Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
чае малой скорости очень незначительно. Если же скорость приближается к скорости света, оно делается значительным. Длина тела в направлении движения должна становиться бесконечно малой, по мере того как скорость приближается к скорости света. Другое следствие этой теории: скорость света является высшим пределом не только для скоростей всех тел и для распространения всех физических действий в пространстве, но также для всех относительных скоростей инерциальных систем друг относительно друга. Тем самым скорость света выступает из рамок оптики и электродинамики и получает универсальное значение для всех явлений природы. Исторической случайностью является то, что человечество впервые встретилось с этой скоростью при изучении света.
. В 1887 г. Вольдемар Фойгт (1850-1919) заметил в одной из своих работ, что вышеуказанное преобразование ведет от одной справедливой для оптики системы отсчета к другой, подобной же системе. В 1900 г. Анри Пуанкаре (1854-1912) пояснил это остроумным мысленным опытом. В 1904 г. эта мысль укрепилась под влиянием электродинамики Лорентца, который уже применял релятивистски измененную механику (гл. 2). Но исходным пунктом всех предшественников теории относительности было все же то, что электромагнитные и оптические процессы протекают так, как будто бы это преобразование ведет опять к приемлемой системе отсчета. Лорентц, например, установил различие expressis verbis между собственным временем, непосредственно применяющимся в привилегированной системе отсчета, абсолютным временем и «местным временем», которое вычисляется из абсолютного времени и пространственных координат для других систем отсчета. Решающий поворот, отказ от «как будто бы», совершил в 1905 г. А. Эйнштейн. На основе глубокого воззрения на сущность пространства и времени он высказал мнение о полном равноправии всех систем отсчета, полученных с помощью преобразования Лорентца из одной допустимой системы, и, следовательно,
равноправии всех относящихся к этим системам измерений пространства и времени. Чрезвычайно интенсивная полемика против теории относительности возникала зачастую из-за недостатка глубокого воззрения у оппонентов. Новая принципиальная установка привела Эйнштейна к вершине всего здания теории относительности - к закону инертности энергии (гл. 2).
Материальный носитель света, эфир, несовместим с теорией относительности. Он дал бы, как было сказано, предпочтение одной определенной системе отсчета. Взгляд Фарадея - Максвелла на электромагнитное поле как на изменение состояния эфира становится также неприемлемым. Не оставалось ничего иного, как усмотреть в электромагнитном поле самостоятельную физическую реальность.
Другое следствие из лорентцовского преобразования гласит, что движущиеся часы идут медленнее покоящихся. В качестве «часов» можно рассматривать периодические колебания в атомах, порождающие спектральные линии. Правда, этот эффект мал, второго порядка, и потому его трудно обнаружить. Скорости каналовых лучей оказались все же достаточными, чтобы его констатировать. «Квадратичный эффект Допплера» переплетается с классическим эффектом Допплера; его фактически наблюдали в 1938 г. Г. Айвс и Г. Р. Стивел, в 1939 г. Г. Отинг.
Специальная теория относительности, о которой здесь идет речь, явилась итогом продолжавшегося в течение столетия развития. Именно поэтому она не поставила перед экспериментальным исследованием новых проблем. Все опыты, произведенные с тех пор, являлись только улучшением прежних опытов. Мы выше уже упоминали о повторениях опыта Майкельсо-на. Укажем еще на электромеханический опыт, предложенный в 1903 г. Фр. Т. Троутоном и Г. Р. Ноблем, точность которого была поднята в 1926 г. Р. Томаше-ком до уровня точности опыта Майкельсона. Заряженный электростатический конденсатор, подвешенный так, чтобы он мог вращаться, должен был, согласно элек-
тронной теории, поворачиваться вследствие вращения Земли, но само собой разумеется, что согласно теории относительности такое вращение не должно было происходить. Вычисленный на основе электронной теории результат оказался малой величиной второго порядка. Несмотря на это, упомянутые исследователи убедились, что вращения действительно не было.
Перед математиками и теоретиками-физиками встала трудная задача. Они должны были приспособить к теории относительности все ветви физики, например, теорию упругости, гидродинамику, термодинамику и относящиеся к веществу части теории Максвелла. Изящную математическую формулировку теории относительности дал Герман Минковский (1864-1909), который незадолго до смерти ввел время как четвертую координату, равноправную с тремя пространственными координатами. Но это - только очень ценный и искусный математический прием; в противоположность существующему мнению, ничего более глубокого здесь не скрывается. В 1911 г. Макс Лауэ дал первое синтетическое изложение специальной теории относительности.
Но Эйнштейн не остановился на специальной теории относительности. С измерением пространства дело обстоит так же, как с измерением времени (гл. 1). Перед нашим созерцанием лежит континуум, и мы должны внести туда систему мер; но эта система в связи с трехмерностью пространства сложнее. В принципе существует бесконечно много равноправных методов измерения. Математики используют это многообразие, когда они свободно создают неевклидовы геометрии. Но физика должна это многообразие ограничить выбором той геометрии, которая даст возможность простого изложения законов природы. Смысл вопроса в том, какая геометрия соответствует опыту. Когда, например, Гаусс, с целью испытать значимость евклидовой геометрии, путем геодезических измерений
(следовательно, оптически) исследовал, действительно ли сумма углов в треугольнике Брокен - Инсельсберг- Высокий Гаген равна 180°, как утверждает эта геометрия в противоположность другим, он неявно допускал для простоты, что лучи света следуют по геодезическим («наикратчайшим») линиям. Если от этого отказаться, то невозможно будет вывести геометрическое заключение из результата опыта, подтверждающего эту сумму углов.
В то время как до сих пор физика была вполне удовлетворена евклидовой геометрией, общая теория относительности Эйнштейна, которая постепенно развивалась с 1913 г., утверждает, что для объяснения тяготения необходимо пользоваться неевклидовой, «римановой» геометрией. Отклонения от евклидовой геометрии минимальны даже вблизи таких больших масс, как Солнце, и проявляются только в очень немногих наблюдениях. Это, во-первых, не объясненный теорией движения планет остаток движения перигелия Меркурия (гл. 3); во-вторых, отклонение света Солнцем, которое, согласно наблюдениям Артура Стенли Эддингтона (1882-1944) во время солнечного затмения в 1919 г., точно соответствует предсказанию Эйнштейна. Последующие наблюдения затмений доставили, правда, несколько большую величину. В-третьих, нужно усмотреть подтверждение теории в новых спектральных наблюдениях, особенно касающихся плотной звезды - спутника Сириуса, в спектре которой линии значительно смещены в красной части спектра по отношению к их положению в земном спектре.
Общая теория относительности еще не закончена; но за ней останется на все времена слава предсказания отклонения света без применения специальных ad hoc сделанных допущений*).
*) Посредством подобных допущений также предсказывали отклонение света.
ГЛАВА 7
ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О ТЕПЛОТЕ
Уже в донаучном опыте было известно различие между теплыми и холодными телами и уравновешивание, которое наступало при соприкосновении различно нагретых тел. Было известно даже, что если тело А находится в тепловом равновесии с двумя другими телами, Б и С, то В и С также находятся в равновесии между собой. Это эмпирическое знание еще до появления собственно научного исследования привело к установлению «степеней теплоты» на одномерной шкале, т. е. к созданию качественного понятия температуры, при котором можно было говорить о более высокой или более низкой температуре, не связывая ее с мерой и числом.
С возникновением научного исследования появилась потребность измерять температуру количественно. Галилео Галилей (1564-1642), Еванжелиста Торри-челли (1608-1674), Отто Герике (1602-1686) и многие их современники стремились построить термометры; в основу они положили тепловое расширение жидкостей и газов, которым в большинстве случаев пользуются и сейчас. Правда, в этих первых термометрах не были устранены многие побочные влияния, например влияние давления воздуха, и поэтому они давали лишь условно применимые результаты. Приходилось также сталкиваться с техническими трудностями согласования показаний термометров одной и той же конструкции. Первым, кто преодолел эти трудности и всякие нарушающие влияния и тем самым стал основате-
