СОДЕРЖАНИЕ 

ПОРТРЕТ

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН

 
ВВЕДЕНИЕ

Такой человек может  быть понят, только если представить его как сцену, на которой разворачивалась борьба за вечную истину.

(Эйнштейн  о Ньютоне)

Альберт Эйнштейн, с именем которого связано завершение здания классической физики и одновременно открытие новых путей в науке, занимает в истории новейшего естествознания особое место. Научный революционер и один из «великих преобразователей естествознания», как назвал его Ленин, он стоит на рубеже старой и новой физики.

  Создав  теорию относительности, Эйнштейн творчески завершил классическую физику электромагнитного поля и одновременно заложил основы нового учения о пространстве, времени и тяготении. Своими работами по молекулярной физике он продолжил изыскания австрийского физика Людвига Болыдмана в области теплового движения и в значительной части завершил их. Замечательные исследования атомистической природы света, в которых Эйнштейн смело и последовательно развил гениальные идеи Макса Планка о дискретной структуре света, открыли эру атомной физики; одно из величайших событий этой эры — освобождение энергии атомного ядра — также было подготовлено работами Эйнштейна.

По тому значению, какое имели его работы для развития естественнонаучного мышления, Эйнштейна можно сравнить только с Кеплером и Ньютоном. Вместе с тем некоторые черты личности и судьбы Эйнштейна сближают его с Галилеем. Конечно, трагическое противоречие между на умной деятельностью Эйнштейна и его гуманистическими убеждениями, неизбежное в общественных условиях его времени, имело другой характер, чем то противоборство, в которое на три столетия ранее был вовлечен великий итальянец, однако оно оказало на немецкого ученого не менее глубокое и мощное воздействие.

  В силу особых условий его эпохи Альберт Эйнштейн отчетливее, чем многие другие исследователи, осознавал политическую роль естественных наук в буржуазном классовом обществе. Он вынужден был понять, как неразрывно связано в наше время изучение природы с общественной и политической жизнью: В течение всей своей жизни выступавший за мир и взаимопонимание между народами, Эйнштейн стал в конце ее относиться к себе чуть ли не как к преступнику по отношению к человечеству — ведь именно он своим открытием эквивалентности массы и энергии создал предпосылки для использования атомной энергии, а своими письмами к американскому президенту Рузвельту непосредственно способствовал принятию решения об изготовлении первых атомных бомб.

  Если  говорить об организации естественнонаучных исследований, то и в этом отношении Эйнштейн стоит на поворотном пункте истории науки. Создатель учения о световых квантах и теории относительности был одним из последних выдающихся естествоиспытателей-одиночек. На основе опыта собственных исследований он придерживался того мнения, что только «свободный индивидуум» может совершать открытия; самое большее, что можно сделать для ученого в плане организации,— это обеспечить ему свободу и благоприятные условия для работы.

Между тем обстоятельства изменились самым  кардинальным образом. В настоящее время едва ли возможно совершать открытия в физике иначе как в результате коллективной работы. Если в 1919 году, отвечая на вопрос — где находится его лаборатория, Эйнштейн мог указать на свой письменный прибор, то в настоящее время даже в области теоретической физики едва ли приходится рассчитывать на получение сколько-нибудь существенных результатов только с помощью карандаша. Наглядные доказательства этого широко известны. Так, в научно-исследовательских центрах мира созданы и продолжают создаваться гигантские лаборатории, без которых невозможно теперь решать теоретические проблемы физики элементарных частиц. Высказанная Эйнштейном в другой связи мысль, что подлинно ценное может создаваться лишь в результате совместных действий многих людей, оказалась верной и в отношении теоретических исследований.

  Заняв благодаря своей всемирной славе  уникальное положение, Эйнштейн оказался втянутым в классовые стычки начала нового века. Его общественная позиция определялась глубоким чувством ответственности, хотя, по собственному его признанию, ему, не ощущавшему потребности примыкать ни к отдельным людям, ни к коллективам, было нелегко нарушать то одиночество, которое соответствовало его натуре и в котором он нуждался как ученый, неизменно погруженный в размышления. Однако политическая обстановка вновь и вновь заставляла знаменитого ученого публично выражать свою точку зрения.

  Один  из величайших мыслителей во всей истории  естествознания Эйнштейн в то же время был решительным борцом за мир и гуманность. Страстное стремление к социальной справедливости и обостренное чувство ответственности перед обществом заставляли его принимать непосредственное участие в общественной и политической жизни народов., Подлинный смысл человеческой жизни заключался для него в служении обществу. Естествознание и политика переплетались друг с другом как в его сознании, так и в его деятельности. Хотя в политическом отношении Эйнштейн и не был столь последовательным, как его французские друзья Поль Ланжевен и Фредерик Жо-лио-Кюри, которые стали членами Коммунистической партии своей страны, все же создатель теории относительности принадлежал к числу наиболее прогрессивных естествоиспытателей, работавших в Германии в течение первой трети нашего века.

Эйнштейн  был философствующим физиком. Естествознание без теории познания, если вообще таковое мыслимо, казалось ему «примитивным и путаным». Философские проблемы занимали его уже с ранних лет. Он проштудировал сочинения известных философов, не примкнув, однако, ни к одной из философских школ. Как и политические суждения, которые были подчас слишком субъективными и обусловлены обстоятельствами текущего момента, так и философские взгляды Эйнштейна содержали много ошибочного.

Представляется   несомненным,   что   великий   физик   в молодости   прошел   школу   философского   идеализма. Однако,   с   другой   стороны,   не   следует   упускать   из виду, что именно Эйнштейну научная философия обязана   существенными   достижениями   в   области   теории познания.    В   своих   исследованиях   по   теоретической физике Эйнштейн впервые поставил проблему одновременности   пространственно   удаленных   друг   от   друга событий   (фундаментальное   значение   которой   для  теории познания именно он впервые осознал), проблему структуры   пространства — времени,   проблему  моделей Вселенной   и другие  важнейшие  проблемы  философии современного   естествознания.    Он    пытался    самостоятельно   решить   эти   проблемы   теми   теоретическими методами, которые были ему известны и которыми он располагал  в данных  обстоятельствах,  и показал себя при этом первоклассным, хотя и стихийным, диалектиком. Несмотря на то что в своем философском мышлении Эйнштейн не был материалистом-диалектиком и к диалектическому  материализму  относился  критически, как и ко всем прочим философским «измам», все же в некоторых существенных пунктах он стоял на позициях,    не    столь    далеких    от    философии,    основанной Марксом и Энгельсом.

  Это относится, например, к постоянно  выдвигавшемуся им требованию принципиального методического сомнения, направленного против любого рода самодовольства и самомнения, против любой некритической самоудовлетворенности достигнутыми результатами познания, которые считаются «достоверными». В течение всей своей долгой творческой жизни Эйнштейн практически следовал любимому девизу Маркса «Подвергай все сомнению!». Как удачно заметил один из его друзей, он относился к собственным решениям проблем обычно гораздо критичнее, чем его критики, а зачастую даже, чем его противники и враги.

   Честная и самокритичная позиция гениального  естествоиспытателя, согласно которой результаты, имеющие научное значение, могут быть получены лишь в рамках сделанных допущений, полностью согласуется с основным положением диалектического материализма в вопросе об истинности результатов нашей исследовательской деятельности. «Самым ценным результатом подобного высказывания,— писал в «Анти-Дюринге» Энгельс,— было бы лишь то, что оно настроило бы нас крайне недоверчиво к нашему нынешнему познанию...» Энгельс обосновывает необходимость такого скептицизма тем, что «мы,-по всей вероятности, находимся еще почти в самом начале человеческой истории, и поколения, которым придётся поправлять нас, будут, надо полагать, гораздо многочисленнее тех поколений, познания которых мы имеем возможность поправлять теперь, относясь к ним сплошь и рядом свысока» '. Так думал и Эйнштейн, причем он не делал исключения для результатов своих собственных размышлений.

  С величайшей непримиримостью Эйнштейн выступал против любых попыток канонизации в какой-либо форме естественнонаучных знаний и философских точек зрения, которая лишает возможности подвергнуть их критической проверке и тем самым препятствует дальнейшему творческому прогрессу. Как и Энгельс, он высмеивал самомнение некоторых мыслителей, которые полагают, что владеют последними, «окончательными», истинами. В первую очередь его насмешки были направлены против тех, кто пытался претендовать на роль непогрешимых авторитетов в области научного познания. Свою враждебность догмам и авторитетам Эйнштейн выразил следующим образом в одном из своих афоризмов: «Тот, кто пытается выступать в качестве авторитета в области истины и познания, терпит крушение под хохот богов».

  Но  при всем своем скептицизме Эйнштейн твердо и непоколебимо верил в конечную победу научной истины. Он был убежден, что истинное в конце концов пробьет себе дорогу, даже если временно оно терпит поражения. Будучи страстным противником войны и фашизма, он, конечно, знал — и доказал это своим личным примером,— что за победу политических истин нужно ожесточенно бороться.

  Эйнштейн  не сомневался в том, что принципы справедливости и человечности неразделимы. В оставшейся неоконченной рукописи, которую нашли в столике у его смертного ложа, имеются следующие строки:

  «Когда  речь идет об истине и справедливости, не существует различия между малыми и большими проблемами. Ибо самые общие точки зрения, относящиеся к поведению людей, нераздельны. Тому, кто в малых делах относится к истине несерьезно, нельзя доверять и в больших делах».

Происхождение названия “теория  относительности”

Название  “теория относительности” возникло из наименования основного принципа (постулата), положенного Пуанкаре и  Эйнштейном в основу из всех теоретических  построений новой теории пространства и времени.

Содержанием теории относительности является физическая теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического характера.

      Название  же “принцип относительности” или  “постулат относительности”, возникло как отрицание представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром, вводившимся для объяснения оптических и электродинамических явлений.

      Дело в том, что к началу двадцатого века у физиков, строивших теорию оптических и электромагнитных явлений по аналогии с теорией упругости, сложилось ложное представление о необходимости существования абсолютной неподвижной системы отсчета, связанной с электромагнитным эфиром. Зародилось, таким образом, представление об абсолютном движении относительно системы, связанной с эфиром, представление, противоречащее более ранним воззрениям классической механики (принцип относительности Галилея). Опыты Майкельсона и других физиков опровергли эту теорию “неподвижного эфира” и дали основание для формулировки противоположного утверждения, которое и получило название “принципа относительности”. Так это название вводится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и Эйнштейна.

      Эйнштейн  пишет: “.. неудавшиеся 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, и даже более того,- к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, имеют место те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Мы намерены это положение (содержание которого в дальнейшем будет называться “принципом относительности”) превратить в предпосылку... “¹ А вот что пишет Пуанкаре: “Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет закон природы; мы приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и примем его без оговорок.” ²

      Но  крупнейший советский теоретик Л. И. Мандельштам в своих лекциях  по теории относительности ³ разъяснял: “Название “принцип относительности” - одно из самых неудачных. Утверждается независимость явлений от неускоренного движения замкнутой системы. Это вводит в заблуждение многие умы” На неудачность названия указывал и один из творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной геометрической форме, - Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: “... термин “постулат относительности” для требования инвариантности по отношению к группе , кажется мне слишком бедным. Так как смысл постулата сводится к тому, что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат абсолютного мира”⁴

      Таким образом, мы видим, что названия “принцип относительности” и “теория относительности” не отражают истинного содержания теории. 
 

Теория  относительности, как  современная теория пространства-времени.

      Содержание  теории относительности, как четырехмерной  физической теории пространства и времени, впервые отчетливо было вскрыто Германом Минковским в 1908 г. Лишь опираясь на эти представления, Эйнштейн сумел в 1916 г. построить общую теорию пространства-времени, включающую явление гравитации (общая теория относительности).

      Основным  отличием представлений о пространстве и времени теории относительности от представлений ньютоновской физики является ограниченная взаимосвязь пространства и времени. Эта взаимосвязь раскрывается в формулах преобразования координат и времени при переходе от одной системе отсчета к другой (преобразования Лоренца)

      Вообще  каждое физическое явление протекает  в пространстве и времени и  не может быть изображено в нашем  сознании иначе, как в пространстве и во времени. Пространство и время  суть формы существования материи. Никакой материи не существует вне пространства и времени. Конкретным изображением пространства и времени является система отсчета, т.е. координатно-временное многообразие чисел составляющие воображаемую сетку и временную последовательность всех возможных пространственных и временных точек. Одно и то же пространство и время могут изображаться различными координатно-временными сетками (системами отсчета).

Вместо  чисел  пространство-время может изображаться числами причем эти числа не произвольны, а связаны с предыдущими совершенно определенного вида формулами преобразования, которые и выражают свойства пространства-времени.

      Итак, каждое возможное изображение пространства и времени можно связать с определенной системой отсчета, систему отсчета - с реальным телом, координаты - с конкретными точками тела, моменты времени с показаниями конкретных часов, расставленных в различных системах отсчета. Тело отсчета необходимо для проведения конкретных измерений пространственно-временных отношений.

      Не  следует однако отожествлять систему  отсчета с телом отсчета, как  это предполагают физики. Физики при  изображении явлений пользуются любыми системами отсчета, в том числе и такими с которыми невозможно связать какое-либо реальное тело. Основанием для такого выбора служит представление о полном равноправии всех мыслимых систем отсчета. Следовательно, выбор системы отсчета является лишь выбором способа изображения пространства и времени для отображения исследуемого явления.

      Если  выбраны две системы отсчета и , каждая из которых подобным образом изображает одно и то же пространство-время, то, как это установлено в теории относительности, координаты в системах и связаны так, что интервал , определяемый для двух разобщенных событий как

(a)

остается  одинаковым при переходе от Е к  Е’, т.е.

(b)

Иначе говоря, является инвариантом преобразований Лоренца, связывающих координаты и время в и : , (c)

Из (c), так  же как из (a) и (b), следует относительность одновременности пространственно разобщенных событий, т.е. для двух событий, в системе движущейся со скоростью , будем иметь (d)

В этих свойствах пространственно-временных  координат и отражается существо новых представлений о пространстве и времени, связанных в единое геометрического типа многообразие, многообразие с особой, определяемой (а) и (b) четырехмерной псевдоевклидовой геометрией, геометрией, в которой время тесно связано с пространством и не может рассматриваться независимо от последнего, как это видно из (d).

      Из  этих же представлений вытекают важнейшие  следствия для законов природы, выражаемые в требовании ковариантности (т.е. неизменяемости формы) любых физических процессов по отношению к преобразованиям четырехмерных пространственно-временных координат. В требовании также отражается представление о пространстве-времени как о едином четырехмерном многообразии. Так представляют себе физики, конкретно применяющие теорию относительности, ее реальное содержание. При этом понятие относительности приобретает лишь смысл возможной множественности пространственно-временных изображений явлений при абсолютности содержания, т.е. законов природы.

Постулаты Эйнштейна.

Преобразования  Лоренца, отражающие свойства пространства-времени, были выведены Эйнштейном, исходя из 2 постулатов:  принципа относительности и принципа постоянства скорости света.

      1. Законы, по которым изменяются  состояния физических систем, не  зависят от того, к которой  из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся.

      2. Каждый луч света движется  в “покоящейся” системе координат  с определенной скоростью  , независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом.

      Значение  этих постулатов для дальнейшего  развития теории пространства-времени  состояло в том, что их принятие прежде всего означало отказ от старых представлений  о пространстве и времени, как  о многообразиях, не связанных органически друг с другом.

      Принцип относительности сам по себе не представлял  чего-либо абсолютно нового, т.к. он содержался и в Ньютоновской физике, построенной на базе классической механики. Принцип постоянства скорости света  также не был чем-то абсолютно  неприемлемым с точки зрения ньютоновских представлений о пространстве и времени.

      Однако  эти два принципа, взятые вместе привели к противоречию с конкретными  представлениями о пространстве и времени, связанные с механикой  Ньютона. Это противоречие можно  проиллюстрировать следующим парадоксом.

      Пусть в системе отсчета  в начальный момент в точке, совпадающей с началом координат произошла вспышка света. В последующий момент времени фронт световой волны, в силу закона постоянства скорости света, распространился до сферы радиуса с центром в начале координат системы . Однако в соответствии с постулатами Эйнштейна, это же явление мы можем рассмотреть и точки зрения системы отсчета , движущейся равномерно и прямолинейно вдоль оси , так, что ее начало координат и направления всех осей совпадали в момент времени с началом координат и направлениями осей первоначальной системы . В этой движущейся системе, соответственно постулатам Эйнштейна, за время свет также распространится до сферы радиуса

радиуса , однако, в отличие о предыдущей сферы должен лежать в начале координат системы , а не . Несовпадение этих сфер, т.е. одного и того же физического явления, представляется чем-то совершенно парадоксальным и неприемлемым с точки зрения существующих представлений. Кажется, что для разрешения парадокса надо отказаться от принципа относительности, либо от принципа постоянства скорости света. Теория относительности предлагает, однако, совершенно иное разрешение парадокса, состоящее в том, что события, одновременные в одной системе отсчета , неодновременны в другой, движущейся системе , и наоборот. Тогда одновременные события, состоящие в достижении световым фронтом сферы, определяемой уравнением

, не являются одновременными  с точки зрения системы  , где одновременны другие события, состоящие в достижении тем же световым фронтом точек сферы, определяемой уравнением

      Таким образом, одновременность пространственно разобщенных событий перестает быть чем-то абсолютным, как это принято считать в повседневном макроскопическом опыте, а становится зависящей от выбора системы отсчета и расстояния между точками, в которых происходит события. Эта относительность одновременности пространственно разобщенных событий свидетельствует о том, что пространство и время тесно связаны друг с другом, т.к. при переходе о одной системе отсчета к другой, физически эквивалентной, промежутки времени между событиями становятся зависящими от расстояний (нулевой промежуток становится конечным и наоборот).

      Итак, постулаты Эйнштейна помогли  нам прийти к новому фундаментальному положению в физической теории пространства и времени, положению о тесной взаимосвязи пространства и времени и об их нераздельности, в этом и состоит главное значение постулатов Эйнштейна.

      Основное  содержание теории относительности  играет постулат о постоянстве скорости света. Основным аргументов в пользу этого является та роль, которую  отводил Эйнштейн световым сигналам, с помощью которых устанавливается одновременность пространственно разобщенных событий. Световой сигнал, распространяющийся всегда только со скоростью света, приравнивается,  таким образом, к некоторому инструменту, устанавливающему связь между временными отношениями в различных системах отсчета, без которого якобы понятия одновременности разобщенных событий и времени теряют смысл. Необходимость такого истолкования содержания теории относительности легко доказывается, если обратиться к одному из возможных выводов преобразований Лоренца, опирающемуся на постулат относительности и вместо постулата о постоянстве скорости света использующему лишь допущение о зависимости массы тела от скорости. 

Вывод преобразований Лоренца  без постулата  о постоянстве  скорости света.

      Для вывода преобразований Лоренца будем  опираться лишь на “естественные” допущения о свойствах пространства и времени, содержавшиеся еще  в классической физике, опиравшейся  на общие представления, связанные  с классической механикой:

      1. Изотропность пространства, т.е. все пространственные направления равноправны.

      2. Однородность пространства и времени, т.е. независимость свойств пространства и времени от выбора начальных точек отсчета (начала координат и начала отсчета времени).

      3. Принцип относительности, т.е. полная равноправность всех инерциальных систем отсчета.

      Различные системы отсчета по-разному изображают одно и то же пространство и время  как всеобщие формы существования  материи. Каждое из этих изображений  обладает одинаковыми свойствами. Следовательно, формулы преобразования, выражающие связь между координатами и временем в одной - “неподвижной” системе с координатами и временем в другой - “движущейся” системе , не могут быть произвольными. Установим те ограничения, которые накладывают “естественные” требования на вид функций преобразования:

      1. Вследствие однородности пространства и времени преобразования должны быть линейными.

      Действительно, если бы производные функций по не были бы константами, а зависели от то и разности , выражающие проекции расстояний между точками 1 и 2 в “движущейся” системе, зависели бы не только от соответствующих проекций , в “неподвижной” системе, но и от значений самих координат что противоречило бы требованию независимости свойств пространства от выбора начальных точек отсчета. Если положить, что проекции расстояний вида x‘ = = зависят только от проекций расстояний в неподвижной системе, т.е. от x = , но не зависит от , то

 при  т.е. или .

      Аналогично  можно доказать, что производные  по всем другим координатам также равны константам, а следовательно, и вообще все производные по суть константы.

           2. Выберем "движущуюся" систему  таким образом, чтобы в начальный момент точка, изображающая ее начало координат, т.е. совпадала с точкой, изображающей начало координат "неподвижной" системы, т.е. , а скорость движения системы была бы направлена только по

Если мы также учтем требование изотропности пространства, то линейные преобразования для системы отсчета , выбранной указанным образом, запишутся в виде Здесь отсутствуют члены, содержащие и в выражениях и , в силу изотропности пространства и наличия единственного выделенного направления вдоль оси , соответственно постановке задачи. На этом же основании в выражениях для и отсутствуют члены, пропорциональные, соответственно, и , а коэффициенты при и одинаковы. Члены, содержащие и , отсутствуют в выражениях для и в силу того, что ось все время совпадает с осью . Последнее было бы невозможно, если бы и зависели от и .