Кузнецов Б.Г. Относительность:
Эволюция принципа относительности от древности до наших дней. Изд. 2

---

ВВЕДЕНИЕ				3
I. АНТИЧНЫЕ ИСТОКИ				11
II. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ				23
III. ПРИНЦИП ИНЕРЦИИ				40
IV. МАТЕРИЯ И ПРОСТРАНСТВО				46
V. АБСОЛЮТНОЕ И ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ В НЬЮТОНОВЫХ «НАЧАЛАХ»				55
VI. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КРИТИКА МЕХАНИКИ НЬЮТОНА				67
VII. ИСХОДНЫЕ ИДЕИ ЭЙНШТЕЙНА				88
VIII. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ				104
IX. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ				122
X. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТЬ				139

---

В этой книжке теория относительности показана в ее развитии. Слово «развитие», примененное к научной теория, означает изменение. Меняются, уточняются, обобщаются, ограничиваются или, наоборот, расширяются первоначальные утверждения. Слово «развитие» означает, далее, сохранение какого-то сквозного субстрата теории. Это слово теряет смысл, если нет субъекта развития, того, что развивается. И, наконец, предполагается, что развитие теории непрерывно: новое содержание теории вытекает из предыдущего. Эйнштейн писал: «Есть нечто привлекательное в изложении эволюции идей, максимально кратком и в то же время достаточна полном, чтобы передать непрерывность их развития». В данном случае речь идет о теории относительности, об идее, которая не только жила и живет, но и будет жить, это гарантировано -в той мере, в какой вообще можно предвидеть будущее науки. Мы уверены, что каждый раз, когда объектом эксперимента будет движение тела, обладающего большой энергией, результаты измерений будут согласовываться с соотношениями, найденными Эйнштейном. Эти соотношения в пределах своей применимости представляются незыблемыми.

Живой, изменчивый и в то же время незыблемый в своей основе характер идеи относительности раскрывается особенно убедительно при попытках прогнозов. Такие попытки стали сейчас неотъемлемой частью теоретических работ. В последней главе этой книги мы попробуем разобраться в причинах своеобразного «ожидающего» ощущения в современной теории элементарных частиц. Сейчас, как никогда, внимание физика-теоретика привлечено к будущему, от которого ожидают некоторой весьма общей теории, способной сообщить физический смысл некоторым пока лишенным его математическим приемам. Эта теория должна раскрыть процессы, происходящие в очень малых пространственно-временных областях — меньше триллионной доли сантиметра и соответственно в течение времени, необходимого свету, чтобы пройти такое расстояние. Есть все основания думать, что для изучения физических процессов в подобных малых областях уже «нельзя пользоваться обычной картиной непрерывного движения частиц, их непрерывного перехода из одной точки в другую, что здесь вопросы, заданные природе и получившие удовлетворительное решение во внутриатомном мире, потеряют смысл, что стройная и непротиворечивая теория элементарных частиц должна будет оперировать еще неизвестными нам крайне парадоксальными понятиями. Теоретическая физика стремится приблизиться к таким понятиям. Вместе с тем она проникнута тем, что Роберт Оппенгеймер назвал «ностальгией»,— стремлением вернуться к привычным и понятным категориям классической и атомной физики. «Ностальгия», обращенная и к будущему и к прошлому, понимание переходного характера современных представлений, атмосфера противоречий, в которых наука видит исходный пункт новых представлений,— все это делает историю принципа относительности тем, что Эйнштейн называл «драмой идей».

Физиологи знают, насколько исследование in vivo (живой ткани) труднее исследования in vitro (на стекле) — наблюдения препарата в смысле однозначной достоверности. Исследование теории относительности in vitro дало колоссальный толчок физике. И не только физике. Аксиоматически построенная теория относительности оказала большое воздействие на современную научную мысль в целом. Но исследование in vitro должно быть сейчас дополнено демонстрацией in vivo.

В отношении принципа относительности анализ in vivo дает новую трактовку творчества крупнейших мыслителей, искавших рациональную гармонию в мироздании, в том числе Аристотеля, Галилея, Ньютона и Эйнштейна.

Живой образ Аристотеля, самого монументализированного мыслителя древности, очень важен для современной науки. На поворотных этапах наука в поисках .новых путей всегда припадала к Кастальскому ключу античной мысли и находила в нем не воплощенные в традиционные конструкции, незастывшие образы и понятия. О современных эквивалентах аристотелевской концепции движения будет сказано в очерке, посвященном принципу относительности в античной науке. Сейчас, забегая вперед, отметим только, что исходным пунктом сопоставления концепций Аристотеля с современными концепциями и анализа аристотелевой физики in vivo служат замечания Ленина о «наивной разногласице», «запросе», «подходе» как о живом содержании логики Аристотеля.

Живой Галилей встает со страниц «Диалога о двух системах мира» и «Бесед и математических доказательств», как только мы начинаем сопоставлять принцип относительности, высказанный в виде конкретных картин в каюте судна, движущегося из Адриатики в Сирию, и в виде мысленных экспериментов, с сухими теоремами и схолиями ньютоновых «Математических начал натуральной философии». Но и сам Ньютон при сопоставлении его концепций с современными, при внимательном учете звучавшей уже а XVII в. критики абсолютного пространства и абсолютного времени оживает, теряет свой монументализированный облик, становится полным живых противоречий. Ньютон разрабатывал свою механику в русле классического идеала: причины движения тел должны сводиться к относительным положениям и взаимодействиям тел. В эту идеальную схему вторглось абсолютное пространство, без чего Ньютон не мог объяснить появление центробежных сил и вообще сил инерции. И вот — объективная трагедия ньютоновой механики: в идеальную схему взаимодействия тел, полностью объясняющего их движения, входит чуждое идеальной схеме воздействие пустого абсолютного пространства на тела.

Эйнштейн, казалось, приблизился к классическому идеалу, абсолютное пространство и абсолютное время были устранены из научной картины мира. Но это приближение физических воззрений к классическому идеалу стоило последнему жизни. Из теории относительности вытекали следствия, несовместимые с классическим идеалом науки. Далее, теория относительности, объяснившая колоссальное число явлений, обладавшая не имеющей прецедентов логической стройностью, искала и нового физического обоснования, связи с микроскопической структурой вещества. К счастью, мы располагаем удивительно ясным этюдом о теории относительности, представленной Іn vivo. Таким этюдом является автобиографический очерк, написанный Эйнштейном в 1949 г.,—один из самых замечательных документов физической мысли, истории научного творчества, его логики, его психологии.

Автобиографический очерк Эйнштейна изобилует неожиданными переходами: отроческие воспоминания сменяются гносеологическими экскурсами, характеристикой классической механики и электродинамики, затем изложение возвращается к автобиографической канве, после изложения специальной теории относительности идет очень глубокий анализ нерешенных проблем. В этом жанровом многообразии, где автобиографические данные кажутся отступлениями от изложения физических идей, где характеристики ученых перемежаются краткими собственно физическими замечаниями — зачатками новых физических воззрений — а также набросками гносеологических концепций, чувствуется какая-то определенная мелодия, какая-то однозначная связь. Автобиография Эйнштейна своей структурой напоминает не готический собор (его напоминают статьи «К электродинамике движущихся тел» и «Основы общей теории относительности»), а скорее нагромождение столь различных куполов Василия Блаженного, где каждый необходим для цельного общего впечатления.

Одна историческая параллель. Когда-то Декарт упрекал Галилея в беспорядочности «Диалога». Эта книга действительно далека от однозначной последовательности декартовых «Начал философии» (и еще больше от строгой логической структуры ньютоновых «Математических начал натуральной философии»). Но в «Диалоге» чувствуется не застывшая в определенных формах, живая мелодия новой науки. Основные работы Эйнштейна («К электродинамике движущихся тел», «Основы общей теории относительности» и др.) — современный аналог «Начал натуральной философии»; автобиографический очерк 1949 г. по своему жанру ближе к произведениям Галилея.

Вспомним еще об одном критерии жизни. Живое вещество взаимодействует с окружающей средой. Этот критерий переносится на объекты, к которым понятие «жизнь» применяется в условном, а не в буквальном смысле. Даже время жизни элементарной частицы — электрона, нейтрона, протона и т. д.— это время, когда сохраняются определенные характеристики взаимодействия данной частицы с другими (ее масса покоя, заряд и т. п.). Взаимодействие научной идеи с другими научными идеями — признак ее жизни.

Для жизни, для существования и развития теории относительности особое значение приобретает ее взаимодействие с квантовой механикой. Именно в таком взаимодействии лежат истоки обновления и модификации фундаментальных принципов теории Эйнштейна. Поэтому читатели этой книги, вероятно, не сочтут неуместным включение в нее истории конфликта и синтеза идей Эйнштейна и Бора.

Несколько слов о характере изложения и требованиях, которые предъявляет «Эволюция принципа относительности» к читателю. Книжка рассчитана на широкие круги. Но на круги, которые хотят познакомиться не с облегченной моделью, имеющей мало общего с чрезвычайно глубокой, требующей напряженных интеллектуальных усилий физической теорией. Книга адресована тем, кто хочет узнать об очень трудных (и именно поэтому увлекательных) проблемах, которые стоят за понятием относительности.

В этой книге нет математических формул, нет символов, почти нет специальных терминов, а те, которые вошли в текст, разъяснены, и изложение в этом смысле стало элементарным до такой степени, что, может быть, даже обидит читателя. Как это ни парадоксально звучит, книга при этом стала более трудной. Внешние трудности изложения — наличие сложного аппарата, сложных, требующих специальных знаний и навыков конструкций, выражений и символов,— в какой-то мере отвлекают от самых тяжелых противоречий и проблем, связанных с принципом относительности.

Представим себе бесконечное пустое пространство и в нем только одно тело. Движется ли оно? Такое утверждение, по-видимому, не имело бы смысла; движение означает изменение расстояний между движущимся телом и иными телами* Может быть, оно покоится? Подобное утверждение также вызовет возражения: покой означает неизменность расстояний между данным телом и другими, рассматриваемыми как тела отсчета. Но это еще только начало кардинальных трудностей, которые появляются на пути мысли, стремящейся понять, что такое движение и что такое покой.

Именно эти кардинальные трудности являются сквозными: они были обнаружены очень давно, за многие сотни лет до возникновения сложного математического аппарата современной науки, они не решены в окончательной форме и сейчас (быть может, проблема существования изолированной частицы будет одной из самых актуальных в ближайший период). Математический аппарат помогает модифицировать, уточнять, развивать, обобщать, конкретизировать кардинальные трудности понятия относительного движения. Такое развитие, конкретизация и обобщение сквозных неисчезающих трудностей и означает жизнь принципа относительности, его себетождественность и изменчивость.

Чтобы бросить взгляд в, быть может, бездонную глубину проблемы относительности, следовало бы, по-видимому, в какой-то мере воспринять способность к «первому взгляду» на мир. Такая способность свойственна искусству: вероятно, в наибольшей степени она была свойственна Льву Толстому, который заставил людей увидеть традиционные, привычные, обросшие ассоциациями и многогранными сложными обоснованиями общественные институты как бы в первый раз и обнаружить таившиеся в них трагические противоречия.

В науке такая способность была свойственна в очень большой степени Эйнштейну. Он как-то объяснил, почему именно ему удалось создать теорию относительности, своим «поздним развитием»: большинство людей думает о времени, пространстве, движении в детстве, а Эйнштейн думал о них в таком возрасте, когда мог облечь свои раздумья и выводы в научную форму.

Конечно, то, что самый скромный из великих физиков считал задержкой в развитии и чуть ли не инфантильностью, было прерогативой гения. Но в парадоксальном объяснении Эйнштейна содержится одна действительная истина, которая становится весьма явной, если перейти от онтогенеза человека к филогенезу человечества, от детства человека к детству человеческой цивилизации, к античной культуре.

«Первый взгляд», брошенный древнегреческой мыслью на мир, не позволил увидеть детали и количественные соотношения. Но он обнаружил кардинальные апории бесконечного и конечного, пребывающего и преходящего, абсолютного и относительного, не затушеванные экспериментальными и математическими трудностями, связанными с изучением деталей, количественных соотношений и с поисками однозначных констатаций.

Поэтому мне в этой книжке хотелось сразу после очерка об античных истоках концепции абсолютного и относительного движения (а такими истоками можно считать, разумеется, со многими оговорками, аристотелевские схемы подлунного и надлунного миров) остановиться на самых общих проблемах и определениях. В таком историческом контексте они могут быть (и, более того, должны быть) высказаны в самой нестрогой, «интуитивно постигаемой форме, причем в форме, которая показывает отличие античных истоков принципа относительности от его позднейшего, более явного развития в классической науке XVII—XIX вв.

Вторая серия трудностей такого же типа ожидает читателя после глав, рассказывающих о принципе относительности у Галилея, Декарта и Ньютона, Здесь в центре внимания оказывается понятие силового поля. В XIX в., когда механика оперировала представлением о дискретных телах, движущихся одно относительно другого и взаимодействующих между собой, электродинамика пришла к совсем иному представлению. В электромагнитном поле изменение электрических сил вызывает возникновение магнитных сил, и наоборот. Физическими объектами служат в этом представлении не дискретные тела, а деформации среды, которые не удалось отождествить с механическими деформациями в некотором всезаполняющем теле. Такое представление в конце концов позволило отказаться от ньютоновых понятий абсолютного пространства, абсолютного времени и абсолютного движения. В свою очередь, понятие относительности, существовавшее в классической физике, в большой степени изменило свой смысл. Проникнуть в этот смысл, понять, что выросшая из электродинамики теория Эйнштейна ушла очень далеко от классической картины относительного смещения тел,— в этом состоит вторая задача.

Третья задача и третья серия больших затруднений физической мысли, к которым приобщится читатель, связаны с перспективами теории относительности. Она должна проникнуть в мир очень больших энергий и, соответственно, очень малых пространственно-временных областей, должна объединиться с • квантовой теорией в более общую теорию, которая, по-видимому, объяснит, почему известные нам элементарные частицы обладают именно такими, а не иными массами и зарядами. Попытки создания единой теории элементарных частиц предпринимаются сейчас почти непрерывно. Довольно широкую известность получила идея Гейзенберга: единая материальная субстанция взаимодействует сама с собой, и такое взаимодействие оказывается причиной образования элементарных частиц. Указанная идея была воплощена в систему математических понятий и уравнений, решение которых должно было дать теоретическое объяснение наблюдаемых масс элементарных частиц и других физических постоянных. Именно к концепции Гейзенберга и относились слова Нильса Бора: «эта теория несомненно сумасшедшая, но еще не известно, достаточно ли она сумасшедшая, чтобы быть справедливой».

По-видимому, Бор прав: единая теория, которая объяснит спектр масс частиц, механизм их взаимного превращения и ответит на вопрос «почему существуют именно такие, а не другие частицы?», будет основана на «сумасшедших» (т. е. крайне радикально отходящих от привычных, «нормальных») допущениях, Можно думать, что эта теория придаст новый смысл понятию относительности.

Разумеется, здесь не место вопросу о том, какие пути преобразования основных понятий физики и какие контуры единой теории определяются современными знаниями. Для жизнеописания теории относительности нужно другое. Самая неоднозначная, условная схема может показать действительный характер современных тенденций дальнейшего развития теории относительности. Гипотетическая физическая схема способна иллюстрировать сравнительно достоверную констатацию: теория относительности идет к преобразованию, обобщению, углублению и уточнению физического смысла своих понятий, такое преобразование будет преобразованием нестареющей, вечно живой теории относительности, объектами преобразования будут ее фундаментальные утверждения, высказанные уже в древности.

К ним мы сейчас и обратимся. Нам предстоит познакомиться с релятивистскими (т. е. исходящими из относительности положений, направлений и движений) представлениями в античной науке.

---