Литературная Газета 6439 ( № 46 2013)

«Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придётся бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно».

Выводы Галилея назвали принципом относительности.

Этот принцип, утверждающий эквивалентность различных инерциальных систем отсчёта, сыграл важную роль в классической механике. Преобразования, связывающие результаты наблюдений относительно двух инерциальных (то есть не испытывающих ускорения) систем отсчёта, получили название преобразования Галилея.

Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения, описывающие различные электромагнитные поля. Из них выходило, что скорость света не зависит от системы отсчёта и всегда одинакова. Максвелл объяснил это наличием так называемого эфира и эфирного ветра. Эфиром в Средневековье называли пятый элемент, иначе говоря, квинтэссенцию, которую безуспешно пытались найти настойчивые алхимики. Подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе, так и свет должен якобы распространяться в некоей среде, которую и решили назвать эфиром. Максвелл призвал научное сообщество во что бы то ни стало доказать существование эфира. Два умелых экспериментатора, Майкельсон и Морли, как раз этим и занялись. С помощью точных оптических приборов – интерферометров они пускали световые лучи в перпендикулярных направлениях, чтобы измерить скорость эфирного ветра, обдувающего Землю, поскольку тот несётся с огромной скоростью в эфирном пространстве. Сколько бы они ни повторяли свой эксперимент, приборы показывали полный штиль. Ветра не было. С тех времён были проведены десятки гораздо более точных экспериментов, и все они показали тот же результат. От концепции эфира пришлось отказаться. И сразу же стало ясно, что уравнения Максвелла, которые абсолютно точно описывали все параметры любых электромагнитных полей, противоречат классической механике.

Стали предприниматься попытки как-то исправить ситуацию, не отказываясь от эфира. Несколько преуспел в этом Хендрик Лоренц. Он вывел свои собственные преобразования, так что с их учётом уравнения Максвелла не противоречили выводам Галилея. Лоренц считал свои выводы применимыми только лишь к электромагнитным волнам и эфиру, не распространяя их на общие свойства пространства и времени. И спустя несколько лет сокрушался, что не смог «предложить теории относительности».

Эту теорию фактически открыл великий французский математик Анри Пуанкаре.

Ему принадлежит чёткая формулировка принципа относительности для электромагнитных явлений. В своей работе в 1895 году он писал:

«Невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира».

В 1898 году Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света и обратил внимание на условный характер понятия одновременности двух событий:

«Не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе не имеет смысла и можно применять его только условно».

Под влиянием работ Пуанкаре Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории. В ней он предположил, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках. Анри Пуанкаре развил эти идеи в статье «О динамике электрона», где был сформулирован всеобщий принцип относительности, совместимый с преобразованиями Лоренца. В этой же работе он предложил релятивистское обобщение теории гравитации, в которой тяготение распространялось в эфире со скоростью света. Несмотря на то, что фактически Пуанкаре сформулировал основные постулаты специальной теории относительности Эйнштейна (СТО), его работы были написаны в духе эфирной теории Лоренца:

«Результаты, полученные мною, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц. Я стремился только дополнить и видоизменить их в некоторых деталях».

Минус пятый элемент

Всё это не позволило ни Лоренцу, ни Пуанкаре сделать гигантский шаг вперёд. Его сделал Эйнштейн в своей знаменитейшей работе «К электродинамике движущихся тел». Она вышла в сентябре 1905 года, содержала очень простые формулы и, несмотря на электродинамическое название, несла в себе коренной пересмотр взглядов на устройство Вселенной.

Говоря об основополагающих принципах своей теории, Эйнштейн пишет:

«Дальнейшие соображения опираются на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света. Мы определяем оба принципа следующим образом: