[
вернуться к содержанию сайта]В 1908–1909 годах Ритц и Эйнштейн вели научные баталии по вопросу о том, что сейчас принято называть стрелами времени в электродинамике и энтропией. Ритц отстаивал позицию, согласно которой необратимость в электродинамике была источником второго закона термодинамики, в то время как Эйнштейн защищал теорию электродинамической временной симметрии Максвелла–Лоренца. Обратимость в микромире по-прежнему остаётся краеугольным камнем современной парадигмы, но в то же время экспериментальным путём мы получаем всё новые и новые доказательства того, что стрелы времени асимметричны и что все они направлены из прошлого в будущее. В этой статье представлены некоторые замечания о событиях, послуживших толчком к спорам между Ритцем и Эйнштейном, некоторые из последующих теоретических разработок и перевод совместной статьи двух оппонентов. Для того чтобы дать читателям представление о том, каковы были их взгляды на данную проблему, здесь приводится сравнение двух статей, посвящённых спору Ритца и Эйнштейна.
Ключевые слова: стрела времени, обратимость, электродинамика, энтропия, эмиссионная теория, элементарные действия, ультрафиолетовая катастрофа.
Теория Максвелла электромагнитного поля основывалась на идеях классической механики, в рамках которой время считалось обратимым, однако Пуанкаре, наставник швейцарского физика Ритца, отмечал, что "в трактатах по механике не проводят различий между экспериментом, математическим суждением, соглашением и гипотезой".1
Эта статья написана с позиции, согласно которой временная симметрия в микромире – это недоказанное соглашение, которое до сих пор воспринимается как установленный факт. Поэтому, по мнению автора, имеет смысл рассмотреть данную проблему с точки зрения некоторых прежних идей, которые, казалось, похоронены.
В 1908 году Ритц, хорошо известный своими работами в области спектральной физики (теория возмущений Рейлея–Ритца и комбинационный принцип Ритца) и исследованиями механических колебаний пластин, которые до сих пор нередко упоминаются в научных кругах, написал монументальный, хоть и не столь широко известный труд, в котором критиковал теорию электромагнитного поля. 2a
Хотя Ритц и признавал, что уравнения Максвелла–Лоренца изящны и их нужно сохранить, его резкий вывод (который основывался, по большей части, на неразрывной связи между теорией электромагнитного поля и дискредитировавшим себя пространством из твёрдого эфира) был следующим: "дифференциальные уравнения в частных производных и понятие эфира совершенно недостаточны для выражения исчерпывающих законов распространения электродинамических взаимодействий". 2bВ то же время Ритц излагал свою собственную предварительную времеасимметричную эмиссионную теорию электродинамики (Часть Вторая его работы). Он выдвинул гипотезу, согласно которой заряженные тела непрерывно испускают потоки фиктивных частиц, движущихся со скоростью света относительно излучивших их источников. Эти частицы излучения образовывали подвижную электродинамическую среду, передававшую запаздывающие элементарные взаимодействия. Он ничего не говорил о поглощении или рассеянии этих частиц излучения другими заряженными телами и не указывал, предполагал ли он наличие нескольких видов таких частиц, однако подчёркивал необходимость учитывать их взаимодействие с веществом. К примеру, он допускал, что его предварительная гипотеза была не совместима с экспериментом Физо по увлечению электромагнитных волн. 2c
Согласно Ритцу, поле Кулона является не статическим состоянием пространства, а скорее процессом движения частиц, происходящим в пространстве, которое без поля было бы пусто и которое не обладает собственными свойствами. Его кулоновское "взаимодействие" можно охарактеризовать как пересмотренную форму векторного потенциала.Причиной несовместимости теории Ритца с увлечением волн, возможно, было неприятие Ритцем принципа суперпозиции (проблема, которую он собирался разрешить). Основное положение, на котором основывается принцип суперпозиции – это действие без реакции. С точки зрения автора, наша привязанность к принципу суперпозиции в электродинамике не позволяет объединить в одно целое гравитацию и электродинамику. Именно идея о том, что заряды порождают кулоновские силы, которые действуют без ограничения на удалённые заряды (где поток поля виртуальных фотонов не становится реже от взаимодействия со встающими на его пути зарядами) вызывает необходимость обратиться к гравитации, которая является другим видом взаимодействия, связанного с участием другой разновидности частиц (гравитонов).
В настоящее время у Ритца есть сторонники, но его теория не входит в парадигму геометродинамики и не всегда точно представлена в англоязычных странах. Это отчасти связано с тем, что большинство его работ недоступны на английском. К примеру, Уолдрон (Waldron)
оказывает огневую поддержку теории Ритца, однако высказанное им однажды утверждение, что при наличии достаточно высокого потенциала можно увеличить скорость частиц до любого значения 3, не согласуется с теорией Ритца. Ритц выдвигал гипотезу, по которой скорее влияние электродинамического ускорения стремится к нулю, нежели массы тел увеличиваются до бесконечности с приближением скорости к скорости света относительно данного ускорителя. 2d В частной переписке Уолдрон подтверждает, что "неограниченная скорость" – это его личное предположение, а не Ритца.В годы жизни Ритца Эйнштейн являлся ярым защитником временной симметрии пространственно-временного континуума, и это вполне естественно. В 1921 году он заявил, что "теория пространства-времени и кинематика специальной теории относительности основывались на теории электромагнитного поля Максвелла–Лоренца". 4
С тех пор мир науки поделился на два лагеря по вопросу о скорости света, одни стали выступать на стороне Эйнштейна, другие – на стороне Ритца. Ритц в своей теории придерживался принципа относительности Галилея, то есть считал справедливым для электродинамических процессов, включая оптику, формулу c+
v, в то время как Эйнштейн считал, что скорость света не зависит от движения источника.В 1963 году Фокс дополнил теорию Ритца теоремой затухания Толмана. (Заряды в прозрачной среде поглощают, а затем вторично излучают поступающую энергию электромагнитных колебаний. Вторичное излучение распространяется со скоростью света относительно этой среды. При этом энергия падающего потока поглощается и гасится). По вычислениям Фокса, одна длина затухания, то есть отрезок пути в среде на уровне моря в условиях Земли, на котором падающая энергия уменьшится до 1/e её исходной амплитуды, составляет 0,2 сантиметра. В межзвёздном пространстве, удалённом от мест скопления относительно плотных звёздных газов, вроде тех, что окружают двойные звёзды, это расчётное расстояние составило бы один световой год. Вводя это дополнение к теории Ритца (которая представляет проблему для принципа суперпозиции), Фокс заявляет, что тем самым лишает силы большинство, если не все, эксперименты со скоростью света (включая наблюдения за двойными звёздами), которые проводились, чтобы решить спор между Ритцем и Эйнштейном. Однако, принимая во внимание большое время жизни быстрых мюонов (которые, как считают, подтверждают растяжение времени) и гамма-лучи, путешествующие со скоростью света от быстро движущихся источников, Фокс решает спор в пользу Эйнштейна, но делает это таким образом, что окончательное решение кажется так и не принятым. 5a
В частной переписке Фокс говорит: "...для общей философии небезынтересно, что теория Ритца, которая по структуре так сильно отличается от теорий Максвелла, Лоренца и Эйнштейна, могла подойти так близко к правильному описанию многих явлений, которые в настоящее время объясняются на основе релятивистской электромагнитной теории." 6Возможно, это ирония судьбы, что Эддингтон, сторонник теории Эйнштейна, сыграл одну из ведущих ролей в ходе экспедиций по наблюдению солнечного затмения в 1919 году, результаты которых принесли Эйнштейну всемирное признание его общей теории относительности. Эддингтон также был первым, кто использовал понятие "стрела времени" 7 и считается создателем идеи о стрелах времени. Фактически же он популяризовал некоторые из ранних идей Гельмгольца о монотонно возрастающей во Вселенной энтропии, которая считалась полностью обратимой для микромира.
Согласно Роджеру Пенроузу, на настоящий момент известны семь наблюдаемых или выводимых стрел времени, каждая из которых является асимметричной и направлена из прошлого в будущее. 8 Стрела под номером два в списке Пенроуза является ни чем иным как ритцевым ограничением в виде запаздывающих электродинамических действий. Крамер 9 рассуждает о том, какая из стрел является более важной: электромагнитная стрела или стрела энтропии, которая значится в списке Пенроуза под номером семь. Согласно Ритцу, электромагнитная стрела является первоочередной. По теории Крамера Вселенная является конечной (плоское, не искривлённое пространство) и в ней электродинамические излучения уходят на периферию, из-за чего Вселенная схлопывается.
Таблица 1: Спор Ритца и Эйнштейна об ультрафиолетовой катастрофе
|
Дж. Фокс |
К. Ланкцоз |
|
|
Phys. Z. 9, 903 (1908) |
||
|
Ритц заявил, что основной причиной ультрафиолетовой катастрофы в законе Рэлея-Джинса было безоговорочное и неправильное использование в теории опережающих потенциалов. |
Ритц доказывал, что решение волнового уравнения с использованием запаздывающего (а не опережающего) потенциала устанавливало чёткое различие между прошлым и будущим и может быть истинной первопричиной необратимости явления излучения и второго закона термодинамики. |
|
|
Phyz. Z. 10, 185 (1909) |
||
|
Эйнштейн не согласился с ним, |
Эйнштейн продолжает считать, что вместо того, чтобы решать волновое уравнение, используя начальное состояние, можно, с тем же успехом использовать конечное состояние и решать уравнение с помощью опережающего потенциала. |
|
|
Phys. Z. 10, 224 (1909) |
||
|
Ритц ответил на возражение, |
Ритц был категорически против такой точки зрения, |
|
|
Phys. Z. 10, 323 (1909) |
||
|
и эта серия статей завершилась появлением краткой совместной публикации, в которой каждый высказывал своё мнение. |
и Эйнштейн признал свою ошибку. |
|
В течение 1908 и 1909 года Ритц и Эйнштейн пребывали в состоянии войны, что было связано с неспособностью электромагнитной теории Максвелла–Лоренца объяснить излучение чёрного тела, то есть с ультрафиолетовой катастрофой.10, 11 Ритц начал наступление, основываясь на своей теории 1908 года, которая, по его словам, позволяла сохранить завоёванные с таким трудом представления о времени и пространстве, в то время как Эйнштейн отстаивал новые идеи, которые со временем вытеснили классическую физику и изгнали физическую интуицию на арене релятивизма. В своей третьей статье из серии 12 Ритц писал, что при математическом изменении направления времени на противоположное, то есть при переходе к опережающему потенциалу, возникал другой вид физического процесса, а не простое соответствие запаздывающему потенциалу, действующему в обратной временной последовательности. Тот же довод, но уже в рамках квантовой механики, недавно был приведён Ляйтером. 13
Завершающим этапом в этой войне идей была совместная статья
14, которую, судя по всему, им пришлось написать по настоянию редакционной коллегии немецкого журнала Physikalische Zeitschrift. Эта статья была их соглашением о несогласии друг с другом.В приложении к данной статье приводится перевод [на русский язык] совместной работы Ритца и Эйнштейна, чтобы читатели могли ознакомиться с тем, что стало поворотным моментом в мире науки. Стоит прокомментировать один двусмысленный момент в статье. В кратком немецком тексте не совсем ясно, каким случаем по мнению Эйнштейна можно ограничиться. Скорее всего, любым: используя в равной мере запаздывающий и опережающий потенциалы или ограничивая наши рассуждения электромагнитными процессами, ограниченными в конечном объёме. Просмотрев более ранние статьи (используя автоматический переводчик), я сделал свой выбор в пользу первого случая.
Спор Ритца и Эйнштейна, включая их совместную статью, был кратко изложен Фоксом 5b
и Ланкцозом [Lanczos] 15. В таблице 1 в разных колонках приведены выжимки из их работ, посвящённых спору двух учёных. Следует обратить внимание, что [...] Ланкцоз по какой-то причине искажает суть совместной статьи. В его варианте Эйнштейн в конечном счёте признаёт, что он ошибался, защищая использование опережающих потенциалов. В действительности, несмотря на то, что ни Ритц, ни Эйнштейн не признали своей ошибки, многие современные авторы высказывают мысль о том, что точка зрения, которую защищал Эйнштейн, становится ненадёжной. 13, 16–22Возможно, впоследствии Эйнштейн пересмотрел свои взгляды на необратимость, однако его высокий статус в области геометродинамики не позволял ему публично выражать новые идеи. Есть три свидетельства, которые могут пролить свет на его личные взгляды на данную проблему. В 1941 году он обратил внимание Уиллера и Фейнмана на времеасимметричные электродинамические теории Ритца (1908) и Тетрода [Tetrode] (1921). [Это произошло когда Уиллер и Фейнман создавали основу для своей менее удачной (1945) времесимметричной теории поглощения 23
, которая в сущности была теорией эмиссии/поглощения [испускания/поглощения]. Они не смогли охватить временную асимметрию, но в настоящее время исследователь Джилл [Gill] 24 предлагает возродить поглотительную теорию, создав обобщённую версию без опережающих взаимодействий.] Два раза в частной переписке Эйнштейн затрагивает вопрос о временной асимметрии. 25 В этих письмах Эйнштейн выражает растущие сомнения по поводу справедливости гипотезы о пространственном континууме в рамках теории поля и обо всём, что с ней связано.Поскольку временная симметрия неразрывно связана с пространственным континуумом, то при крахе последнего, временная симметрия могла последовать за ним. Описка Ланкцоза могла быть обычной случайностью, но, тем не менее, может указывать на взгляды Эйнштейна в последние годы его жизни.
Если бы не растущее единодушие в отношении асимметрии стрел времени, можно было бы сделать вывод, что борьба между Ритцем и Эйнштейном была пустым спором и о ней следует забыть. В современной науке принято считать, что Эйнштейн одержал победу, однако многие из нас никогда не слышали ни об этом противостоянии, ни об электродинамике Ритца. Если раньше суд и решил дело в пользу Эйнштейна, то сделал это по ошибке. Ритц умер 7 июля 1909 года в возрасте 31 года, спустя два месяца после публикации их совместной статьи.
Мир науки времён Ритца, видимо, был настолько благодарен Максвеллу, Лоренцу и Герцу, которые спасли этот мир от тисков мгновенного "действия на расстоянии", что не мог заставить себя рассмотреть любую гипотезу, хоть сколько-нибудь напоминавшую "старую" теорию дальнодействия. Таким образом, спустя небольшое время после смерти Ритца, нужное чтобы отдать дань уважения покойному, его электродинамическую теорию отвергли и скрыли.
Раз наука не можем доказать существование симметричной стрелы времени в микромире (а согласно принципу неопределённости Гейзенберга мы этого сделать не можем), то, возможно, в конечном счёте мы будем использовать всё больше и больше концепций Ритца и верить в то, во что должно. Как минимум, предложенная Ритцем (в 1908 г.) критика теории электромагнитного поля нуждается в новейшем переосмыслении.
Выражаю благодарность Брайану Г. Уоллесу из Санкт-Петербурга, Флорида, за то, что он обратил моё внимание на письма Эйнштейна в книге Пайса, "Бог искушён ...".
Для того, чтобы разъяснить различия между нашими взглядами, которые проявились в наших публикациях, нам бы хотелось представить следующие пояснения.
В частных случаях, когда электромагнитный процесс остаётся ограниченным в конечном объёме, можно представить процесс как в виде
так и виде
В то время как Эйнштейн полагает, что можно ограничится частными случаями [для обоих видов], не ограничивая при этом существенно общность рассмотрения, Ритц считает это ограничение принципиально недопустимым. Если принять точку зрения последнего, что опыт принуждает считать представление с помощью запаздывающих потенциалов единственно возможным, и если допустить, что необратимость процессов излучения рассматривается как фундаментальный закон, то следует найти её выражение. Ритц считает ограничение в виде запаздывающих потенциалов одним из источников второго закона [термодинамики], в то время как Эйнштейн полагает, что необратимость основывается исключительно на вероятностных началах.
Цюрих, апрель 1909 г.
Поступила 13 апреля 1909 г.
1. H. Poincaré,
Science and Hypothesis (1905) (Dover, 1952) p. 89. [есть русское издание книги в сборнике: Пуанкаре А. О науке, М.: Наука, 1983, см. фрагменты на www.ritz-btr.narod.ru/puankare.html]Robert S. Fritzius
305 Hillside Drive
Starkville, Mississippi 39759 U.S.A.
Дата установки: 16.12.2007
[
