всякой среды. Вот, оказывается, что такое свет: это волны в том, чего нет! Потихонечку-полегонечку даже теорию развили вот этого самого – чего нет. Это у них называется «теория поля». Презабавнейшая вещь! Студенты так и хлопают глазами, пытаясь сообразить – с какой стати это «поле» описывается уравнениями Максвелла, и откуда эти уравнения взялись.