Who is who, или кто открыл новую теорию тяготения

Наблюдая за миром науки, иногда интересно не только само открытие, а как оно возникло, кто и почему его открыл. Рождаются целые истории со своими драматическими особенностями, причем они весьма показательны и поучительны. Как пример, небольшой фрагмент книги Ю.А.Рябова "Движения небесных тел", где описана как раз одна из таких историй. Ее можно воспринимать по-разному: можно возмущаться или злорадствовать, можно иронизировать или сочувствовать. Но факт остается фактом, так уж случилось. Мы же можем усвоить для себя кое-какие выводы из описанных событий. Данная история характерна тем, что в ней нет намеренного восхваления заслуг какой-либо из сторон. Каждый из ученых внес свой вклад в науку. Просто одному удалось создать более четкий математический аппарат, другому - проще и нагляднее описать суть открытия, не вдаваясь глубоко в формулы.

Возникновение теории относительности и новой теории тяготения

История возникновения теории тяготения Эйнштейна неразрывно связана с историей развития всей физики, с "кризисом" классической физики в конце XIX века, с коренной ломкой многих ее представлений, с появлением в начале XX века новой физики. Законы механики Ньютона, связанные с ними понятия массы, силы и его закон всемирного тяготения, а также ряд других открытий в XVII веке явились основой классической физики. Конечно, некоторые белые пятна в физике оставались. Закон тяготения Ньютона сам по себе ставил перед классической физикой неразрешимые проблемы.

Тяготение представляет собой по Ньютону силу, действующую на расстоянии. Как же эта сила передается от одного тела к другому? Сам Ньютон высказывал мысль, что она передается каким-то образом посредством эфира. Позже были разработаны теории, объясняющие в рамках классической физики тяготение как результат механического действия эфира на материальные тела. Однако эти теории не могли объяснить другие свойства тяготения.

Во-первых, закон Ньютона предполагает мгновенность действия тяготения, поскольку ньютоновы силы притяжения между небесными телами зависят только от взаимного расположения этих тел, как бы они ни двигались. Во-вторых, для тяготения не существует никаких преград. Например, во время лунных затмений Земля, находясь между Солнцем и Луной, как бы преграждает путь силам тяготения между ними. Если бы взаимное притяжение между Солнцем и Луной ослабевало в это время, то в движении Луны возникали бы дополнительные возмущения. Однако такие возмущения не наблюдаются. Никаким щитом или экраном из какого-либо материала нельзя хотя бы частично уменьшить силу тяжести, притягивающую все материальные тела к центру Земли. Эти свойства тяготения никак не согласуются с его механическим объяснением. Всепроникающая, мгновенно действующая на расстоянии сила тяготения оставалась для классической физики загадкой.

Однако беспокойные умы ученых, теоретиков и экспериментаторов начали вскоре приходить к таким открытиям, которые мало назвать важными. Эти открытия привели к пересмотру многих представлений классической физики, к возникновению принципиально новых фундаментальных направлений в физике. Одним из "китов", на которых покоится современная физика, а вместе с ней теория тяготения Эйнштейна, является теория относительности.

Первым, кто со всей категоричностью указал на неблагополучие в классической физике, был Пуанкаре. С 1888 года он читал в Парижском университете лекции по теории электромагнитных явлений, разработанной Максвеллом. Он показал, что в рамках теории Максвелла невозможно построить для электромагнитных явлений удовлетворительную механическую модель, как это требовалось в классической физике. В 1898-1902 годах Пуанкаре впервые после Ньютона подверг конкретному научному анализу такие фундаментальные понятия классической физики как абсолютное время и абсолютное пространство. Его выводы неожиданны: "Абсолютное пространство не существует; мы познаем только относительные движения; утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе не имеет смысла. Мы не способны к непосредственному восприятию простого факта одновременности событий, происходящих в различных местах".

В 1904 году на международном конгрессе в Сент-Луисе Пуанкаре говорил, в частности, что следует "создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, где инерция возрастала бы со скоростью и 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". Кроме того, Пуанкаре, затрагивая непосредственно ньютонов закон тяготения, указал на двойственный характер массы: "Масса имеет два аспекта: это и коэффициент инерции и масса тяготения, входящая в качестве множителя в закон ньютоновского притяжения". Поскольку масса как коэффициент инерции возрастает вместе со скоростью, то Пуанкаре задает вопрос: "Если нет более постоянной массы, то во что превращается закон Ньютона?"

Пуанкаре настаивает на том, что основные принципы физики (принципы сохранения энергии, массы, принцип относительности и другие) должны быть сохранены, хотя, возможно, они приобретут другую форму. Останавливаясь, в частности, на принципе относительности, он формулирует его как всеобщий принцип для всех физических процессов: "Законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение, так что мы не имеем и не можем иметь никакого способа определить, находимся ли мы в подобном движении или нет". Такая общая формулировка принципа относительности была дана впервые, так что его справедливо назвать принципом относительности Пуанкаре. Принцип относительности только для механических явлений был открыт еще Галилеем и носит его имя.

В 1905 году появились две статьи Пуанкаре, явившиеся как бы логическим завершением его предыдущих выступлений, публикаций, связанных с вопросом о кризисе классической физики. В статье "О динамике электрона", опубликованной в июне 1905 года в сообщениях Французской академии наук, Пуанкаре представил краткое изложение своих идей и результатов. Большая статья под таким же названием была опубликована в итальянском математическом журнале в январе 1906 года.

Прежде всего в этих статьях почти полностью построен математический аппарат, явившийся основой теории относительности или, как принято ее называть, специальной теории относительности. Следующим огромным достижением Пуанкаре было открытие законов новой механики, о которой он высказывался в Сент-Луисе в порядке гипотезы. Он пришел к новым законам, опираясь на ту идею, что принцип относительности в общей форме универсален и поэтому применим к любым физическим явлениям, в том числе к механическим. Но было известно, что классические законы удовлетворяют именно принципу относительности Галилея. Следовательно, делает вывод Пуанкаре, надо изменить эти законы так, чтобы они отвечали принципу относительности в новой форме, а это приводит к другим математическим формулам. Пуанкаре находит основные динамические уравнения, связывающие силу, массу, скорость, ускорение тел и заменяющие второй закон механики Ньютона. Это были уравнения новой механики, получившей позднее название релятивистской механики. В этой механике масса тела как бы не остается постоянной, если тело движется; она растет вместе со скоростью. При этом никогда нельзя достичь, а тем более превысить скорость света.

Наконец, Пуанкаре разработал новый закон тяготения, заменяющий закон Ньютона. Он исходил из того, что для движущихся тел силы взаимного притяжения должны удовлетворять принципу относительности в новой форме, а для неподвижных тел новый закон тяготения должен совпадать с законом Ньютона. Пуанкаре вывел искомую формулу, уделив этому вопросу значительное место в обеих статьях и получив, что сила тяготения распространяется со скоростью света и что она зависит не только от взаимного расположения тел, но и от их скоростей. Пуанкаре также ввел понятие гравитационных волн, обмен между которыми аналогичен обмену между электромагнитными волнами. Это был первый вариант релятивистской теории тяготения, увидевший свет.

К сожалению, замечательные результаты Пуанкаре не были приняты его современниками с должным пониманием. По-видимому, это произошло частично по той причине, что первая статья Пуанкаре была слишком краткая, а его вторая подробная статья была опубликована в математическом журнале и изложение носило сугубо математический характер. В ней не было иллюстраций и объяснений на языке, так сказать, "осязаемых" геометрических и физических понятий. Результаты Пуанкаре выглядели как чисто математическая теория.

Но более весомой причиной явилось то, что вторая статья Пуанкаре чуть "запоздала". В том же 1905 году в сентябрьском номере немецкого журнала "Анналы физики" появилась статья Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел", вышедшая, таким образом, позже, чем первая статья Пуанкаре, но раньше, чем вторая. Постановка проблемы у Эйнштейна и у Пуанкаре (в первой статье), по существу, одинакова: как согласовать принцип относительности и электромагнитные явления, описываемые теорией Максвелла? Но к анализу этой проблемы Эйнштейн подошел иначе. Он сформулировал в качестве исходных два постулата. Первый - принцип относительности в той общей форме, как формулировал его Пуанкаре, и второй - принцип постоянства скорости света: "Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью, не зависящей от состояния движения излучающего тела". Исходя из этих двух постулатов и из наглядных кинематических соображений, Эйнштейн показал, что надо отказаться от привычных классических представлений о пространстве и времени. Он убедительно показал, что временные и пространственные (геометрические) характеристики физических явлений тесно связаны друг с другом, что геометрические размеры тел, промежуток времени между двумя событиями - это относительные понятия: все зависит от того, рассматривает ли наблюдатель объекты и физические процессы на неподвижной по отношению к нему арене событий или движущейся. При этом время для этих процессов течет с точки зрения неподвижного и движущегося наблюдателя неодинаково и по-разному в различных точках арены событий.

В целом статья Эйнштейна содержала стройное и наглядное изложение новой физической теории пространства, объединенного со временем (пространства-времени), ликвидирующее противоречия классической электродинамики. По объему полученных конкретных результатов, по "физической" наглядности она значительно превосходила первую статью Пуанкаре, носившую тезисный характер. Естественно, что именно статья Эйнштейна быстро привлекла внимание физиков. Успехи идей Эйнштейна как бы заслонили и вторую статью Пуанкаре, хотя эта статья содержала и более глубокий математический анализ той же, по существу, проблемы, и почти все формулы, полученные Эйнштейном, а также многие другие (в статье Эйнштейна около 75 формул и групп формул, а в статье Пуанкаре более 240). Статья Пуанкаре содержала дополнительно и другие важные результаты: точные уравнения релятивистской механики, новую теорию тяготения, введение нового четырехмерного пространства координат и времени. Но каковы бы ни были причины (возможно, не только чисто научные), результаты Пуанкаре по теории относительности остались на долгое время в глубокой тени.

В марте 1906 года Планк, развивая идеи Эйнштейна, "переоткрыл" уравнения релятивистской механики, не упомянув имя Пуанкаре. Кстати, именно Планк ввел тогда термин "теория относительности". В 1907 году немецкий математик Г.Минковский (1864-1909) "переоткрыл" четырехмерное пространство координат и времени Пуанкаре и значительно развил теорию относительности как "геометрическую" теорию пространства-времени. Теория относительности начала свое триумфальное шествие как одно из важнейших направлений современной физики, но на ее знаменах долгое время не было имени Пуанкаре.

Эйнштейн и Пуанкаре продолжали после 1905 года работать в этой области, но Эйнштейн гораздо более активно. Пуанкаре ограничивался "популярным" изложением на языке физических понятий своей точки зрения на принцип относительности, на единое пространство-время. Новых конкретных результатов он не получил. К сожалению, Пуанкаре не стал развивать далее свою теорию тяготения, ее не продолжил и никто другой. Сомнения Пуанкаре были связаны с тем, что она не приводила к полному согласию с наблюдениями - по его теории столетнее смещение перигелия орбиты Меркурия составляло 32", а по известным тогда данным Леверье 38".

Эйнштейн в период 1906-1916 годов опубликовал целый ряд статей, содержащих как разъяснение, "популярное" изложение различных вопросов теории относительности, так и новые результаты. Особое внимание он уделил включению в сферу теории относительности сил тяготения, чему была посвящена серия статей, завершившаяся большой статьей "Основы общей теории относительности". Опубликованная в 1916 году, она содержала изложение новой теории тяготения в законченной форме. Эйнштейн назвал свою теорию тяготения общей теорией относительности, предложив название "специальная теория относительности" для своей исходной теории, не учитывающей присутствие гравитирующих материальных тел.

Материальные тела по теории Эйнштейна изменяют геометрические свойства пространства-времени. Частица в пустом пространстве движется в любом направлении по прямой линии (по инерции). В присутствии же другого материального тела частица движется уже не по прямой линии, а по соответствующей орбите вокруг этого тела. Притягивающее тело создает вокруг себя своего рода "искривленное" пространство-время, которое проявляется в виде гравитационного поля. Теория Эйнштейна - огромнейшее достижение. До сих пор она полностью отвечала всем наблюдаемым эффектам в движениях небесных тел и другим астрономическим явлениям.

Однако в последнее время и эта теория начала подвергаться критике. Заметим в связи с этим, что подходы Пуанкаре и Эйнштейна при создании теории относительности оказались различными. Эйнштейн на первое место ставил пространственно-временные отношения, свойство масштабов и часов. Отсюда он вывел свойства движений и взаимодействий материальных тел. Для Пуанкаре основа и исходный объект анализа - взаимодействие материальных тел, их взаимные перемещения; геометрические же характеристики пространства и времени служат как бы языком, на котором описываются эти взаимодействия и перемещения; можно, вообще говоря, описывать их на различных языках, то есть с помощью различных геометрических систем и способов определения и измерения времени. Будущее покажет, кто прав и в каком направлении пойдет дальнейшее развитие теории тяготения.

Юрий Александрович Рябов