На плечах гигантов

Известно, что если применить электродинамику Максвелла в ее современном виде к движущимся телам, то это приведет к нарушению симметрии. Однако такое нарушение, по всей видимости, для самих явлений нехарактерно. Например, рассмотрим электродинамическое взаимодействие между магнитом и проводником, по которому идет ток. На наблюдаемое явление здесь влияет только относительное движение проводника и магнита. Однако, согласно привычному представлению, два случая, в которых движется либо одно, либо другое тело, должны быть строго обособлены. Действительно, если движется магнит, а проводник покоится, то вокруг магнита возникает электрическое поле. Это электрическое поле обладает некоторым количеством энергии, которое порождает ток в тех местах, где находятся части проводника. Если покоится магнит, а движется проводник, то никакого электрического поля вокруг магнита не возникает. В проводнике в этом случае возникает электродвижущая сила, которой самой по себе не соответствует никакая энергия. Эта электродвижущая сила – в предположении о тождественности относительного движения в обоих рассматриваемых случаях – вызывает электрические токи той же величины и того же направления, что и электрическое поле в первом случае.

Примеры подобного рода, а также неудачные 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. Более того, они ведут к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Это предположение (содержание которого далее будет называться «принципом относительности») мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, следующее добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии. Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью V, которая не зависит от состояния движения излучающего тела. Эти две предпосылки достаточны для того, чтобы, положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся тел. Введение «светоносного эфира» окажется при этом лишним, потому что в предлагаемой теории не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделенное особыми свойствами. Кроме того, ни одной точке пустого пространства, в котором протекают электромагнитные процессы, не приписывается какой-нибудь вектор скорости.

Как и любая другая электродинамика, развиваемая теория основывается на кинематике твердого тела, так как выводы всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами. Недостаточное понимание этого обстоятельства – корень трудностей, преодолевать которые теперь приходится электродинамике движущихся тел.

I. Кинематическая часть

§ 1. Определение одновременности

Пусть имеется координатная система, в которой справедливы уравнения механики Ньютона. С целью отличить эту координатную систему от вводимых позже координатных систем и для уточнения терминологии назовем ее «покоящейся системой».

Если относительно покоящейся системы некоторая материальная точка находится в покое, то положение этой точки относительно такой координатной системы может быть определено методами евклидовой геометрии с помощью твердых масштабов и выражено в декартовых координатах.

Если мы хотим дать описание движения какой-нибудь материальной точки, то мы задаем значения ее координат как функций времени. При этом нужно иметь в виду, что такое математическое описание имеет физический смысл только тогда, когда предварительно установлено, что подразумевается под «временем». Другими словами, необходимо обратить внимание на то, что все наши выводы, в которых как-то задействовано время, всегда являются выводами об одновременных событиях. Если я, например, говорю: «Этот поезд прибывает сюда в 7 часов», – то это означает примерно следующее: «Указание маленькой стрелки моих часов на 7 часов и прибытие поезда суть одновременные события»[8].

Возможно, время нельзя уподобить одной-единственной железнодорожной ветке, которая ведет из точки А в точку В: оно, как и настоящая железная дорога, способно закладывать петли или радикально менять направление.