Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Эйнштейн убежден: нельзя отказаться ни от принципа относительности, ни от постоянства скорости света. Нужно искать выход из тупика, говорит Эйнштейн, вернее, пишет вместе с другом и сотрудником Инфельдом в замечательной книге «Эволюция физики», вышедшей в 1938 году. В более ранних статьях и брошюрах, посвященных теории относительности, Эйнштейн проводил свои мысленные эксперименты не в каюте корабля, а в купе поезда.

Кредо Эйнштейна — всякая теория должна опираться на реальный опыт — требовало полного доверия к факту постоянства скорости света, неоднократно подтвержденному всеми достоверными экспериментами. Врожденное чувство гармонии убедило Эйнштейна во всеобщей справедливости принципа относительности Галилея, отражающего симметрию природы — в данном случае симметрию покоя и равномерного прямолинейного движения. В чем же просчет мысленного опыта? Где логика рассуждений уводит от действительности? Может быть, вина лежит на математике? Все ли в порядке в самих формулах сложения и вычитания скоростей? В преобразованиях Галилея?

Кораблекрушения не будет!

Эйнштейн снова и снова обдумывает ситуацию. Переход от одной системы координат к другой осуществляется так, как это принято в классической механике. Это простой, механический закон сложения и вычитания скоростей. Он исходит из существования некоего абсолютного времени, единого для всех наблюдателей, для всех систем отсчета. Он исходит из предположения, что во всех системах координат расстояния между телами имеют одно и то же значение. Из этих двух принципов, которые казались всем вполне естественными, и следуют математические формулы преобразования Галилея… На них сосредоточивает свое внимание Эйнштейн. В них видит узкое место.

Не однажды, не дважды — множество раз ученые перестраивали формулы, рожденные теориями, подчиняясь необходимости увязать формулы с реальностью, с опытными данными. И Эйнштейн вынужден ввести в преобразования Галилея изменения. Он вводит небольшие изменения — о них мы еще будем говорить. Он вводит в них скорость света. Картина меняется словно по волшебству! Все становится на свои места! Теперь скорость света постоянна в обеих системах координат — и на корабле и на берегу! Теперь вновь торжествует принцип относительности Галилея, хотя математические преобразования Галилея изменены. Теперь вновь обретена симметрия явлений природы — на движущихся телах и на телах, пребывающих в покое. Вновь восстановлена гармония. Но… какой ценой? Эйнштейн еще не знает, какую бурю он вызовет, потянув за эту ниточку…

Эйнштейна не удовлетворяет успех от исправления преобразований Галилея, сделавшего их пригодными для анализа событий, связанных с оптическими явлениями, с событиями, где играет роль скорость света. Ему всегда и во всем нужно видеть физическую картину, понять анатомию явления. Эйнштейну было насущно важно понять причины, по которым преобразования Галилея необходимо заменить новыми формулами, выяснить физические следствия этой замены. Луи де Бройль комментирует: «Это Эйнштейн сделал при помощи тонкой и глубокой критики понятий пространства и времени». К этому его привела логика, ведь в формулу скорости входят именно расстояния и время. Затем де Бройль продолжает: «Такая критика была совершенно необходима, поскольку преобразование Лоренца влекло за собой целый ряд следствий, казавшихся тогда совершенно парадоксальными».

Итак, произнесено название «преобразования Лоренца». Да, формулы, найденные Эйнштейном как замена преобразований Галилея, носят наименование преобразований Лоренца. Эйнштейн получил эти усложненные формулы, не зная, что ранее они уже были выведены Лоренцом из других соображений. В то время Эйнштейн работал в должности эксперта третьего класса в Берне в «Бюро духовной собственности», как тогда именовалось Швейцарское патентное бюро. В Берне он не имел возможности ни общаться с физиками, ни пользоваться соответствующей литературой. Он был предоставлен себе, и все, чего он достиг, явилось результатом предельной интеллектуальной сосредоточенности, плодом самостоятельных усилий.

Эйнштейн пришел к этим преобразованиям в 1905 году, исходя из чисто интуитивного, внутреннего убеждения в том, что в природе властвует симметрия и она должна отображаться в уравнениях. Симметрия в природе проявляется, в частности, в принципе относительности и в независимости скорости света от движения наблюдателя. Математика должна отображать эту симметрию. Симметрия жестко ограничивает выбор математических формул, пригодных для описания природы. Эйнштейн был убежден — симметрия требует изменения формул, полученных Галилеем, поэтому он и отважился на эти изменения.