§18. Дискуссии о теории относительности в мире

 

После появления теории относительности многие ее положения стали предметом для активных дискуссий. Рассмотрим основные пункты в этих спорах.

Парадокс близнецов. После того, как теория относительности выдвинула идею, что кажущееся изменение пространственно-временных масштабов в преобразованиях Лоренца на самом деле будто бы происходит в действительности, очень скоро против этого было выдвинуто опровержение, известное под названием «парадокс близнецов», о котором подробно рассказано в §9. В ответ сторонники теории относительности выдвинули уже известный нам контраргумент, сводящийся к тому, что одна из систем отсчета – инерциальная, а другая – неинерциальная, поэтому они не могут быть равноправны. Но, как мы видели, и такое объяснение не является удовлетворительным и порождает новые вопросы. Эйнштейн в своих письмах уже в 1911 году обрушивался с площадной бранью на тех, кто задавал разумные вопросы в связи с «парадоксом близнецов». Тем не менее дискуссии на эту тему все еще продолжаются.

Гипотеза Ритца. Швейцарский физик Вальтер Ритц (1878-1909) оспорил второй постулат Эйнштейна, выдвинув т.н. “баллистическую гипотезу”. Смысл ее сводился к тому, что скорость светового луча образуется путем сложения скорости света относительно источника, которая является константой, со скоростью источника. С математической точки зрения теория Ритца состояла в том, что в уравнения Максвелла было добавлено т.н. “приведенное время”, то есть учитывалась конечность скорости распространения электромагнитного взаимодействия.

В 1913 году Де-Ситтер выдвинул идею эксперимента для проверки теории Ритца. Смысл эксперимента заключался в следующем. Допустим, есть двойная звезда, компоненты которой вращаются вокруг общего центра масс. Эффект Доплера позволяет определить скорость вращения каждого из компонентов. Если скорость света зависит от скорости источника, то есть если второй постулат Эйнштейна неверен, то в этом случае видимое движение звезды будет заметно отличаться от законов Кеплера. В частности, фотоны, испущенные звездой в тот момент, когда она приближается к нам, обгонят фотоны, испущенные в момент удаления звезды от нас.       Проанализировав наблюдения двойных звезд, Де-Ситтер сделал вывод, что эффекта, предсказываемого теорией Ритца, не наблюдается, и, следовательно, скорость света не зависит от скорости источника, то есть теория относительности подтверждена.

Однако, как можно видеть, для того, чтобы такой эффект наблюдался, необходимо, чтобы, во-первых, скорость движения компонент двойной звезды вокруг общего центра масс была как можно более высокой, во-вторых, чтобы расстояние такой системы до Земли было как можно дальше. Точности астрономической техники начала ХХ века было явно недостаточно, чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу Ритца (и с ее помощью подтвердить или опровергнуть второй постулат Эйнштейна).

Однако во второй половине ХХ века были обнаружены такие астрономические объекты, как квазары и пульсары. Они находятся на огромных расстояниях от нас, но благодаря их высокой светимости их можно наблюдать. И их наблюдения (а также наблюдения удаленных двойных звезд с помощью более современных астрономических приборов) дают основания полагать, что теория Ритца правильна.

“Материализм и эмпириокритицизм”. В 1908 году вышла работа В.И.Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», одна из глав которой была как раз посвящена положению в физике в начале ХХ века.

Интересно отметить, что в этой работе, наприсенной через три года после появления теории относительности, ни Эйнштейн, ни его теория ни разу не упоминаются. Это опровергает часто встречающиеся в литературе утверждения, что будто бы теория относительности в первые один-два года после своего создания уже завоевала широкую популярность.

Говоря о перевороте в физике, Ленин имеет в виду, во-первых, электромагнитную картину мира Максвелла и ее продолжение Томсоном, Герцем и Лоренцем с одной стороны, и открытия в области строения материи (открытие электрона, радиоактивности, новых изотопов - с другой (как можно видеть из этой работы, оба эти открытия связывались с открытием электрона). С точки зрения физики интересно отметить два направления в этой работе Ленина: с одной стороны, его комментарий к новым открытиям в физике, а с другой стороны – философские основы, послужившие причиной появления теории относительности.

Положение в науке по состоянию на 1908 год Ленин констатирует так:

"Открыли, например, что свет и электричество суть лишь проявления одной и той же силы природы. С каждым днем становится вероятнее, что и химическое сродство сводится к электрическим процессам. Неразрушимые и неразложимые элементы химии, число которых продолжает возрастать точно в насмешку над единством мира, оказываются разрушимыми и разложимыми. Элемент радий удалось превратить в элемент гелий".

Комментируя эти открытия, Ленин выдвинул ряд философских положений, которые

1) «материализм приобретает новый вид с каждым новым открытием»

2) «исчезает не материя, а предел наших знаний о ней». Это был ответ на заявления ряда физиков, которые, узнав про эквивалентность массы и энергии, стали говорить про «исчезновение материи» (тогда количественной характеристикой материи считалась масса, а тут она вдруг «исчезает», превращаясь в излучение)

3) «электрон так же неисчерпаем, как и атом». Эти слова часто комментируют как гипотезу о том, что будто бы и электрон состоит из каких-то составных частей, те составные части – еще из каких-то составных частей, и так до бесконечности. На самом же деле имелось в виду, что каждое дальнейшее продвижение вглубь строения материи дает нам принципиально новые знания о бесконечном многообразии материи.

Интересны и отдельные замечания Ленина по поводу физических проблем:

"Если бы новые гипотезы Лоренца, Лармора и Ланжевена подтвердились опытом и приобрели достаточно прочную базу для систематизации физики, то было бы несомненно, что законы современной механики зависят от законов электромагнетизма, законы механики были бы особым случаем и были бы ограничены строго определенными пределами. Постоянство массы, наш принцип инерции сохранили бы силу только для средних скоростей тел"

"Сама масса оказывается даже в конце концов, как предполагают, видом движения... Разрушимость атома, неисчерпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи... Электрон относится к атому как точка в этой книге к объему здания, он двигается с быстротой до 270000 километров в секунду, его масса меняется с быстротой, он делает 500 триллионов оборотов в секунду, - все это много мудренее старой механики, но все это есть движение материи в пространстве и во времени"

Эти слова являются свидетельством того, что принцип взаимосвязи массы и энергии был известен ученым еще тогда, когда ни о какой теории относительности еще никто не знал, и, соответственно, приписывать эти законы (на которых, в частности, строится ядерная физика) нелепо.

Интересно также и то, что в 1908 году Ленин фактически предсказал ядерную модель атома, открытую Резерфордом только через три года после этого:

"Атом удается объяснить в как подобие бесконечно малой солнечной системы, внутри которой вокруг положительного электрона двигаются с определенной (и необъятно громадной, как мы видели) быстротой отрицательные электроны".

Это уже дает основания считать Ленина одним из соавторов теории ядерной модели атома и одним из выдающихся физиков.

Общий вывод, сделанный Лениным, был таков: "Современная физика лежит в родах. Она рожает диалектический материализм. Роды болезненные. Кроме живого и жизнеспособного существа, они дают неизбежно некоторые мертвые продукты, кое-какие отбросы, подлежащие отправке в помещение для нечистот".

Другая сторона анализа физики в «Материализме и эмпириокритицизме» - это критика философских основ, в которых формировались релятивистские взгляды на мир. В это время в моде были течения типа позитивизма (его еще называли «махизм» и «эмпириокритицизм»), основными разработчиками которой были философы Мах и Авенариус и физик Пуанкаре.  Обличая эти идеалистические течения философии, Ленин показал, что эти течения, если их довести до логического завершения, неизбежно ведут к солипсизму (берклианству) – то есть крайней форме субъективного идеализма, когда человек считает, что ничего, кроме него, не существует, а все, что он видит, слышит и чувствует – это лишь порождение его сознания. Нетрудно видеть, что один из основных пунктов философии теории относительности - когда кажущиеся изменения длины и времени выдают за действительные – это и есть прямое следствие из этих модных тогда реакционных философских течений. Сам Эйнштейн признавал, что он находился под значительным влиянием философии махизма. Так, в 1916 году в некрологе, посвященном Маху, Эйнштейн писал: "Я могу с несомненностью сказать, что изучение Маха и Юма имело большое прямое и непрямое влияние на мою работу".

Ленин последовательно разоблачает эти идеалистические философские представления. Так, в частности, он говорит:

"Мах именно на этом пункте свихнулся, не поняв или не зная соотношения между релятивизмом[1] и диалектикой"

"Исходя из ощущений, можно идти по линии субъективизма, приводящей к солипсизму ("тела суть комплексы или комбинация ощущений"), и можно идти по линии объективизма, приводящей к материализму (ощущения суть образы тел, внешнего мира)"

"Для материалиста наши ощущения суть образы единственной и последней объективной реальности - последней не в том смысле, что она уже познана до конца, а в том, что кроме нее нет и не может быть другой"

"Мы - релятивисты, возглашают Мах, Авенариус, Петцольдт. Мы - релятивисты, вторят им г.Чернов и несколько русских махистов, желающих быть марксистами. Да, г.Чернов и товарищи-махисты, в этом и состоит ваша ошибка. Ибо положить релятивизм в основу теории познания, значит неизбежно осудить себя либо на абсолютный скептицизм, агностицизм и софистику, либо на субъективизм. Релятивизм, как основа теории познания, есть не только признание относительности наших знаний, но и отрицание какой бы то ни было объективной, независимо от человечества существующей мерки или модели"

"Другая причина, породившая физический идеализм - это принцип релятивизма, относительности нашего знания... Новая физика свихнулась на релятивизме"

"Меньшинство новых физиков, под влиянием ломки старых теорий великими открытиями последних лет, под влиянием кризиса новой физики, особенно наглядно показавшего относительность наших знаний, скатилась, в силу незнания диалектики, через релятивизм к идеализму".

Ленин пишет, что физик, неграмотный в вопросах политики и идеологии, неизбежно придет в тупик:

"Что автор такого рассуждения может быть крупным физиком, это допустимо. Но совершенно бесспорно, что брать его всерьез как философа могут только Ворошиловы-Юшкевичи... Ни единому из этих профессоров, способных давать самые ценные работы в специальных областях химии, истории, физики, нельзя верить ни в едином слове, раз речь заходит о философии".

Примерами таких физиков в современном мире являются А.Сахаров и В.Гинзбург. Будучи, несомненно, выдающимися физиками, они очень слабы в марксистско-ленинской философии, и поэтому скатились на позиции антикоммунизма, что в конечном итоге не могло пагубно сказаться и на их научной деятельности.

Итоговый вывод, сделанный Лениным, был таков: выход из кризиса физики, в который она впадает в условиях буржуазного общества, лишь один - переход от метафизическо-механистического материализма к диалектическому, то есть переход к мировоззрению марксизма-ленинизма, переход на сторону коммунизма. То есть ученый должен не ограничиваться только объяснением мира, а должен ставить вопрос о его преобразовании.                     

Ланжевен. Одним из активных пропагандистов теории относительности был французский физик Поль Ланжевен (1872-1946). В качестве решающего доказательства теории относительности он выдвигал такой факт. Ланжевен обратил внимание на то, что массы всех атомных ядер хотя и очень близки к целым числам (атомным единицам массы, равным 1/16 массы атома кислорода-16 или 1/12 массы атома углерода-12), тем не менее они не равны в точности целым числам, а чуть меньше их. Ланжевен пришел к правильному выводу, что этот “дефект массы” атомных ядер вызван силой ядерного взаимодействия, удерживающей нуклоны внутри ядра, что является подтверждением взаимосвязи массы и энергии. Однако он сделал ошибочный вывод, что это является подтверждением теории относительности, и это ему приписывали.

В то же время его взгляды на теорию относительности были значительно более взвешенными. Приведем ряд его выводов (цитируется по сборнику избранных произведений Ланжевена, М., 1949)

"Движущаяся платформа представляется наблюдателям, которые ее видят проходящей со скоростью v, сокращенной по направлению движения таким образом, что она кажется изменяющей свою форму" (стр. 142).

О "парадоксе близнецов": "это сокращение обоюдное, так как, с точки зрения принципа относительности, наблюдатели О ничем не отличаются от наблюдателей О' " (стр. 149)

О том, является ли скорость света предельной: "из всех известных в настоящее время способов действия ни один не противоречит этому условию. Опыт показывает, что ни один сигнал не перемещается по отношению к какой-либо системе со скоростью, превышающей скорость света. Замечательно, что b-частицы, испускаемые радиоактивными телами, имеют измеренные опытным путем скорости, которые, хотя и сильно приближаются к скорости света, достигая иногда 99 процентов этой скорости, остается все-таки ниже ее" (стр. 153) - т.е. в принципе допускается возможность обнаружения в будущем сверхсветовых скоростей

"пришлось отбросить абсолютную концепцию одновременности и принять тот результат, с первого взгляда парадоксальный, что два наблюдателя, находящиеся в движении, могут наблюдать два события, следующие друг за другом, в одном порядке или в порядке прямо противоположном, с другой стороны, последовательность двух событий, находящихся в причинной связи, не может быть обращена" (стр. 325) – то есть Ланжевен не видит ничего из ряда вон выходящего в том, что в случае допущения сверхсветовых скоростей возможно кажущееся чередование причины и следствия.

При этом, когда Ланжевен пытается выступать в качестве пропагандиста теории относительности, то сбивается на схоластику: например, утверждения о том, из постоянства скорости света следует ее предельный характер, что сверхсветовые скорости невозможны из-за будто бы реального нарушения закона причинности, что гравитационная волна обязательно должна распространяться со скоростью света и пр. - то эти выдаваемые без обоснования утверждения выглядят особенно нелепо на фоне обычно свойственной Ланжевену логики и стремления все доказывать.

Интересно отметить работу Ланжевена "Образовательная роль истории науки" (1926), где, помимо ряда важных выводов о важности естественнонаучного образования и о важности изучения предмета не только по изложениям, но и по первоисточникам, также приводятся ряд выводов, связанных с логикой развития тогдашней физики: "На каждом этапе развития человечества мы встречаемся с одной и той же тенденцией к преувеличению значения уже полученных результатов и с верой в то, что эти результаты являются ключом к познанию всех тайн вселенной. Получив какие-либо экспериментальные результаты, люди вполне закономерно пытаются как можно быстрее обобщить их и применить ко всем областям науки....

Фарадей заложил основы электромагнитной теории, развитой затем Максвеллом и Герцем. Двадцать лет назад, наблюдая, как эта теория завладевает оптикой с помощью электромагнитной теории света, а затем механикой через теорию относительности, можно было думать, что мы наконец близки к окончательному синтезу. Однако экспериментальные затруднения, которые я резюмирую здесь под именем "квантов", показали, как далеки мы еще на деле от этой вожделенной цели. Несмотря на все трудности и колебания, нельзя не видеть непрерывного движения вперед; каждый синтез, прежде чем уступить место следующему, объединяет и приводит в систему всё возрастающее количество фактов" (стр. 315, 317). Очень важны следующие слова Ланжевена из этой работы, которые очень актуальны как для естественных, так и для общественных наук:

"Для борьбы с догматизмом в науке бывает очень полезно ознакомиться с тем, насколько основатели научных теорий лучше своих продолжателей и комментаторов отдавали себе отчет во всех слабостях и недостатках своих теорий. Со временем их оговорки постепенно забываются; то, что для них было гипотезой, превращается в догму, становящуюся все более непререкаемой по мере удаления от первоисточника, пока, наконец, не потребуются значительное усилие для того, чтобы порвать с установившимися взглядами, представляющими собой более или менее отдаленные выводы из теорий, временный и гипотетический характер которых давно забыт" (стр. 212-213)

Попытки обнаружить эфир. В середине 1920-х годов американский физик Миллер произвел серию опытов, из которых следовало, что будто бы он обнаружил «эфирный ветер», что опровергает результаты опытов Майкельсона. Данные опытов Миллера тогда были подхвачены теми, кто критиковал теорию относительности с точки зрения теории эфира, и с их стороны ссылки на результаты опыта Миллера можно слышать до сих пор. Детальный анализ этих опытов показал, что их результаты находятся в пррделах экспериментальной ошибки и потому не могут служить доказательством существования эфира. Но главное в том, что к середине 1920-х годов теория эфира большинством физиков рассматривалась как безнадежно устаревшая, поэтому очередная попытка возобновить дискуссии об эфире по результатам опытов Миллера просто не получила поддержки.

 Спор Эйнштейна и Бора. В 1920-1950-х годах (вплоть до смерти Эйнштейна) между Эйнштейном и одним из основателей квантовой механики Нильсом Бором шла разгоряченная дискуссия о физических основах мира. Началась она с того, что Эйнштейн не принял классического для квантовой механики принципа неопределенностей Гейзенберга, согласно которому нельзя измерить все характеристики движущейся частицы с абсолютной точностью: например, чем более точно мы знаем координаты частицы, тем меньше точность в измерении ее импульса, и наоборот. Эйнштейн видел в этом внесении в природу элемента случайности, чего он считал недопустимым (его крылатая фраза на эту тему – «бог не играет в кости»). Впоследствии эта дискуссия затронула все разделы современной науки.

Физический смысл разногласий между теорией относительности и квантовой механикой состоял в вопросе о способе объединения четырех существующих фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, ядерного (сильного) и слабого. Эйнштейн, как известно, объяснял гравитационное взаимодействие через представления об искривлении метрики пространства-времени. Впоследствии он пытался включить в эту схему аналогичные представления для электромагнитных сил и открытых позже ядерного и слабого взаимодействия. Однако эти его попытки создать теорию «Великого Объединения» (термин Эйнштейна) кончились ничем: занимаясь этой проблемой до своей смерти в 1955 году, Эйнштейн не добился здесь сколько-нибудь значительных успехов. Квантовая механика пошла иным путем. Она объяснила природу фундаментальных взаимодействий как обмен частицами-переносчиками взаимодействий. При привычных для нас уровнях энергий взаимодействия «расщеплены» на 4 типа. При росте энергии взаимодействующих частиц на определенном уровне электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются в одно – электрослабое, и тогда взаимодействий остается только три. При еще более высоких энергиях электрослабое и ядерной взаимодействие так же объединяются в одно, и тогда взаимодействий остается только два (ядерно-электрослабое («Стандартная модель») и гравитационное. При еще более высоких энергиях (какие были в первые мгновения после Большого взрыва) все эти взаимодействия сливаются в одно. На этом основании была выработана достаточно удовлетворительная теория.

Был в этой дискуссии и философский смысл. Кинематика и динамика теории относительности (как специальной, так и общей) основывались на понятии траектории как линии движения тела под действием сил. Фактически такая позиция не выходила за границы детерминизма, которым страдала и ньютоновская механика: считалось, что если известны положения всех тел, их скорости и действующие на них силы, то можно узнать положение любой частицы в любой момент времени. Отсюда следовало, что, во-первых, будущее полностью предопределено, во-вторых, что все физические явления сводятся к механическим. Было понятно, что это не так, но никаких ответов теория относительности не давала. Ответ был найден благодаря открытиям квантовой механики: соотношению неопределенности и корпускулярно-волновому дуализму материи.

Дискуссия между создателями теории относительности (Эйнштейн) и квантовой механики (Бор) свидетельствует, что в то время как квантовая механика сумела найти ответы на вопросы, поставленные развитием науки, теория относительности при попытках решения тех же самых вопросов заходит в тупик. Уже в 1960-е годы известный советский физик И.Тамм признавал: "современное состояние релятивистской квантовой теории крайне неудовлетворительно. В этом она резко отличается от нерелятивистской квантовой теории, которая абсолютно прозрачная, последовательная, законченная теория, которая так же незыблема в своей области применимости, как для макроскопических явлений незыблема теория Ньютона. Но когда мы переходим к большим энергиям, к очень малым пространственным масштабам, оказывается, что современной теории уже недостаточно, что она внутренне непоследовательна" ("Наука и жизнь", №1, 1967 год)

В 2005 году в интернете был размещен интересный материал, доходчиво разъясняющий противоречия между теорией относительности и квантовой механикой:

«С точки зрения общей теории относительности, «универсального времени» во Вселенной не существует. Более того, скорость хода часов, вообще говоря, непостоянна и зависит от того, где они находятся. В то же время квантовая механика, как указывает Джордж Чаплин, имеет смысл только в том случае, если универсальное время все-таки существует — в противном случае ее аппарат просто неприменим.

В особенности вопиющее расхождение двух теорий проявляется при попытке описания физики событий, происходящих у так называемого «горизонта событий» гипотетической черной дыры. Удаленному наблюдателю будет казаться, что время здесь практически остановилось. Но для экипажа звездолета, падающего в "мысленном эксперименте" на черную дыру, время будет идти как обычно. «Общая теория относительности предсказывает, что в горизонте событий ничего не произойдет», — говорит г-н Чаплин.

Тем не менее, еще три десятка лет назад теоретики указали на то, что материя, согласно законам квантовой механики, должна у горизонта событий становиться «гиперчувствительной» к малейшим возмущениям. «Этот результат быстро позабыли, — говорит г-н Чаплин, — поскольку он не согласуется с предсказаниями общей теории относительности. Но на самом деле результат абсолютно верен».»