Облако на горизонте динамической теории света
Первые результаты измерения скорости света Альберт Абрахам Майкельсон опубликовал в 1879 году, когда ему не исполнилось еще и двадцати семи лет. В том же году родился Альберт Эйнштейн и умер Джеймс Клерк Максвелл. Шестью годами раньше, в 1873-м, был опубликован двухтомник Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». В нем содержались знаменитые уравнения электромагнитного поля, которыми Максвелл заложил основы классической электродинамики, математически оформив идею Майкла Фарадея, что заряды и магниты взаимодействуют не на расстоянии, а через свойства окружающей их среды, которые они и формируют. Другими словами, Фарадей предложил, а Максвелл поставил на прочный математический фундамент понятие электромагнитного поля. Можно сказать, что уравнениями Максвелла описывается всё разнообразие электромагнитных явлений. Автор этих уравнений, как и все его современники, не сомневался, что всё пространство во Вселенной заполнено эфиром. В статье «Эфир», написанной для Британской энциклопедии, он писал:
«Не может быть сомнений в том, что межпланетное и межзвездное пространство не является пустым, а заполнено некой материальной субстанцией или телом, несомненно наиболее крупным и, возможно, самым однородным из всех известных тел» (цитируется по книге [Пайс, 1989 стр. 107]).
Джеймс Клерк Максвелл
Эфир представлялся средой, находящейся в абсолютном покое по отношению к неподвижным звездам. Через эту среду Земля движется так, как будто она была прозрачной для эфира. Но если Земля движется сквозь эфир, то и эфир должен двигаться относительно Земли, образуя так называемый эфирный ветер. А вот обнаружить этот загадочный ветер экспериментально никому не удавалось.
Попытался и Джеймс Клерк Максвелл, но и у него ничего не получилось, получилось, о чём он сообщил в упомянутой статье в Британской энциклопедии. Он пришел к выводу, что в наземных условиях точности измерений скорости света недостаточно. О своих неудачах и сомнениях он рассказал директору Вашингтонского бюро морских альманахов Дэвиду Тодду в письме от 19 марта 1879 года. Малышу Альберту Эйнштейну как раз исполнилось пять дней.
После смерти Максвелла, последовавшей через восемь месяцев, письмо было напечатано в журнале «Nature». Там его и прочитал Альберт Абрахам Майкельсон, в это время работавший над диссертацией в Берлине у Гельмгольца. Опыт измерения скорости света в наземных условиях у Майкельсона уже был, поэтому к мнению Максвелла о невозможности зафиксировать эфирный ветер на Земле он отнесся критически. Майкельсон усовершенствовал свою методику измерения скорости света, построил специальный прибор – интерферометр, использовавший интерференцию двух пучков света: продольного (по направлению движения Земли) и поперечного (в перпендикулярном направлении). Результаты экспериментов, проведенных в Потсдаме под Берлином, были опубликованы в статье, вышедшей в августе 1881 года в старейшем американском научном журнале «American Journal of Science». Вывод статьи: эфирный ветер не обнаружен, так что гипотеза неподвижного эфира ошибочна.
К этому времени Майкельсон работал в Институте прикладных наук Кейса в Кливленде. На результат опыта Майкельсона обратил внимание профессор теоретической физики Лейденского университета Хендрик Лоренц. Он нашел ошибку в постановке опыта и поставил под сомнение достоверность результата. Пришлось Майкельсону внести коррективы в конструкцию интерферометра и вместе с коллегой Эдвардом Уильямсом Морли из Кейсовского колледжа Западного резервного района в Кливленде провести новую серию экспериментов, сомневаться в достоверности которых уже было невозможно. Результаты экспериментов были опубликованы в журнале «American Journal of Science» в 1887 году. Теперь и строгий Лоренц согласился с выводами из эксперимента Майкельсона-Морли, а патриарх английской физики Уильям Томсон, ставший к тому времени лордом Кельвином, отчитываясь о достижениях физики в XIX веке перед Королевским обществом в Лондоне 27 апреля 1900 года, признал этот опыт «выполненным с максимально возможной тщательностью, обеспечивающей достоверность полученного результата» [Kelvin, 1904 стр. 492].
Альберт Абрахам Майкельсон
Майкельсон и Морли впоследствии неоднократно повторяли свой эксперимент, меняя его условия: из подвального помещения интерферометр поднимался на вершину горы. Но результат от этого не менялся – неподвижный эфир обнаружить не удавалось. Последняя попытка была в 1929 году.
В упомянутой речи в Королевском обществе в 1900 году лорд Кельвин назвал опыт Майкельсона-Морли «облаком XIX века на горизонте динамической теории теплоты и света» [Kelvin, 1904 стр. 486]. Именно это облако предстояло развеять Альберту Эйнштейну в 1905 году.
К электродинамике движущихся тел
Статья, в которой впервые в законченном виде была предложена специальная теория относительности и объявлено, что введение «светоносного эфира» является излишним [Эйнштейн, 1965 стр. 8], была написана в рекордно короткий срок – сам автор оценивает его в пять недель (см. ниже). Статья поступила в редакцию журнала «Annalen der Physik» 30 июня 1905 года. Ее выходу предшествовали десять лет напряженных раздумий.
В «Автобиографических набросках», опубликованных уже после смерти автора, Альберт Эйнштейн вспоминал, когда он, будучи еще школьником, впервые задумался о связанных с распространением света проблемах.
«В том же году [1895] в Аарау у меня возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным! Это был первый детский мысленный эксперимент, который относился к специальной теории относительности. Открытие не является делом логического мышления, даже если конечный продукт связан с логической формой» [Эйнштейн, 1967 стр. 350-351].
О трудностях, с которыми он столкнулся, Эйнштейн рассказал в лекции, прочитанной в японском городе Киото в декабре 1922 года:
«В то время я был уверен в справедливости уравнений электродинамики Максвелла-Лоренца. Более того, из них вытекали соотношения так называемой инвариантности скорости света, вследствие чего эти уравнения должны быть справедливы и для движущихся систем отсчета. Однако инвариантность скорости света противоречила известному из механики правилу сложения скоростей. Пытаясь разрешить это противоречие, я столкнулся с огромными трудностями. Я потратил впустую почти год, пытаясь несколько видоизменить идеи Лоренца, и пришел к выводу, что загадка совсем не проста» (цитируется по книге [Пайс, 1989 стр. 134]).
Но в один прекрасный день – так его назвал Эйнштейн в своей киотской лекции – ему помог друг со студенческих времен Мишель Бессо, работавший с 1904 года в том же Патентном ведомстве в Берне, что и Альберт. Мишель был идеальным партнером для Эйнштейна: он умел слушать и задавать нужные вопросы. Один из таких вопросов попал в яблочко: он повернул мысли Эйнштейна в нужное направление. Вот как сам автор теории относительности это формулирует:
«Решение заключалось в пересмотре понятия времени, т. е. оказалось, что время не может определяться абсолютно — имеется неразрывная связь между временем и скоростью распространения сигналов. На основе такого представления можно преодолеть все огромные трудности. Через пять недель с того момента, как я это осознал специальная теория относительности была готова» (цитируется по книге [Пайс, 1989 стр. 134]).
Июньская статья Эйнштейна написана по канонам евклидовой геометрии: вводятся два постулата и из них выводятся разные следствия. Постулаты выбраны такими:
Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся.
Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью V, независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом» [Эйнштейн, 1965 стр. 10].
Альберт Эйнштейн
Из них он строго логически выводит весь математический аппарат теории относительности: преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой (преобразования Лоренца), теорему сложения скоростей, сокращение длины движущегося стержня и др. В качестве одной из причин, побудивших автора построить фактически новую физику, Эйнштейн называет «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“», но имени Майкельсона не называет. Другой причиной является «асимметрия, которая несвойственна самим явлениям» [Эйнштейн, 1965 стр. 7].
В работе Эйнштейна, положившей начало теории относительности, отсутствует не только ссылка на опыт Майкельсона-Морли, в ней вообще нет ссылок на работы предшественников, хотя очевидно, что она возникла не на пустом месте. В тексте статьи упоминаются имена только Максвелла, Герца и Лоренца. В последующие годы, возвращаясь к истории своего открытия, Эйнштейн отчасти этот недостаток восполнил. Как он потом признавался не раз, ему были известны работы Лоренца, написанные до 1895 года. Более поздних его работ он не читал и о преобразованиях Лоренца не слышал. Их он переоткрыл в 1905 году самостоятельно. И работ Пуанкаре, где детально разбираются вопросы относительности движения, Эйнштейн тогда не читал. Вспомним и других предшественников Эйнштейна, внесших вклад в теорию относительности.
Предшественники
В классической механике Ньютона—Галилея при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой равномерно и прямолинейно, все законы механики должны выглядеть одинаково. Это так называемый принцип относительности в механике. В ХХ веке соответствующее преобразование координат стали называть преобразованием Галилея. На опыте принцип относительности соблюдается и в электродинамике, но уравнения Максвелла при преобразовании Галилея меняли свой вид. Потребовалось заменить преобразования Галилея новыми преобразованиями координат и времени, при которых уравнения Максвелла сохранялись бы. Сейчас такие преобразования носят имя знаменитого голландского физика-теоретика Хендрика Антона Лоренца. Однако первым написал формулы преобразований Лоренца немецкий профессор теоретической физики из Гёттингенского университета Вольдемар Фойгт, кстати, руководитель второй диссертации (хабилитации) Макса Борна [Беркович, 2018 стр. 125]. В статье, опубликованной в 1887 году в трудах Гёттингенской академии наук, Фойгт привел формулы, отличающиеся от известных сейчас преобразований Лоренца только масштабным множителем. Лоренц нашел свои преобразования позже и независимо от Фойгта, но когда узнал о его результатах, сразу признал, что результаты Фойгта эквивалентны его собственным, а получены раньше [Пайс, 1989 стр. 119].
Опыт Майкельсона-Морли не давал покоя многим ученым: как могло получиться, что движение Земли в мировом эфире никак не сказывается на скорости света? Возможная разгадка этого парадокса пришла в голову нескольким физикам. В 1889 году ирландец Джордж Фицджеральд сформулировал гипотезу, которая должна была объяснить загадочный результат опыта Майкельсона-Морли. В заметке 1889 года он написал:
«…предлагаю гипотезу, позволяющую устранить возникшее противоречие: по мере движения материальных тел в эфире их длина изменяется пропорционально квадрату отношения их скорости к скорости света» (цитируется по книге [Пайс, 1989 стр. 119]).
Джордж Фицджеральд
Эта гипотеза, конечно, далека от теории относительности и потому, что здесь присутствует эфир, и потому, что изменение длины рассматривается как абсолютная реальность, а не изменение по отношению к неподвижному наблюдателю. Автор гипотезы предполагает, что причиной сокращения являются силы, т. е. это явление динамики, а не кинематики, как в теории относительности Эйнштейна. Тем не менее сокращение Фицджеральда-Лоренца стало употребительным термином в истории науки, так как это сокращение вытекало и из преобразований Лоренца, окончательно сформулированных им в 1904 году. В этих преобразованиях фигурировало и новое время в движущейся системе координат, которое Лоренц назвал «местным временем», считая его вспомогательной величиной, не имеющей физического содержания.
Джозеф Лармор
Следует отметить и работу друга Фицджеральда Джозефа Лармора «Эфир и материя», опубликованную в 1900 году. В ней содержатся те преобразования, которые впоследствии получат имя Лоренца, и вывод из этих преобразований сокращения Фицджеральда-Лоренца. Как сообщает Абрахам Пайс со слов ученика Лоренца Адриана Фоккера, «в Лейдене знали о том, что Лармор получил преобразования Лоренца раньше Лоренца» [Пайс, 1989 стр. 124], однако ни в переписке Лармора и Лоренца, ни в работах Лоренца об этих результатах ничего не говорится. Лекции Лармора слушал в Кембридже в 1907 году Макс Борн во время своей первой поездки в Англию после защиты диссертации. По его словам, он тогда ничего не понял, возможно, из-за ирландского акцента лектора [Беркович, 2018 стр. 114].
Анри Пуанкаре
Ближе всех приблизился к теории относительности великий французский математик Анри Пуанкаре, много работавший и над физическими проблемами. В 1898 году в статье «Об измерении времени» он поставил под сомнение абсолютный характер понятия «одновременности». В 1900 году он задолго до Эйнштейна признал мировой эфир необязательным допущением. В 1904 году он объявил «местное время» Лоренца не фикцией, а реальностью. И принцип относительности он признавал справедливым. И предельную скорость в виде скорости света Пуанкаре допускал. Казалось бы, до окончательной формулировки теории относительности Пуанкаре достаточно сделать всего один шаг. Но он его не сделал. Вместо анализа следствий из принципа относительности и предельности скорости света Пуанкаре требует дополнительных гипотез о сокращении движущихся тел в направлении движения. Эйнштейн на этом месте ничего дополнительно не требовал. Всё, что ему было нужно, он выводил из двух постулатов: и преобразования Лоренца, и сокращение движущихся масштабов, и замедление хода движущихся часов… А Пуанкаре требуются «дополнительные гипотезы»! Это однозначно свидетельствует о том, что Эйнштейн был единственным ученым, кто открыл специальную теорию относительности, аккуратно и последовательно вывел все ее следствия из двух постулатов. Все разговоры о том, что Пуанкаре раньше Эйнштейна пришел к СТО, нужно отбросить как беспочвенные.
Теория относительности по Уиттекеру
И тем не менее не смолкают разговоры о том, что истинным автором теории относительности является не Эйнштейн, а Пуанкаре вместе с Лоренцем. Показателен случай с книгой Эдмунда Уиттекера «История теорий эфира и электричества». О ней подробно написал Эйнштейну его давний и верный друг Макс Борн в письме от 26 сентября 1953 года:
«Престарелый математик Уиттекер, с которым я дружу, проживающий здесь в качестве почетного профессора, подготовил новое издание своей старой «Истории теории эфира», второй том которой уже вышел в свет. Он содержит, в числе прочего, также и историю создания теории относительности, с той особенностью, что ее открытие приписывается Пуанкаре и Лоренцу, между тем как твои работы упоминаются лишь как второстепенные. Хотя книга происходит из Эдинбурга, я, собственно говоря, не боюсь, что тебе может прийти в голову, будто я стою за этим делом. Фактически вот уже три года, как я делал все возможное, чтобы отговорить Уиттекера от его намерения, которое он давно лелеял и любил пропагандировать. Я перечитал старые оригинальные статьи, в том числе некоторые побочные статьи Пуанкаре, и снабдил Уиттекера английскими переводами немецких работ… Но все было тщетно. Он настаивал на том, что все существенное содержалось уже у Пуанкаре и что Лоренцу было вполне ясно физическое толкование. Ну, мне-то уже известно, сколь в действительности скептически был настроен Лоренц и как долго длилось, пока он стал „релятивистом“. Все это я рассказал Уиттекеру, но без успеха. Эта история злит меня, поскольку он пользуется большим авторитетом в говорящих по-английски странах, и многие ему поверят. К тому же мне в особенности неприятно, что в свое изложение он ввел всевозможные частные сообщения по поводу квантовой механики таким способом, что моя роль в ней в особенности расхваливается, так что многие (если даже и не ты сам) могут додумать, что я сам дурным образом причастен к этому делу» [Einstein-Born, 1991 стр. 257].
Ответ Эйнштейна показывает его величие не только как ученого, но и как человека, стоявшего выше мелкой возни вокруг вопросов приоритета:
«Дорогой Борн! Выбрось из головы все мысли по поводу книги твоего друга. Каждый ведет себя, как это представляется ему правильным, или, выражаясь детерминистически, как ему предначертано. Если он убедит других – это их дело. Что касается меня, то я во всяком случае нашел удовлетворение уже в самом процессе своих усилий. Я не считаю, однако, разумным делом защищать пару своих результатов как свою „собственность“, уподобляясь старому скряге, собравшему, надрываясь, пару грошей. Я не питаю к Уиттекеру и уж, разумеется, к тебе никакого зла. Да ведь вовсе и нет нужды мне читать эту штуку» [Einstein-Born, 1991 стр. 259].
О намерениях свергнуть Альберта Эйнштейна с пьедестала величайшего ученого ХХ века Эдмунд Уиттекер откровенно писал сыну Джону в октябре 1950 года:
«Я начинаю (хотя и медленно) работать над главой 2 тома 2 Истории эфира. Я перечитал (спустя почти 50 лет) статьи Пуанкаре, Лоренца и Лармора, написанные в 1899—1904 годы, и с удивлением понял, что они в те годы открыли всю теорию относительности. Первая статья Эйнштейна, которая появилась осенью 1905, не содержит ничего нового, если рассматривать только важные аспекты. Но она была опубликована в журнале „Annalen der Physik“, который читают физики, в то время как великая статья Пуанкаре годом ранее была опубликована в „Bulletin des Sciences Mathématiques“[1], издаваемом Дарбу, который физики не читают, поэтому вся теория была приписана Эйнштейну, который капитализировал свою репутацию написанием книг на эту тему. Мое мнение об Эйнштейне сильно упало: его репутация покоилась, главным образом на специальной относительности, которую он не открывал, и на общей относительности, которая (как сейчас твердо установлено) дает неверные численные значения для отклонения лучей света у солнца. После 1918 года он не создал ничего ценного: и у него совершенно ложные идеи о философских аспектах квантовой теории» [Navarro, 2020 стр. 9-10].
Эдмунд Уиттекер
Из этого письма, являющегося ценным историческим документом, можно сделать несколько выводов и об отношении английского математика к работам Эйнштейна и к нему лично в 50-е годы ХХ века, и о причинах такого отношения. Уиттекеру, безусловно, не нравилась медийная популярность Эйнштейна, и он верил, что тот сам раздул ее своими статьями и книгами, или, как он пишет, «капитализировал репутацию». В отличие от специальной теории относительности, в авторстве которой Уиттекер служащему патентного ведомства в Берне решительно отказывает, в том, что общую теорию относительности (ОТО) создал Эйнштейн, сомнений нет. Зато Уиттекер сомневается в самой теории, в том, что она достаточно надежно подтверждена опытами. В то время были известны три следствия из общей теории относительности, которые могли быть подтверждены или опровергнуты экспериментом, два из них – красное смещение и аномальное движение перигелия Меркурия – могли быть объяснены и без привлечения ОТО, а отклонение лучей света, проходящих мимо Солнца, измерялось разными исследователями несколько раз, начиная со знаменитой экспедиции Эддингтона в 1919 году, и каждый раз результаты получались разными.
Надо сказать, что до середины 50-х годов популярность ОТО среди физиков была невысока. Многие ученые считали, что она не отвечает на поставленные вопросы, а другие теории смогут их решить. В письме сыну от 14 июля 1952 года Уиттекер приводит мнение ученика Эддингтона, а теперь сотрудника Колледжа Бедфорда в университете Лондона, Гордона Кларка, которого Эдмунд считает лучшим в стране специалистом по общей относительности:
«Последние девять месяцев или около того убеждение, что общая относительность проигрывает гидромеханической теории, становится всё сильнее» [Navarro, 2020 стр. 14].
Но сильнее других повлиял на отношение Эдмунда Уиттекера к общей теории относительности астроном Эрвин Финлей-Фройндлих, занимавший в 50-х годах ХХ века знаменитую кафедру имени изобретателя логарифмов шотландского математика и астронома Джона Непера в старейшем в Шотландии Сент-Эндрюсском университете. Об этом ученом, одно время тесно связанном с Эйнштейном, следует рассказать подробнее, и я надеюсь, что этот рассказ еще впереди. Здесь же ограничимся краткой справкой.
Эрвин Фройндлих: всегда против течения
Первую часть фамилии Финлей-Фройндлих взял после прихода к власти нацистов в 1933 году, использовав фамилию матери-шотландки Эллен Элизабет Финлейсон. До этого все его знали просто как Эрвина Фройндлиха. После окончания Гёттингенского университета и защиты докторской диссертации по математике под руководством Феликса Клейна, Фройндлих начал работать в Берлинской обсерватории.
Эрвин Фройндлих
Он стал первым астрономом, всерьез поверившим в справедливость теоретических изысканий Альберта Эйнштейна, в то время активно работавшего над общей теорией относительности. Хотя полностью теория была построена только в конце 1915 года, уже в начале второго десятилетия ХХ века некоторые выводы из теории можно было проверить на практике. И Фройндлих с энтузиазмом взялся за эту работу, на которую его коллеги-астрономы смотрели с большим недоверием. Поездка в 1914 году в составе небольшой команды исследователей в Крым, где ожидалось необходимое для измерений солнечное затмение, закончилось интернированием в лагерь для граждан враждебного государства – началась Первая мировая война. Освободился Фройндлих только спустя несколько месяцев, так и не выполнив поставленной перед ним задачи. Потом ему не раз приходилось принимать участие в подобных экспедициях в разные страны, но ему не везло – то из-за плохой погоды, то из-за сбоя оборудования добиться удовлетворительного результата, подтверждающего результаты Эйнштейна, он так и не получил. Желая всё же как-то обосновать общую теорию относительности, он допустил в одной статье неприемлемую с точки зрения научной этики подтасовку результатов, за что на него ополчились все противники Эйнштейна. Эрвин стал форменным «мальчиком для битья», ругали последними словами его, а целили в автора релятивистской теории. Главным обвинителем Фройндлиха стал профессор астрономии и директор обсерватории Мюнхенского университета, президент Астрономического общества Германии, рыцарь Хуго фон Зелигер, известный противник теории относительности. Авторитет Фройндлиха в глазах его коллег упал так низко, что Арнольд Зоммерфельд советовал Эйнштейну держаться от него подальше [Einstein-Sommerfeld, 1968 стр. 38].
Башня Эйнштейна
Альберт Эйнштейн ценил усилия Фройндлиха помочь ему в обосновании новой теории, поэтому совету Зоммерфельда не последовал. Более того, используя свои возможности директора Института физики Общества кайзера Вильгельма, Эйнштейн помог в условиях послевоенной инфляции и разрухи в Германии организовать специально для своего протеже новую обсерваторию в Потсдаме, которую построили по проекту молодого архитектора Эриха Мендельсона, ставшего после этого сооружения знаменитым. Обсерваторию назвали «Башня Эйнштейна», ее директором стал Эрвин Фройндлих. Задачей новой организации было экспериментальное подтверждение теории Эйнштейна. Для строительства и оборудования Башни использовались как деньги из государственного бюджета, выделенные для института, директором которого был Эйнштейн, так и пожертвования различных частных предприятий, для которых имя великого физика являлось гарантией оправданности вложений.
На посту директора Башни Эйнштейна Фройндлих достиг немногого. Его эксперименты оканчивались неудачами, отношения с непосредственным начальником, директором Астрофизической обсерватории в Потсдаме Гансом Людендорфом не сложились. Ганс был представителем знатной аристократической фамилии, младшим братом генерала Эриха Людендорфа, знаменитого полководца в Первой мировой войне, соратника Гитлера в Пивном путче 1923 года. Эрвин Фройндлих раз за разом демонстрировал свою стойкую неуживчивость, неумение ладить с людьми, стремление во всем идти против течения.
Неудивительно, что при первых же чистках научно-преподавательского состава в немецких научных и учебных заведениях, последовавших после принятия закона «О восстановлении профессионального чиновничества» от седьмого апреля 1933 года, Фройндлих был уволен с поста директора «Башни Эйнштейна». Перед этим он дал согласие на снятие имени Эйнштейна с официального названия Башни. Ганс Людендорф, которому традиции семьи помогли быстро встроиться в новый режим и стать для властей «своим человеком», приказал убрать стоявший при входе в Башню Эйнштейна бронзовый бюст создателя теории относительности и инициатора постройки новой обсерватории и отдать его в переплавку. Однако один из механиков команды Фройндлиха, Эрвин Штробуш, которому не грозило увольнение по расовому признаку, спрятал бюст в одной из кладовок возле своей мастерской, а на освободившийся пьедестал положил одинокий камень. Каждому, кто был знаком с историей Башни Эйнштейна, не нужно было объяснять значение этого жеста (по-немецки «ein Stein» — камень, а фамилия Эйнштейна состоит ровно из тех же букв: Einstein) [Hentschel, 1992 стр. 154].
Согласие убрать имя своего бывшего покровителя из названия института не помогло Фрейндлиху: вместе с другими «не вполне арийскими» и «не вполне благонадежными» государственными служащими он был отправлен на пенсию по закону «О восстановлении профессионального чиновничества». Сыграло свою роль то обстоятельство, что он не только имел со стороны отца бабушку-еврейку, но и женат был на стопроцентной еврейке, да и долгое время поддерживал теорию Эйнштейна, ставшую в глазах новых властей символом неарийской науки, чуждой исконному немецкому духу. Парадокс: пока теорию Эйнштейна в среде физиков, особенно астрономов, не принимали и считали ошибочной, Фройндлих изо всех сил, законными и незаконными методами старался доказать ее справедливость. Но когда в 1919 году выводы ОТО были подтверждены экспедицией Артура Эддингтона в Южное полушарие и научный мир признал теорию верной и опровергающей механику Ньютона, Эрвин снова пошел против течения: он засомневался в справедливости выводов Эйнштейна и с тем же энтузиазмом принялся искать факты, противоречащие этой теории.
Уволенный из Потсдама Фройндлих сначала поработал в турецком Стамбуле, где как раз в 1933 году создатель и первый президент Турецкой республики Мустафа Кемаль Ататюрк проводил реформу университетского образования. В Стамбул были приглашены многие профессора из Германии. Фройндлиху предложили пост профессора астрономии и директора обсерватории университета. Ни кафедры астрономии, ни обсерватории в Турции не было, пришлось Эрвину все создавать «с нуля». Ему многое удалось сделать при большой финансовой поддержке турецких властей, но в 1937 году он принял приглашение стать профессором астрономии в Праге, а еще через два года, перед самым началом Второй мировой войны, с помощью рекомендации Эддингтона перебрался в безопасный шотландский университет святого Андрея (Сент-Эндрюсский университет), где проработал двадцать лет, до 1959 года.
В 1950-е Эдмунду Уиттекеру вряд ли можно было найти более подходящего консультанта, чем Эрвин Фройндлих, ставшего из апологета Эйнштейна его непримиримым противником. Фройндлих попытался построить собственную теорию протон-протонного взаимодействия, которая должна была объяснить его неудачи в измерении эффектов общей теории относительности, но большинство физиков его подход не приняли, а солидные журналы отказывались ее публиковать.
Эйнштейн и Борн
Тем не менее, некоторых легковерных коллег Фройндлих сумел убедить в своей правоте. В письме Эйнштейну от 4 мая 1952 года[2] Макс Борн сообщает:
«Вчера тут был Фройндлих и сделал для нас один очень ясный доклад об отклонении света вблизи Солнца. Всё действительно выглядит так, как будто твоя формула не совсем верна. Для красного смещения всё кажется еще хуже. Что бы это значило?» [Einstein-Born, 1991 стр. 249].
Комментируя свое письмо спустя четырнадцать лет, Борн отмечает, что тогда (в 1952-м) это в самом деле выглядело так, что предсказания теории относительности об отклонении лучей света вблизи Солнца и о красном смещении спектральных линий выполняются не совсем точно. Недавние опыты эти трудности устранили [Einstein-Born, 1991 стр. 250-251].
В отличие от своего друга, поверившего позднему Фройндлиху и засомневавшегося в теории относительности, Эйнштейн не колебался ни минуты. В ответном письме Борну от 12 мая 1952 года он пишет:
«Фройндлих, однако, не беспокоит меня ничуть. Если бы вообще не были известны ни отклонение лучей света, ни движение перигелия, ни смещение спектральных линий, тем не менее, уравнения гравитации были бы убедительны, так как они обходятся без инерциальной системы (призрак, который на всё действует, но на него вещи не оказывают обратного действия). Вообще-то удивительно, что люди глухи к сильнейшим аргументам, в то же время постоянно склонны к тому, чтобы переоценивать точность измерений» [Einstein-Born, 1991 стр. 251-252].
В комментарии к этому письму Борн ещё раз подчеркивает:
«Моё сообщение о сомнении Фройндлиха в астрономическом подтверждении теории относительности Эйнштейн оставил без внимания. Он считал логические основания своей гравитационной теории непоколебимыми. Новейшие наблюдения показали, что он был прав» [Einstein-Born, 1991 стр. 252].
А в то время, в начале 1950-х, Макс Борн не только верил сомнениям Фройндлиха в достоверности теории относительности, но и посчитал его новую теорию протон-протонного взаимодействия большим достижением науки. Немудрено, что Эдмунд Уиттекер тоже загорелся поближе познакомиться с теорией Фройндлиха и поехал в расположенный недалеко от Эдинбурга городок Сент-Эндрюс. В письме сыну от 3 мая 1953 года Эдмунд писал:
«Фройндлих в Сент-Эндрюс сделал открытие, которое Борн считает очень важным: оно еще не опубликовано, но Ф[ройндлих] рассказал мне о нем. Оно состоит в том, что красное смещение спектральных линий, полученных от звезд, не может быть вставлено в эйнштейновский эффект, как это наблюдается в действительности» [Navarro, 2020 стр. 15].
Вернулся Эдмунд из Сент-Эндрюса вдохновленный надеждой на скорый закат славы Эйнштейна. В письме сыну от 10 мая того же года Уиттекер восхищается Фройндлихом:
«Меня поражает, как можно было до семидесяти лет оставаться второразрядным астрономом и теоретиком, а потом сделать открытие с точки зрения теории и практики первостепенной важности» [Navarro, 2020 стр. 15].
Последний аргумент Уиттекера из процитированного октябрьского 1950 года письма сыну, касающийся «совершенно ложных идей о философских аспектах квантовой теории», тоже, скорее всего, появился под влиянием Макса Борна. Между ним и Эйнштейном в конце сороковых, начале пятидесятых годов ХХ века продолжалась дискуссия о полноте и законченности квантовой механики. Макс Борн придерживался ставшей общепринятой копенгагенской интерпретации этой науки, согласно которой статистический, вероятностный характер ее выводов и заключений является неустранимой особенностью этой науки. Эйнштейн же придерживался иного взгляда.
В 1948 году Эйнштейн написал статью «Квантовая механика и действительность» для швейцарского философского журнала «Dialektica» (русский перевод [Эйнштейн, 1966]).
Суть работы четко выражена в предисловии:
«В этой статье я хочу кратко и элементарно изложить, почему я не считаю метод квантовой механики в принципе удовлетворительным. Однако в то же время я хочу заметить, что никоим образом не собираюсь отрицать того, что эта теория представляет выдающийся, в известном смысле даже окончательный, шаг в физическом познании. Мне представляется, что эта теория будет содержаться в более поздней примерно так, как геометрическая оптика в волновой оптике: связи останутся, но основа будет развита и, соответственно, заменена более широкой» [Эйнштейн, 1966 стр. 612].
Текст ясно показывает, что взгляды Эйнштейна, высказанные им во времена пятого и шестого Сольвеевских конгрессов, за прошедшие двадцать лет не изменились, несмотря на впечатляющий прогресс квантовой механики в эти годы.
Эту точку зрения автор статьи подтвердил в письме Мишелю Бессо от 24 июля 1949 года:
«Мое неприятие статистической квантовой теории связано не с количественной ее стороной, а с тем, что к настоящему времени полагают, будто бы такой подход является окончательным в своей основе для фундамента физики» [Эйнштейн-Бессо-2, 1980 стр. 22].
Борн возражал, даже послал в марте 1954 года в Принстон рукопись новой статьи на эту тему, но, как выяснилось, сам не до конца понимал точку зрения своего друга. На это Борну указал его бывший ассистент, а теперь всемирно признанный авторитет в теоретической физике Вольфганг Паули, оказавшийся как раз в то время в Принстоне и прочитавший рукопись бывшего шефа. Письмо от 31 марта 1954 года Паули отправил Борну еще из Принстона, перед отъездом домой, в Цюрих:
«Ваш манускрипт я получил от Эйнштейна для прочтения, профессор совсем на Вас не сердится, только сказал, что Вы тот человек, который не может никого слушать. Это полностью согласуется и с моим впечатлением, когда Вы в письме или в манускрипте говорите об Эйнштейне, то я его снова и снова не могу узнать» [Einstein-Born, 1969 стр. 285].
Эйнштейн и Паули
Вольфганг Паули упрекает Макса Борна в том, что тот выдумал какого-то «своего Эйнштейна», которого потом с большой помпой опровергает. Особенно это касается важного понятия «детерминизм». Борн приписывал Эйнштейну приверженность к детерминизму, с чем сам Эйнштейн категорически не согласен. Особенно энергично возражал принстонский профессор против утверждения, которое ему приписывают: «критерием надежной теории является вопрос, насколько она детерминистична» [Einstein-Born, 1969 стр. 286]. Паули разъясняет Борну, что ключевым термином в философии Эйнштейна является не «детерминистический», а «реальный». Между ними большая разница. Здесь мы не будем развивать эту тему, за подробностями я отсылаю читателя к моей книге [Беркович, 2021].
Уиттекер не мог не использовать противоречия между Борном и Эйнштейном для главной цели второго издания своей книги об истории эфира: развенчать и унизить настоящего автора теории относительности, отобрать у него славу первооткрывателя и передать ее другим, более симпатичным ему людям. А Макс Борн, истинный и преданный друг Эйнштейна, помимо своей воли оказался пособником Уиттекера.
Лоренц и Пуанкаре
Хендрик Антон Лоренц никогда не ставил под сомнение приоритет Эйнштейна в открытии теории относительности, хотя сам он занимался этими проблемами дольше других участников. Не зря Эйнштейн называл Лоренца «самой цельной и гармоничной личностью из всех, кого он знал» [Пайс, 1989 стр. 164]. Но от классических представлений Лоренц до конца не отказался. В 1913 году, спустя восемь лет после эпохальной июньской статьи Эйнштейна 1905 года, Лоренц всё еще тоскует по классической физике:
«По мнению Эйнштейна, бессмысленно говорить о движении относительно эфира. Он также отрицает наличие абсолютной одновременности. Весьма примечательно, что такие представления об относительности и времени столь быстро получили признание. Принятие этих концепций в основном объясняется влиянием теории познания… Несомненно, что приятие или неприятие таких концепций в значительной степени зависит от того, насколько привлекательным представляется то или иное толкование явлений. Автор этих строк находит большое удовлетворение в старой концепции, в соответствии с которой эфир имеет хотя бы минимальную материальность, между пространством и временем можно провести четкую границу, а об одновременности можно говорить без дополнительных уточнений. В подтверждение последнего тезиса можно напомнить о присущей нам способности представлять себе произвольно большие скорости. При этом мы максимально приближаемся к концепции абсолютной одновременности. Наконец, смелое предположение о невозможности наблюдать скорости, большие скорости света, содержит гипотетическое ограничение, накладываемое на нашу способность к восприятию, которое не может быть принято безоговорочно». [Пайс, 1989 стр. 161].
Сомнений, что теорию относительности открыл Эйнштейн, у Лоренца никогда не было. В 1910 году Лоренц читал цикл лекций в Гёттингене. В качестве ассистента его сопровождал молодой приват-доцент Макс Борн, который вел записи лекций и готовил их к публикации в журнале «Physikalische Zeitschrift». Борн вспоминал, что вторая лекция начиналась словами:
«Обсуждать эйнштейновский принцип относительности здесь, в Гёттингене, где преподавал Минковский, мне представляется особенно приятной задачей» [Борн, 1962 стр. 75]
Лоренц не стеснялся открыто признать свои ошибки. В 1915 году он написал в добавлении ко второму изданию лекций по принципу относительности:
«Основная причина, по которой я не смог предложить теории относительности, заключается в том, что я придерживался представления, будто лишь переменная t может считаться истинным временем, а предложенное мной местное время t’ должно рассматриваться только в качестве вспомогательной математической величины» [Пайс, 1989 стр. 161].
Случай Пуанкаре более сложный. Великий француз открыто не заявлял о своем авторстве теории относительности, но и авторство Эйнштейна демонстративно игнорировал. За год до Лоренца Пуанкаре тоже прочитал цикл лекций в Гёттингене. Так называемый «Пуанкаре-фестиваль» состоялся 22–28 апреля 1909 года. Первые пять лекций были посвящены математике, шестая называлась «Новая механика». Она представляла собой популярное изложение теории относительности без каких-либо формул. Автор ссылался на работы Майкельсона, Абрагама и Лоренца. Ни Эйнштейн, ни Минковский не были даже упомянуты, отмечает Макс Борн [Борн, 1962 стр. 75], слушавший эти лекции с огромным вниманием. В январе того же года от нераспознанного вовремя аппендицита скоропостижно скончался профессор Герман Минковский, пригласивший Борна незадолго до своей смерти своим ассистентом. Борн готовил диссертацию о свойствах движущегося электрона с учетом релятивистских эффектов, поэтому лекция Пуанкаре интересовала его чрезвычайно. Вспоминая о ней, Борн пишет:
«Означает ли это, что Пуанкаре были известны все эти рассуждения до Эйнштейна? Возможно, это так, но странно, что эти лекции создают у читателя впечатление, будто Пуанкаре излагает работу Лоренца» [Борн, 1962 стр. 75].
Допущение, что Пуанкаре знал все рассуждения Эйнштейна еще до публикации июньской статьи 1905 года, не понравилось Абрахаму Пайсу, часто обсуждавшему с Эйнштейном историю создания теории относительности. Словечко «возможно» у Борна вызвало такую реплику Пайса: «Мне кажется, что он не очень хорошо справился со своей задачей» [Пайс, 1989 стр. 167].
Если объективно оценивать уровень понимания Пуанкаре теории относительности, надо признать, что он до очень многого дошел сам, многое пророчески предвидел, но законченную физическую теорию так и не создал. Очень точно достижение своего соотечественника оценил Луи де Бройль в речи, посвященной столетию со дня рождения Пуанкаре (в 1954 году):
«Еще немного и Анри Пуанкаре, а не Альберт Эйнштейн первым построил бы теорию относительности во всей ее общности, доставив тем самым французской науке честь этого открытия… Однако Пуанкаре так и не сделал решающего шага и предоставил Эйнштейну честь разглядеть все следствия из принципа относительности и, в частности, путем глубокого анализа измерений длины и времени выяснить подлинную физическую природу связи, устанавливаемой принципом относительности между пространством и временем» (цитируется по книге академика Гинзбурга «О теории относительности [Гинзбург, 2014 стр. 131]).
Автор волновой гипотезы попытался объяснить неудачу Пуанкаре в решении главной задачи – построении теории относительности. Почему то, что удалось Эйнштейну, оказалось не по плечу Пуанкаре? Де Бройль поясняет:
«Почему Пуанкаре не дошел до конца в своих выводах? Несомненна чрезмерно критическая направленность его склада мышления, обусловленная, быть может, тем, что Пуанкаре как ученый был прежде всего чистым математиком. Как уже говорилось ранее, Пуанкаре занимал по отношению к физическим теориям несколько скептическую позицию, считая, что вообще существует бесконечно много логически эквивалентных точек зрения и картин действительности, из которых ученый, руководствуясь исключительно соображениями удобства, выбирает какую-то одну. Вероятно, такой номинализм иной раз мешал ему признать тот факт, что среди логически возможных теорий есть такие, которые ближе к физической реальности, во всяком случае лучше согласуются с интуицией физика, и тем самым больше могут помочь ему. Вот почему молодой Альберт Эйнштейн, которому в то время исполнилось лишь 25 лет[3] и математические знания которого не могли идти в сравнение с глубокими познаниями гениального французского ученого, тем не менее раньше Пуанкаре нашел синтез, сразу снявший все трудности, использовав и обосновав все попытки своих предшественников. Этот решающий удар был нанесен мощным интеллектом, руководимым глубокой интуицией о природе физической реальности» [Гинзбург, 2014 стр. 131].
Пуанкаре только один раз публично высказался о работах Эйнштейна, когда в 1911 году руководство Политехникума в Цюрихе собиралось пригласить автора теории относительности на должность ординарного профессора и попросило французского ученого дать кандидату характеристику как научному работнику. Пуанкаре ответил:
«Господин Эйнштейн — один из самых оригинальных мыслителей, которых я знал; несмотря на молодость, он уже занимает очень почетное место среди ведущих ученых нашего времени. Особое восхищение вызывает та легкость, с которой он воспринимает новые концепции и делает из них все возможные выводы. Он не придерживается классических представлений и, столкнувшись с любой физической проблемой, быстро схватывает ее суть. Это позволяет ему предсказывать новые явления, которые позднее, возможно, удастся проверить экспериментально. Не думаю, что все его гипотезы выдержат проверку опытом, когда такая проверка станет возможной. Так как он одновременно работает по разным направлениям, скорее всего, большинство путей, по которым он идет, заведет в тупик; но следует надеяться, что хотя бы одно из намеченных им направлений окажется верным, и этого будет достаточно» [Пайс, 1989 стр. 165-166].
Отзыв в целом положительный, и Политехникум принял в конце концов своего выпускника в качестве ординарного профессора, но, по существу, это, как говорится, комплимент, разбавленный водой. На глазах Пуанкаре Альберт Эйнштейн в 1905 году опубликовал три работы в разных разделах физики, и все они открыли новые направления в науке и все они оказались в итоге верными. Но французский математик лишь надеется, что хотя бы одно из намеченных направлений окажется верным. Создается впечатление, что он не до конца понял сделанное Эйнштейном. Это почувствовал и сам автор теории относительности, когда единственный раз встретился с Пуанкаре и имел возможность поговорить на научные темы. Это случилось в октябре 1911 года, когда оба они были приглашены на первый Сольвеевский конгресс в Брюсселе. Отчитываясь своему швейцарскому другу Генриху Цанггеру о впечатлении, которое произвел на него конгресс, Эйнштейн в частности, сообщает в письме от 15 ноября 1911 года:
«В Брюсселе всё было в высшей степени интересно. Кроме французов Кюри, Ланжевена, Перрена, Бриллюэна, Пуанкаре и немцев Нернста, Рубенса, Варбурга, Зоммерфельда, там были Резерфорд и Джинс. Конечно, Х.А. Лоренц и Камерлинг-Оннес. Лоренц – чудо интеллигентности и тонкого такта. Настоящее произведение искусства! Он был, по моему мнению, самым интеллигентным среди присутствующих теоретиков. Пуанкаре просто всё отрицал и показал при всём своём остром уме слабое понимание ситуации [вокруг теории относительности]» [Schulmann, 2012 стр. 61].
Участники Первого сольвеевского конгресса
Окончательное суждение о роли Анри Пуанкаре в создании теории относительности Альберт Эйнштейн сформулировал за два месяца до своей кончины, в письме Карлу Зелигу от 19 февраля 1955 года:
«Еще Лоренц понял, что преобразования, названные его именем, необходимы для анализа уравнений Максвелла, а Пуанкаре углубил это понимание…» [Пайс, 1989 стр. 167].
Эйнштейн и Майкельсон
Личная встреча Эйнштейна и Майкельсона состоялась в Калифорнии, незадолго до смерти первого американского нобелевского лауреата по физике. На обеде, данном 15 января 1931 г. в честь Эйнштейна в Калифорнийском технологическом институте, автор теории относительности в первый и последний раз публично обратился к Майкельсону:
«Я пришел к тем, кто в течение многих лет были моими верными друзьями и сопутствовали мне в моей работе. Вы, уважаемый д-р Майкельсон, начали эту работу, когда я был совсем маленьким мальчиком меньше трех футов ростом. Именно Вы указали физикам новые пути и своей замечательной экспериментальной работой проложили путь развитию теории относительности. Вы нанесли непоправимый урон существовавшей тогда теории эфира и способствовали появлению идей Лоренца и Фицджеральда, из которых впоследствии развилась специальная [а затем и общая] теория относительности [и теория гравитации]» [Пайс, 1989 стр. 112].
Майкельсон и Эйнштейн
Обычно теория относительности излагается студентам и школьникам по такой схеме: сначала описывается опыт Майкельсона—Морли, доказывающий отсутствие «эфирного ветра», или независимость скорости света от скорости источника, затем приводятся постулаты Эйнштейна, в которых этот факт принимается за аксиому и далее выводятся все следствия из постулатов, как это было сделано в основополагающей статье Эйнштейна 1905 года. То есть опыт Майкельсона—Морли как бы лежит в основе теории относительности и является тем фундаментальным экспериментом, который привел Эйнштейна к теории относительности. В первом серьезном учебнике по теории относительности, написанном Максом фон Лауэ в 1911 году, об эксперименте Майкельсона прямо говорится:
«…Как оказалось, он стал фундаментальным экспериментом для теории относительности…» [Холтон, 1971 стр. 300].
Широко известные высказывания самого Эйнштейна, казалось бы, подтверждают эту мысль. Например, в рассчитанной на широкого читателя книге «О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение)», вышедшей в свет в 1917 году, опыт Майкельсона тоже положен в основу теории относительности. Приведем фрагмент этой книги:
«Приходилось предполагать, что такой эфирный ветер должен существовать и относительно Земли, и физики стремились обнаружить этот ветер. Майкельсон нашел для этого путь, который, казалось, должен был привести к цели… К большому смущению физиков эксперимент дал отрицательный результат. Лоренц и Фицджеральд вывели теорию из этого затруднительного положения, предположив, что движение тела относительно эфира вызывает сокращение тела в направлении движения, и следствием этого сокращения является исчезновение указанной разности промежутков времени… Но истолкование, предлагаемое теорией относительности, несравненно более удовлетворительно» [Эйнштейн, 1965a стр. 557].
Роберт Шэнкленд
Контрастом к таким утверждениям выступают ответы Эйнштейна на прямо поставленные вопросы о том, знал ли он результаты опыта Майкельсона, когда писал свою основополагающую июньскую статью 1905 года и, если знал, то какую роль этот опыт сыграл в истории открытия теории относительности. Такие вопросы задавал великому ученому американский физик Р. Шэкленд, пять раз встречавшийся с Эйнштейном в Принстоне в 1950–1954 годы. Для нас представляет интерес такой фрагмент их беседы, состоявшейся 24 октября 1952 года, в описании Шэкленда:
«Я спросил у Эйнштейна, где он впервые услышал о Майкельсоне и о его опыте. Он ответил: „Я не могу сейчас с уверенностью сказать, при каких обстоятельствах я впервые узнал об опыте Майкельсона. Я не уверен в том, что он непосредственно повлиял на меня в течение семи лет, когда относительность была моей жизнью. Насколько я помню, я воспринял результат Майкельсона как нечто само собой разумеющееся“. Однако Эйнштейн сказал, что в течение 1905—1909 гг. он много думал о результате Майкельсона во время дискуссий, которые происходили у него с Лоренцем и другими при размышлениях над общей теорией относительности. Ему теперь кажется (так он сказал мне), что он был уверен в результатах Майкельсона до 1905 г. частично из статей Лоренца, а в еще большей степени потому, что он отнесся к этому результату как к очевидному» [Шэкленд, 1965 стр. 719].
Как следует из признания Эйнштейна, повторенного не раз в других местах, для него история открытия теории относительности не связана была напрямую с попыткой объяснить результат опыта Майкельсона. Для Эйнштейна Майкельсон – «великий гений, который навсегда останется таким в этой области науки» [Шэкленд, 1965 стр. 713]. Но непосредственного влияния на ход его мыслей его опыт не оказал. Простая логичная схема – эксперимент с неожиданным результатом – попытка объяснить его – новая теория – в случае открытия теории относительности не работает. Эйнштейн подчеркнул, что мыслительные процессы у каждого ученого протекают по-своему:
«Он сказал, что они отнюдь не являются последовательным, происходящим шаг за шагом продвижением к решению, и подчеркнул, что наше мышление приходит к решению задачи весьма извилистой дорогой. „Только в последний момент в задаче устанавливается порядок“» [Шэкленд, 1965 стр. 713].
Те же мысли содержатся в ответе историку науки Давенпорту из Монмаутского колледжа, штат Иллинойс, отправленном в феврале 1954 года, когда Эйнштейну оставалось жить чуть больше года:
«Когда я развивал свою теорию, результат Майкельсона не оказал на меня заметного влияния. Я даже не могу припомнить, знал ли я о нем вообще, когда я писал свою первую работу по специальной теории относительности (1905 г.). Объяснить это можно просто тем, что из общих соображений я был твердо убежден в том, что никакого абсолютного движения не существует и моя задача состояла только в том, чтобы сочетать это обстоятельство с тем, что известно из электродинамики. Отсюда можно понять, почему в моих исследованиях опыт Майкельсона не играл никакой роли или, по крайней мере, не играл решающей роли» [Холтон, 1971 стр. 298].
Это можно понять так, что для Эйнштейна не были особенно важны «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“», упомянутые в предисловии к его знаменитой июньской статье 1905 года, сколько существенны искусственно придуманные построения, лишенные внутренней убедительности, вроде динамического сокращения длины движущихся тел (сокращения Фицджеральда-Лоренца). Нелогичной является асимметрия физических законов, тоже отмеченная в предисловии к июньской статье:
«электродинамика Максвелла в современном ее виде приводит в применении к движущимся телам к асимметрии, которая несвойственна, по-видимому, самим явлениям» [Эйнштейн, 1965 стр. 7].
В качестве примера он рассматривает движущиеся друг относительно друга магнит и проводник. Появление тока в проводнике физика XIX века объясняла по-разному, в зависимости от того, какое тело считать неподвижным. Такое положение он считал неприемлемым.
Общие принципы и решающие эксперименты
Как же объяснить это явное противоречие между публичным признанием роли эксперимента Майкельсона-Морли для теории относительности, содержащееся в учебниках и научно-популярных статьях и книгах о теории относительности, и категорический отказ автора теории признать важность этого эксперимента для него самого, когда он был занят ее созданием?
Альберт Эйнштейн
Понятно, что методически удобно излагать развитие науки по такой схеме: эксперимент с непонятными результатами потребовал для своего объяснения новой теории, и гениальный теоретик такую теорию построил. В таком духе хорошо писать учебники по истории науки. В жизни открытия совершаются часто иначе. И Эйнштейн в разговорах о «решающем» эксперименте Майкельсона старался это подчеркнуть. Для него на первом месте стояло не желание объяснить и обосновать результаты эксперимента, а потребность в простой, логичной, стройной и самодостаточной теории, не осложненной искусственными построениями, вызванными не сутью явления, а необходимостью подогнать теорию к опыту.
В июньской статье 1905 года Эйнштейн в самом начале подчеркивает, что в старой электродинамике два симметричных процесса получают различное объяснение. Он рассматривает систему, состоящую из магнита и проводника. Вот как объясняет сложившуюся асимметрию Абрахам Пайс:
«При движении магнита относительно покоящегося проводника возникает электрическое поле, вызывающее появление тока в проводнике. При движении же проводника относительно неподвижного магнита появляется электродвижущая сила, также вызывающая появление тока. Образно говоря, Эйнштейну не нравились нелогичный отрыв электричества от магнетизма и упомянутая выше асимметрия двух систем» [Пайс, 1989 стр. 135].
Эта асимметрия, пишет Альберт Эйнштейн в июньской статье 1905 года, «несвойственна, по-видимому, самим явлениям» [Эйнштейн, 1965 стр. 7]. Вот для него главная причина создавать новую теорию! Эстетика и простота – основные критерии ее справедливости.
Для Эйнштейна направляющая физическая идея важнее, чем результаты конкретного эксперимента. В письме Герману Вейлю от 26 мая 1923 года он сформулировал это так:
«Я думаю, для того, чтобы действительно двигаться вперед, нужно найти общий, подслушанный у природы принцип» [Fölsing, 1995 стр. 635].
О том же писал Эйнштейн патриарху гёттингенской математики Феликсу Клейну в 1917 году:
«Формальные аспекты очень ценны, когда они служат для окончательной формулировки уже найденной истины, но они почти постоянно подводят, когда их используют в качестве эвристических средств» [Fölsing, 1995 стр. 637].
Мощная физическая интуиция Эйнштейна позволяла ему уловить этот «общий, подслушанный у природы принцип» при создании и специальной, и общей теорий относительности. Но когда он взялся за построение единой теории поля, объединяющей гравитацию и электромагнетизм, природа молчала: фактов, относящихся одновременно к полям первого и второго рода, не оказалось. Пришлось тогда изменить взгляд на «формальные аспекты», то есть на математику. В нобелевской лекции Эйнштейна, прочитанной 11 июля 1923 года в Гетеборге, он провозгласил:
«Теория тяготения (т.е. риманова геометрия – с точки зрения математического формализма) должна быть обобщена так, чтобы она охватывала также и законы электромагнитного поля. К сожалению, при этой попытке мы не можем опереться на опытные факты, как при построении теории тяготения (равенство инертной и тяжелой массы), а вынуждены ограничиться критерием математической простоты, который не свободен от произвола» [Эйнштейн, 1966g стр. 127-128].
Далее он конкретизирует свой подход, описывая путь, по которому он надеется прийти к единой теории поля. Путь этот чисто математический, не освещен ни одной физической идеей:
«Важнейшее понятие римановой геометрии, на котором основаны и уравнения тяготения, – „кривизна пространства“ – в свою очередь основывается исключительно на „аффинной связи“. Если задать такую аффинную связь в некотором континууме, не основываясь с самого начала на метрике, то получается обобщение римановой геометрии, в котором все же сохраняются важнейшие выведенные ранее величины. Находя наиболее простые дифференциальные уравнения, которым можно подчинить аффинную связь, мы вправе надеяться, что натолкнемся на такое обобщение уравнений тяготения, которое будет содержать в себе также и законы электромагнитного поля» [Эйнштейн, 1966g стр. 128].
Альберт Эйнштейн
В этой формулировке четко просматривается основное отличие зрелого Эйнштейна, ищущего разгадку тайны «холодной, как мрамор, улыбки безжалостной природы» в мире абстрактных математических конструкций, от юного гения, физическая интуиция которого позволяла почти без математики открывать фундаментальные законы Вселенной там, где никто не видел ничего нового.
Такому способу поиска научной истины ученый остался приверженным до конца жизни, хотя выдающихся результатов, сравнимых с достижениями «раннего Эйнштейна», этот способ не принес.
Предельно четко выразил Альберт Эйнштейн свое новое кредо в так называемой Спенсеровской лекции, прочитанной в Оксфорде 10 июня 1933 года. Если сравнить положения этой лекции с тем, что писал молодой Эйнштейн Феликсу Клейну в 1917 году, то можно подумать, это мысли двух разных людей. В оксфордской лекции он говорил прямо противоположное тому, что писал ранее:
«Весь предшествующий опыт убеждает нас в том, что природа представляет собой реализацию простейших математически мыслимых элементов. Я убежден, что посредством чисто математических конструкций мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними, которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы» [Эйнштейн, 1967 стр. 184].
Т.е. понимание явлений природы следует искать именно в тех самых «формальных аспектах», которым он не доверял в 1917 году. А опыт, который по мнению молодого Эйнштейна помогал найти «подслушанный у природы общий принцип», в глазах зрелого ученого играл лишь вспомогательную роль, проверяя работоспособность математического аппарата:
«Опыт может подсказать нам соответствующие математические понятия, но они ни в коем случае не могут быть выведены из него. Конечно, опыт остается единственным критерием пригодности математических конструкций физики. Но настоящее творческое начало присуще именно математике» [Эйнштейн, 1967 стр. 184].
Если раньше создатель теории относительности был прежде всего физиком, использовавшим математику для оформления своих идей, то теперь, по его мнению, царицей наук вновь стала математика, а физика с ее экспериментами уступила ей свое ведущее положение. Не зря в письме Эйнштейну от 19 декабря 1929 года Вольфганг Паули метко и едко подметил:
«Остается только Вас поздравить (или, лучше сказать, выразить соболезнование) с тем, что Вы перешли к чистым математикам» [Pauli-Briefe-I, 1979 стр. 527].
Общие принципы – физические или математические — вот что всегда волновало Эйнштейна, вот что было предметом его неустанных научных поисков в течение всей жизни. И никакой «решающий» эксперимент не мог их заменить.
Post Scriptum
В апреле 1921 года Альберт Эйнштейн вместе с Хаимом Вейцманом, председателем Всемирной сионистской организации, и группой ведущих сионистов прибыл на два месяца в США, чтобы собрать деньги для строительства Еврейского университета в Иерусалиме. Заодно Эйнштейн прочитал в мае четыре лекции по теории относительности в Принстонском университете. Читал он по-немецки, так как по его же словам, в то время не знал ни слова по-английски. Во время путешествия он научился кое-чему на слух. Он сказал:
«У меня слуховая память, я учу на слух и излагаю устно. Когда я читаю, я прислушиваюсь к словам. Писать мне трудно, и я не люблю это средство общения. Он прибавил, что никогда не уверен в написании каждого английского слова» [Шэкленд, 1965 стр. 715].
Во время одной из лекций кто-то из присутствующих журналистов задал докладчику вопрос, который любого другого выбил бы из равновесия. Журналист сообщил, что совсем недавно, в апреле того же года, физик Дейтон Миллер из того же Кейсовского колледжа в Кливленде, что и Майкельсон, провел серию аналогичных опытов с интерферометром на горе Маунт-Вилсон и обнаружил эфирный ветер со скоростью 10 километров в секунду. Тем самым он опроверг теорию Эйнштейна, в которой эфиру не было место. Что бы вы сказали, если бы на вашем докладе о вашем открытии кто-то объявил, что оно опровергнуто? Эйнштейн же не смутился ни на секунду. Он ответил фразой, вошедшей в историю: «Господь изощрен, но не злонамерен» [Пайс, 1989 стр. 110].
С 1930 года фраза Эйнштейна об изощренности Творца на немецком выбита в камне над камином в общем зале «Файн холла» (ныне это «Джонс холл»), где в то время располагалось математическое отделение Принстонского университета. Попав в 1933 году в Принстон как сотрудник Института перспективных исследований, Эйнштейн первое время занимал кабинет в этом здании, пока шли отделочные работы в основном здании института.
Камин в актовом зале Файн холла
Вспоминая этот эпизод, Эйнштейн писал другу Бессо 25 декабря 1935 года:
«Думаю, что опыты Миллера основаны на ошибках из-за температуры. Никогда не принимал их всерьез» [Einstein-Besso, 1978 стр. 15]
Интуиция Эйнштейна редко его обманывала. И никакой эксперимент не мог поколебать в его глазах раз и навсегда найденную им в мучительных поисках гармонию природы.
Литература
Беркович, Е.М. 2018. Альберт Эйнштейн в фокусе истории ХХ века. М. : ЛЕНАНД, 2018.
Беркович, Евгенй. 2021. Альберт Эйнштейн и «революция вундеркиндов». Становление квантовой механики. М. : URSS, 2021.
Борн, Макс. 1962. Физика и теория относительности, с. 72-88. [авт. книги] А.Т. Григорьян (ответственный редактор). Эйнштейн и развитие физико-математической мысли. Сборник статей. М. : Издательство Академии наук СССР, 1962.
Гинзбург, В.Л. 2014. О теории относительности. Издание второе. М. : Ленанд, 2014.
Пайс, Абрахам. 1989. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М. : Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989.
Холтон, Джеральд. 1971. Эйнштейн и «решающий эксперимент». Успехи физических наук. 1971 г., Т. 104, вып. 2, с. 297-316.
Шэкленд, Р. 1965. Беседы с Альбертом Эйнштейном. Успехи физических наук. 1965 г., Т. 87, вып. 4, с. 711-722.
Эйнштейн-Бессо-2. 1980. Переписка А. Эйнштейна и М. Бессо. 1903-1955. [авт. книги] У.И. Франкфурт (сост.). Эйнштейновский сборник 1977, с. 5-72. М. : Наука, 1980.
Эйнштейн, Альберт. 1965. К электродинамике движущихся тел. Собрание научных трудов в четырех томах. Том I, с. 7-36. М. : Наука, 1965.
Эйнштейн, Альберт. 1965a. О специальной и общей теории относительности. Собрание научных трудов в четырех томах. Том первый. М. : Наука, 1965a.
Эйнштейн, Альберт. 1966. Квантовая механика и действительность. Собрание научных трудов в четырех томах. Том III, с. 612-616. М. : Наука, 1966.
Эйнштейн, Альберт. 1966g. Основные идеи и проблемы теории относительности. Собрание научных трудов в четырех томах. Том II, с. 120-129. М. : Наука, 1966g.
Эйнштейн, Альберт. 1967. Автобиографические наброски. Собрание научных трудов в четырех томах. Том IV, с. 350-357. М. : Наука, 1967.
Эйнштейн, Альберт. 1967. О методе теоретической физики. Собрание научных трудов в четырех томах. Том IV, с. 181-186. М. : Наука, 1967.
Einstein-Besso. 1978. Переписка А. Эйнштейна и М. Бессо 1903-1955. [авт. книги] У.И. Франкфукрт (сост.). Эйнштейновский сборник 1975-1976. М. : Наука, 1978.
Einstein-Born. 1969. Albert Einstein – Hedwig und Max Born. Briefwechsel 1916-1955. München : Nymphenburger Verlagshandlung, 1969.
Einstein-Born. 1991. Albert Einstein, Max Born. Briefwechsel 1916-1955. Kommentiert von Max Born. München : Nymphenburger Verlaghandlung GmbH, 1991.
Einstein-Sommerfeld. 1968. Albert Einstein / Arnold Sommerfeld. Briefwechsel. Herausgeben und kommentiert von Armin Hermann. Basel/Stuttgart : Schwabe & Co Verlag, 1968.
Fölsing, Albrecht. 1995. Albert Einstein. Eine Biographie. Ulm : Suhrkamp, 1995.
Hentschel, Klaus. 1992. Der Einstein-Turm. Heidelberg, Berlin, New York : Spektrum Akademischer Verlag, 1992.
Kelvin, Wiliam Thomson, Baron. 1904. Baltimore lectures on molecular dynamics and wave theory of light. Appendix B. London : C.J. Clay and sons, 1904.
Navarro, Jaume. 2020. Whittaker, Einstein, and the History of the Aether: Alternative interpretation, blunder, or bigotry? History of Science, November 3. 2020 г.
Pauli-Briefe-I. 1979. Pauli, Wolfgang. Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr, Einstein, Heisenberg u.a. Band I: 1919-1929. Hrsg. v. Hermann Armin u.a. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo : Springer Verlag, 1979.
Schulmann, Robert (Hrsg.). 2012. Seelenverwandte. Der Briefwechsel zwischen Albert Einstein und Heinrich Zangger (1910—1947). Zürich : Verlag Neue Zürcher Zeitung, 2012.
Примечания
* Первая редакция этой статьи опубликована в мартовском номере журнала «Наука и жизнь» за этот год.
[1] «Вестник математических наук» (фр.) — журнал, основанный в 1870 году Гастоном Дарбу, публикующий статьи различных ветвей чистой математики.
[2] В книге [Einstein-Born, 1991 стр. 248] это письмо неверно датируется 1942 годом, верный 1952 год следует из ответа Эйнштейна на письмо Борна.
[3] 14 марта 1905 года Эйнштейну исполнилось 26 лет.
Оригинал: https://7i.7iskusstv.com/y2022/nomer3/berkovich/
