[Вернуться к содержанию сайта]

Многоуважаемые слушатели!

Позвольте остановить ваше внимание на кризисе, который в настоящее время угрожает одной основной гипотезе физики. Этот кризис является, как мне кажется, ярким выразителем того своеобразного революционного настроения, которое сейчас господствует в теоретической физике.

Для большей наглядности в дальнейшем изложении я буду исходить из некоего фиктивного опыта, который для краткости можно назвать “опытом с шаром”. Этот фиктивный опыт выбран мной с тем расчётом, чтобы интересующие нас стороны его выступили с особенной яркостью.

Прошу прощения за некоторую фантастичность его, которую мне для этой цели пришлось ему придать.

Представим себе полый шар, размер которого превышает не только размер Земли, но даже размер её орбиты. Этот шар так велик, что световой луч пробегает его поперечник примерно часа за два. В самом центре этого полого шара помещается исследователь. Шар находится в покое. Исследователь производит следующий опыт: он заставляет на мгновение вспыхнуть яркий источник света и ждёт, что он увидит дальше. Сперва он на мгновение увидит источник света, затем наступит темнота — на два часа, так как в течение часа свет добежит от центра до внутренних стенок полого шара, отразится от них и через час вернется к наблюдателю. И только в этот момент наблюдатель увидит, что вся внутренность шара на мгновение осветится, затем вновь наступит темнота.

Представим себе, далее, ещё второй, точно такой же полый шар. И в его центре находится исследователь. Но этот второй шар не находится в покое, а пробегает мимо нас с огромной скоростью, например со скоростью в одну десятую скорости света. Исследователь движется вместе с шаром. Этот второй исследователь, совершенно так же, как и первый, зажигает на одно мгновение источник света и точно так же наблюдает дальнейшие явления. Спрашивается: увидит ли наблюдатель в движущемся шаре также всю шаровую поверхность одновременно, или он увидит нечто иное? На этот вопрос физики различных времён ответили бы различно.

Ньютон, основываясь на своей теории истечения, сказал бы: наблюдатель в движущемся шаре увидит абсолютно то же самое, что и наблюдатель в покоящемся шаре, поскольку распространение света от лампы и отражение его от внутренней поверхности такого шара - явление чисто механическое, подобное игре в мяч; лампа бросает световые частицы в пустоту, по направлению к стене, а от стены они упруго отскакивают обратно по направлению к лампе. Подобная игра в мяч не меняется от того, где она происходит, - в неподвижной ли комнате или в комнате, движущейся с равномерной скоростью.

Френель - один из основателей современной теории света – сказал бы: нет, наблюдатель в движущемся шаре увидит нечто совсем иное, чем наблюдатель в шаре неподвижном. Он увидит следующее: сначала лампу, затем приблизительно два часа будет царить темнота; потом он увидит, как вспыхнет экватор шара (назовём так тот большой круг шара, который перпендикулярен направлению движения шара), затем ему будут видны два круга широты, расположенных симметрично по обеим сторонам экватора. Эти два светлых круга распространяются симметрично по направлению к полюсам. Наконец вспыхнут одновременно оба полюса шара; вслед за этим всё снова погрузится во мрак.

Откуда берётся у Френеля эта удивительная картина?

У Френеля есть следующая гипотеза о природе распространения света: все мировое пространство заполнено эфиром, который находится в покое относительно неподвижных звёзд. Тела свободно движутся сквозь этот эфир, не увлекая его за собой. Когда лампа испускает свет, она изменяет состояние эфира, и возбуждаемые ею изменения передаются в эфир по всем направлениям, подобно тому как передаётся толчок в упругом теле.

Допустим, что полый шар с наблюдателем неподвижен относительно эфира. Световое возбуждение образует в таком случае шаровую волну, которая разбегается симметрично от центра полого шара; в некоторый момент она коснётся внутренней поверхности шара и затем, симметрично сжимаясь, вернётся в центр его.

Совершенно иначе дело обстоит со вторым шаром, который вместе с наблюдателем движется чрезвычайно быстро через неподвижный эфир. Наблюдатель при этом находится в таком положении, в котором он находился бы на мосту, перекинутом через мощный и равномерно текущий поток; через его быстро движущуюся шаровую лабораторию точно так же мчится неподвижный эфир. Что произойдет, однако, если мы бросим камень с моста в поток? По поверхности воды будут распространяться круговые волны, которые поток будет увлекать за собой. Точно так же вспышка света от лампы распространяется в эфире в форме шаровой волны и точно так же, как эта шаровая волна деформируется эфирным ветром, дующим через шаровую лабораторию. При этом распространение и отражение световой волны происходит уже не так симметрично относительно центра полого шара. При помощи элементарного расчета можно установить, какие части световой волны вернутся к наблюдателю раньше, какие позже.

Из этих соображений и вытекает та картина, которая была нарисована выше. А именно: наблюдатель в движущемся шаре увидит сначала экватор, затем круги широт и наконец только оба полюса. Таков прогноз, поставленный на основании гипотезы Френеля о неподвижном эфире.

Стокс предполагает, что тела увлекают с собой в своём движении находящийся в них световой эфир. Если же вместе с движущейся шаровой лабораторией перемещается и эфир, в ней заключённый, то само собой разумеется, что наблюдатель в движущемся шаре увидит то же, что и наблюдатель в шаре покоящемся.

Резюмируя всё сказанное, мы приходим к следующему выводу.

Теория истечения Ньютона и теория Стокса об увлекаемом эфире говорят нам: наблюдатель в движущемся шаре видит совершенно то же самое, что и наблюдатель в покоящемся шаре.

Наоборот, теория Френеля о неподвижном эфире утверждает, что второй наблюдатель видит совершенно определённую иную картину.

Какому предсказанию следует верить?

Насколько вообще достоверны эти три различные теории света?

Что касается теории истечения Ньютона, то о ней всем известно следующее: в течение всего XVIII столетия она господствовала неограниченно. В начале XIX столетия ее внезапно и целиком вытеснила теория эфира. Как известно, веские причины заставили физиков быстро и радикально отказаться от теории истечения. Мы не можем обсуждать здесь эти причины.

Теория эфира постепенно заняла прямо-таки господствующее положение во всех областях физики. Особенно со времени работ Максвелла и Герца, которые с полной очевидностью показали, что оптические явления представляют собой не что иное, как частный случай электромагнитных волн, т. е. что световые волны не что иное, как очень короткие электромагнитные волны. Потому-то, таким образом, световой эфир явился носителем всех вообще электромагнитных явлений.

В эфирной теории существовали, однако, две различные точки зрения, между которыми спор не был решён почти до конца XIX столетия. Стоит ли эфир неподвижно, или каждое тело увлекает за собой находящийся в нем эфир? В дальнейшем изложении мы будем обе эти теории называть сокращённо теорией неподвижного эфира и теорией увлекаемого эфира.

Охарактеризуем в существенных чертах борьбу этих двух теорий и окончательную победу теории неподвижного эфира. Гипотезу об увлекаемом эфире особенно поддерживал Стокс в области оптических явлений. В частности, Стокс считал, что Земля в своём движении вокруг Солнца увлекает свой эфир за собой совершенно так же, как и воздушную атмосферу. Герц распространил в 1890 г. гипотезу об увлекаемом эфире с оптики на теорию всех электромагнитных явлений вообще. Гипотезу о неподвижном шаре поддерживал в области оптических явлений Френель. По его теории, Земля скользит сквозь неподвижный эфир при своём движении вокруг Солнца. Лоренц распространил также в 90-х годах гипотезу о неподвижном эфире с оптических явлений на электромагнитные явления вообще.

Какие решающие мотивы способствовали победе неподвижного эфира теории Френеля - Лоренца над увлекаемым эфиром теории Стокса - Герца?

1. Лоренц доказал: измеряемая астрономами аберрация света, испускаемого звёздами, не согласуется с гипотезой Стокса о том, что Земля увлекает за собой свою эфирную оболочку. Если, наоборот, допустить, по Френелю, что Земля скользит сквозь неподвижный эфир, то величина наблюдаемой аберрации согласуется с теоретическим подсчётом её.

2. Физо опытным путём установил, что скорость света в текущей воде больше, нежели в воде стоячей, и превышает её на совершенно определённую часть скорости течения воды.

Существенное преимущество теории Лоренца заключается в том, что она смогла дать отчётливое и количественно согласное с опытными данными объяснение этого явления. Теория же увлекаемого эфира совсем противоречит результатам Физо; по этой теории скорость света в текущей воде должна, очевидно, превышать скорость света в воде неподвижной на полною скорость течения воды.

3. В то время, когда победа теории Лоренца была уже обеспечена её многосторонними успехами, русскому физику Эйхенвальду удалось поставить ещё один опыт, красиво подтверждающий эту теорию. Наэлектризованное тело при быстром движении влияет на магнитную стрелку, как магнит. Эйхенвальд подобрал такие условия опыта, при которых по теории Лоренца получается для магнитной силы одно значение, а по теории Герца – другое. И в этом случае результаты опыта резко склонились в пользу неподвижного эфира и свидетельствовали против увлекаемого эфира.

Вернёмся теперь к нашему опыту с шаром и вспомним те три прогноза, которые ставят три теории света. Теория истечения Ньютона, равно как и теория Стокса – Герца, говорит: наблюдатель в движущемся шаре видит совершенно то же самое, что и наблюдатель в покоящемся шаре. Можем ли мы, однако, доверять предсказанию, основанному на теориях, от которых физики отказались? Конечно, нет. Что же говорит победоносная гипотеза о неподвижном эфире? По этой теории, как мы уже раньше видели, наблюдатель в движущемся шаре должен увидеть – благодаря эфирному ветру, дующему в его лаборатории, – нечто совсем иное, нежели наблюдатель в шаре неподвижном. Этого нам, значит, и следовало бы ожидать.

Наш опыт с шаром представляет собой в преувеличенном виде фактически произведённый опыт – знаменитый опыт Майкельсона. Майкельсон употребляет прибор лишь в несколько метров величиной, и прибор этот движется со скоростью одной десятитысячной скорости света в эфире, а именно он движется с нашей Землёй, которая как раз с этой скоростью вращается вокруг Солнца. При таких невыгодных условиях Майкельсону понадобились, конечно, неизмеримо более чувствительные измерительные приспособления, нежели при нашем “опыте с шаром”. Принцип, однако, в обоих случаях один и тот же.

Мне поэтому позволительно будет для простоты рассуждать так, как если бы Майкельсон на самом деле произвёл непосредственно наш “опыт с шаром”. Что он нашёл? Удалось ли ему действительно заметить, что полюса вспыхивают позже, нежели экватор, как это должно быть по теории неподвижного эфира? Его установка была достаточно чувствительна, чтобы можно было заметить вычисленное запаздывание, если таковое существует.

Известно, что Майкельсон не нашёл и следов этого ожидаемого запаздывания. Известно также, что после него и другие исследователи производили и электрические и оптические опыты, с тем чтобы констатировать существование эфирного ветра, который должен дуть в наших лабораториях, если только Земля движется сквозь неподвижный эфир. Известно, далее, что все эти опыты над эфирным ветром неминуемо приводили к ясно выраженным отрицательным результатам. Ни разу не удалось открыть хотя бы след эфирного ветра. И все же он мчится через наши лаборатории – и через этот зал – со скоростью, ровно в 1000 раз превышающей скорость курьерского поезда.

Как реагировали физики на этот всеобщий отрицательный результат всех опытов над эфирным ветром? Как отнеслись они к эфирной гипотезе?

Я постараюсь противопоставить друг другу важнейшие точки зрения; извините, что мне при этом придётся повторять хорошо знакомые вещи.

Остановимся прежде всего на точке зрения Лоренца, изложенной в его работе 1904 г.; к сожалению, здесь невозможно проследить за последовательным развитием этой точки зрения.

В этой работе Лоренца сохранена как гипотеза о неподвижном эфире, так и другие основные гипотезы прежней теории. Поэтому сохраняют своё значение все те положения, в которых теория Лоренца – в первоначальном виде – одержала верх над остальными.

Новым в этой работе является систематическое применение двух, с формальной стороны простых гипотез, а именно гипотез о том, как меняются благодаря движению через эфир:

1) междумолекулярные силы;

2) геометрическая форма электронов.

Обе эти гипотезы удивительным образом в корне уничтожают противоречие между гипотезой о неподвижном эфире и резко отрицательными результатами всех опытов над эфирным ветром. Противоречие исчезло бесследно.

Исходя из вышеупомянутых основных предположений, работа 1904 г. чисто дедуктивно доказывает для очень большого класса опытов следующую теорему: допустим, что лаборатория движется сквозь эфир с произвольно большой скоростью (не превышающей, однако, скорости света). Если какой-нибудь исследователь в такой лаборатории произведёт опыт, то, по его наблюдениям, этот опыт будет протекать совершенно так же, как если бы его лаборатория стояла неподвижно по отношению к эфиру. В дальнейшем изложении я буду эту теорему кратко называть “теоремой 1904 года”.

Полезно продумать применение этой теоремы к совершенно специальным случаям. Тогда можно на своеобразной картине проследить, каким образом эти гипотезы в самом деле помогают скрыть от наблюдателя эфирный ветер.

Позвольте несколькими резкими штрихами набросать получающуюся при этом картину: эфирный ветер нарушает ход того явления, которое исследователь наблюдает; но тот же ветер портит, так сказать, и измерительные приборы наблюдателя: он деформирует меры длины, меняет ход часов, напряжение пружины в пружинных весах и т. п.

Всё это достигается благодаря названным основным гипотезам, в частности гипотезе о том, что движение через эфир изменяет силу притяжения между молекулами.

Если поэтому исследователь наблюдает изменённые эфирным ветром явления при помощи своих, тем же эфирным ветром испорченных приборов, то он увидит абсолютно то же, что увидел бы наблюдатель покоящийся, наблюдающий явления, ничем не нарушенные, при помощи ничем не испорченных приборов.

Изумительно, что это следствие можно было строго доказать для очень большой группы опытов, пользуясь таким небольшим числом основных допущений. Удивительно, что вообще оказалось возможным провести подобную непрерывную цепь рассуждений.

Было бы нескромностью с моей стороны, если бы я захотел при помощи какого-нибудь эпитета выразить оценку метода, при помощи которого Лоренц справился с этой задачей.

Что касается нашего “опыта с шаром”, то на нём легко уяснить себе содержание теоремы 1904 г. На основании теории о неподвижном эфире мы полагали, что наблюдатель в движущемся шаре увидит полюсы шара позже, нежели экватор; эфирный ветер деформирует волну, посылаемую лампой. На основании же гипотезы о том, что эфирный ветер нарушает молекулярные силы, мы можем рассчитать, как эфирный ветер деформирует большой шар; как бы мы его ни поворачивали, он всегда окажется сплюснутым в направлении движения; следовательно, полюсы лежат ближе к центру, нежели экватор, и как раз на такое расстояние, что наблюдатель увидит оба полюса одновременно с экватором. Совершенно так же, как и наблюдатель в неподвижном шаре.

Основные гипотезы работы 1904 г. дают возможность и во всех остальных опытах над эфирным ветром скрыть его действие от наблюдателя.

Из сказанного видно, что работа Лоренца 1904 г. указывает возможность выхода из того затруднительного положения, в которое попала гипотеза об эфире. Но не все физики были удовлетворены этим решением.

Мы должны затронуть теперь те две точки зрения, которые опубликованы Эйнштейном в 1905 г. и Ритцем в 1908 г. К сожалению, мы не имеем возможности в рамках этой речи детально обсуждать эти точки зрения. Мы ограничимся лишь указанием на те их отличительные черты, которые определяют их значение в кризисе гипотезы об эфире.

Отрицательные следствия всех опытов над эфирным ветром приводят обоих авторов к убеждению, что эфира вообще не существует. Пространство между телами пусто. Электроны тел посылают друг другу сквозь пустоту электромагнитные импульсы и свет. Оба автора подчеркивают, что их теории возвращаются к теории истечения Ньютона и противоположны эфирной теории Лоренца.

Несмотря на эти общие черты, между точками зрения Эйнштейна и Ритца существует глубокая разница. Её легче всего обнаружить при следующей постановке вопроса.

Один источник света А стоит перед нами неподвижно, второй источник света В движется с большой скоростью по направлению к нам. Пропустим световые лучи от обоих источников через пустую трубу, спокойно лежащую перед нами, и измерим, одинаково ли быстро оба луча пробегают через трубу. Какой мы получим результат? Эфирная теория Лоренца говорит нам: “одинаково быстро” с таким обоснованием: свет от обоих источников распространяется в одном и том же эфире.

Теория истечения Ритца, отрицающая эфир, говорит: свет от движущегося на нас источника света проходит через трубу с большей скоростью, нежели свет от источника неподвижного. Обоснование: свет от источников летит в пространство, подобно осколкам от лопнувшей бомбы. Но осколки бомбы, движущейся на нас, летят через трубу, конечно, с большей скоростью, нежели осколки бомбы, которая взрывается, спокойно лёжа перед нами.

Наконец, теория истечения Эйнштейна, отрицающая эфир, говорит: одинаково быстро. Почему? Объяснение не приводится. Эйнштейн ставит это утверждение как постулат во главе своей теории, в этом и состоит его “постулат о постоянстве скорости света”.

Мы видим, следовательно, что отрицающая эфир теория Эйнштейна требует того же, что и эфирная теория Лоренца. На этом основании наблюдатель должен, по теории Эйнштейна, наблюдать на движущихся мимо него мерах длины, часах и пр. те же сокращения, разности ходов и т. п., как и по теории Лоренца. Заметим при этом, что принципиально невозможен такой experimentum crucis¹, который решил бы спор в пользу той или другой теории.

В теории Ритца нет речи о сокращении твёрдых тел, изменениях в ходе часов и т. п. Именно потому, что она отбрасывает положение (заимствованное из эфирной теории) о постоянстве скорости света и заменяет его положением, соответствующим теории истечения Ньютона. При этом можно придумать такие experimento crucis, которые помогли бы решить вопрос или в пользу точки зрения Ритца, с одной стороны, или же в пользу взглядов Лоренца и Эйнштейна – с другой. Таким experimentum crucis мог бы прежде всего служить вышеупомянутый опыт с двумя источниками света.

Опыт этот не произведён, потому что он требует от измерительной техники такой точности, которой мы при современных наших приборах не располагаем².

Представим себе, однако, на мгновение, что не сегодня-завтра удастся преодолеть все трудности этого, в настоящий момент ещё утопического, опыта. И положим, что – horribile dictu³ – получился бы результат, согласный с теорией Ритца: эфирной гипотезе был бы нанесён тяжёлый удар. Тогда мы охотно согласились бы, что свет бросается через пустоту, и тем самым мы встали бы вообще на точку зрения теории Ритца.

Заметьте, однако, что от нас требуют совсем иного, когда нам предлагают отрицать эфир вместе с Эйнштейном. Потому что тогда мы должны подписаться под следующими тремя положениями:

1. Источники света посылают нам световые сигналы через пустое пространство в виде самостоятельно существующих образов.

2. Скорость света должна получаться одна и та же, как при измерениях над светом от источника, на нас двигающегося, так и от источника, находящегося в покое.

3. Мы признаём, что сочетание этих обоих положений удовлетворяет нас.

Многоуважаемые слушатели! Я намеренно избегаю каких-либо определённых утверждений относительно того, какого выхода из создавшегося критического положения следует ждать. В мою задачу входило только нарисовать это критическое положение и дать выражение моему убеждению, что пока у нас нет ещё вполне удовлетворительного выхода из него.

Я не коснулся в настоящем изложении той сложной группы вопросов, которая, может быть, возьмёт на себя в дальнейшей судьбе эфирной гипотезы наиболее видную роль, – я говорю о том запутанном клубке задач, что в настоящее время связывают с боевым названием атомы света. Этой группы вопросов я здесь не мог коснуться, так как они ещё недостаточно выяснены. Я ограничился в этой речи лишь теми точками зрения, к которым приводят отрицательные следствия всех опытов над эфирным ветром. Для всестороннего освещения положения вещей мне было необходимо сопоставить детально разработанные теории Лоренца и Эйнштейна с набросками положений Ритца. Смерть лишила Ритца возможности развить свои идеи, и мы не знаем, как бы ему удалось преодолеть те затруднения, на которые мы наталкиваемся при первых же попытках восполнить пробелы в его работе.

Во всяком случае, следует обратить внимание на эту точку зрения, из которой исходил Ритц: он начал создавать теорию, избегая тех сокращений и иных изменений в движущихся измерительных приборах, которые так характерны для теорий Лоренца и Эйнштейна.

¹решающий опыт (лат.) – (здесь и далее примечания не П.Эренфеста, но советских редакторов, ошибочно считавших, что наблюдения двойных звёзд противоречат теории Ритца – С.С.)

²Профессор де Ситтер (Лейденский университет) успел за это время доказать, что можно на основании астрономических наблюдений над двойными звёздами с чрезвычайно большой точностью показать, что скорость, с которой до нас доносится свет от движущейся звезды, независима от скорости этой звезды – в противоречии с теорией (см.: ЖРФХО, 1913, 45, стр. 147.) Выполнение чрезвычайно затруднительных опытов, предложенных для решения выбора между теориями Ритца, с одной стороны, и Лоренца Эйнштейна, – с другой (см., например: R. С. Tolman. «Physical Review», 1912, 35, р.137), представляется, таким образом, излишним.

³страшно сказать (лат.)

[Вернуться к содержанию сайта]

W