Пуанкаре
Шрифт:
Вопреки своему намерению не делать прогнозы, Пуанкаре дал в докладе удивительно меткие указания "горячих точек" физики? в которых следовало ожидать рождения принципиально новых закономерностей. И оправдались не просто многие из этих прорицаний, а буквально все. Современные ученые не находят ни одной нелепости в его смелых суждениях. История науки не знает другого труда, в котором с такой полнотой и с такой конкретностью были бы предсказаны грядущие преобразования в физике.
Но в то время Поль Ланжевен, оказавшийся после конгресса в одном купе с Пуанкаре, не мог еще об этом догадываться. Его в первую очередь интересовало мнение выдающегося ученого по вопросам, затронутым в его собственном докладе "Физика электронов". Он горячо и убежденно говорил о глубоких последствиях для всей физики установления дискретного строения электричества, открытия зерен электричества — электронов. Пуанкаре со многим соглашался, но оставался равнодушным, если не скептичным, к основной
— Взять хотя бы проблему спектров излучения атомов, — помолчав, добавил он. — Ею несколько пренебрегают, а между тем проблема эта обещает нам большие сюрпризы.
В своем докладе Пуанкаре специально остановился на необходимости новой теории, которая объяснила бы закономерности спектральных линий, излучаемых атомами. Еще в 1900 году немецкий физик Макс Планк для преодоления основного затруднения теории излучения — так называемой "ультрафиолетовой катастрофы" — выдвинул необычную и совершенно несвойственную классической физике идею о том, что излучение происходит дискретными порциями — квантами. Теперь же, обсуждая экспериментально установленное распределение спектральных линий в излучении атомов, Пуанкаре категорическим образом отвергает возможность его объяснения на основе законов классической физики. "Эти явления еще не объяснены, и я думаю, что мы имеем здесь дело с одной из важнейших тайн природы, — утверждает он. — …Здесь мы, так сказать, проникаем в самые глубины материи. В том положении, в котором мы сейчас находимся, представляется, что, когда мы поймем, почему колебания раскаленных тел отличаются от хорошо знакомых нам обычных упругих колебаний, когда мы поймем, почему электроны ведут себя не так, как обычные тела, мы будем лучше понимать динамику электронов, и, может быть, нам будет легче согласовать ее с основными принципами".
Это удивительное пророчество блестяще подтвердилось. Ланжевен еще убедится в уникальной прозорливости Пуанкаре, когда уже после его смерти родится теория, необходимость которой он предвещал. Сначала в 1913 году молодой датский физик-теоретик Нильс Бор даст первое объяснение природы спектра излучения атомов на основе квантовой гипотезы Планка. А в 1927 году этот раздел теории атомной физики завершится созданием квантовой теории, которая из всех новых физических теорий наиболее радикальным образом отличается от классической физики. Совершенно необычным в этой теории оказался статистический характер законов, описывающих поведение квантовых объектов. И в этом было подтверждение еще одного предсказания Пуанкаре! В конце своей лекции он отметил: "Физический закон приобретает тогда совершенно новый аспект, это уже не будет только дифференциальное уравнение, он примет характер статистического закона".
Особенно настойчиво и весьма определенно предрекает Пуанкаре создание совершенно новой механики, "которая характеризовалась бы главным образом тем фактом, что никакая скорость не могла бы превышать скорость света, подобно тому как температура не может упасть ниже абсолютного нуля". Эта идея настолько сильно владеет его сознанием, что он еще раз возвращается к ней в самом конце доклада: "Возможно даже, мы должны создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причем скорость света являлась бы непреодолимым пределом. Обычная механика, более простая, оставалась бы как первое приближение, справедливое для скоростей не слишком больших, так, что новая динамика включала бы старую". В осуществлении этого пророчества Пуанкаре самому предстояло сыграть решающую роль. Это были уже сегодняшние мысли его завтрашних трудов.
Глава 11 РОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Принцип относительности и эфир
Среди основных принципов, которые должны сохраниться в будущей физике, Пуанкаре назвал в Сент-Луисе принцип относительности, утверждающий, что "законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение". Но к выводу о существовании всеобщего закона относительности, распространяющегося и на электромагнитные явления, он пришел еще задолго до этого.
В 1893 году английский физик-теоретик Джозеф Лармор представил Лондонскому королевскому обществу свою новую работу под названием "Динамическая теория электрической и светоносной среды". Чтение этой важной статьи побудило Пуанкаре к размышлениям, результатом которых явились четыре короткие статьи,
В докладе на физическом конгрессе 1900 года Пуанкаре еще подробнее излагает свое критическое отношение к сохранившийся у некоторых ученых, в том числе у голландского физика Г. А. Лоренца, надеждам обнаружить абсолютное движение Земли в более точных оптических и электрических опытах. Прежде всего он обсуждает мотивы, приведшие к появлению в науке особой гипотетической среды — эфира. Пуанкаре видит основание лишь для идеи заполнения пространства этой идеальной средой, чтобы избежать передачи взаимодействия через пустоту, категорически не соглашаясь с популярной тогда тенденцией представлять материю "сгущенным эфиром" или "местом точек, где эфир испытывает вихревое движение". Но основание для введения эфира еще не является доказательством его существования. Поэтому Пуанкаре говорит далее о необходимости экспериментального ответа на поставленный им прямой вопрос: "Что касается нашего эфира, то существует ли он в действительности?"
В классическом опыте Физо проявлялся эффект, связанный с относительным движением оптических сред. Но согласно существовавшим тогда представлениям полученный результат объясняли частичным увлечением эфира движущимися объектами. Многим казалось, что в этом опыте со всей наглядностью проявляет себя гипотетическая среда, заполняющая: пространство, и Пуанкаре в связи с этим замечает: "Можно сказать, что вы задеваете эфир пальцем". Тем не менее он считает "необходимым допустить существование эфира" лишь в том случае, если эксперимент покажет, "что световые и электрические явления видоизменяются вследствие движения Земли". Наступит ли это когда-нибудь? На этот вопрос докладчик склонен ответить отрицательно: "Я считаю такие надежды призрачными…"
Иначе смотрел на эту проблему Лоренц. Стремясь объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона — Морли с точки зрения своей теории, в которой фигурировал неподвижный эфир, он вводит в своих работах 1892 и 1895 годов дополнительное предположение о сокращении длин твердых тел при их движении в эфире. Величина сокращения зависела от скорости таким образом, что в точности компенсировала ожидаемый эффект от "эфирного ветра", который становился вследствие этого ненаблюдаемым. Этой гипотезой Лоренц фактически поднимал вопрос о пересмотре пространственных соотношений при больших скоростях движения. Намеченный им путь вел в нужном направлении, но ему не хватало обобщенного подхода к проблеме в целом, выходящего за рамки объяснения опыта Майкельсона — Морли. Поэтому важнейшее значение для наметившегося решения проблемы электродинамики движущихся сред приобретал общий вывод Пуанкаре о необходимости признать в качестве строгого физического закона невозможность обнаружить движение тела относительно эфира.
Он неоднократно обращал внимание на недостаточность придуманного Лоренцем объяснения результата, полученного Майкельсоном и Морли. Не исключено, что для каждого нового, более точного опыта придется изобретать раз за разом новые искусственные предположения. В докладе 1900 года Пуанкаре говорит: "…Я позволю себе сделать отступление, чтобы объяснить, почему я, вопреки Лоренцу, не думаю, чтобы когда-нибудь более точные наблюдения могли обнаружить нечто иное, кроме относительных перемещений материальных тел. Были производимы опыты, которые должны бы открыть члены первого порядка. Результат был отрицательный; Могло ли это быть делом случая? Этого никто не мог бы допустить; стали искать общего объяснения, и Лоренц нашел его: он показал, что члены первого порядка уничтожаются; это не имело места для членов второго порядка. Тогда были произведены более точные опыты, которые снова дали отрицательный результат. Это опять не могло произойти случайно — требовалось объяснение, которое и было дано. За объяснением дело никогда не станет: гипотезы неистощимы.