Революция в естествознании конца XIX — начала XX в.
На рубеже XIX-XX вв. в естествознании и особенно физике начались революционные открытия, радикально изменившие представления как о мире, так и его познании. В 1895 г. были открыты рентгеновские лучи, покончившие с таким «атрибутом материи», как непроницаемость.
Та же участь постигла неделимость атома. После открытий электрона (Дж. Томсон, 1897), радиоактивности (А. Бекке- рель, 1896) и радиоактивного распада (Э. Резерфорд, 1897) понятие «атомос» могло означать «неделимый» только в словарях греческого языка. Хотя эти открытия производили углубление еще на один уровень структуры материального мира, тогда они воспринимались как известие о том, что «король-то голый». В 1900 г. было обнаружено (П.Н. Лебедев) давление света, что доказывало сочетание в нем волны и корпускулы. Отсюда оставался один шаг до признания перехода вещества в излучение, массы в энергию, хотя и это было поначалу воспринято как «гибель материи». В том же году М. Планк (1858-1947) ввел понятие «квант энергии» (т. е. минимальной порции энергии, которой она может испускаться или поглощаться). В 1905 г. А. Эйнштейн (1879-1955) предложил «квант света», а вскоре опубликовал статью «Об электродинамике движущихся тел», где на пяти страницах, которые потрясли мир, изложил специальную теорию относительности. Как таковой, принцип относительности движений был сформулирован еще Галилеем, который считал, что даже деление на движение и покой относительно. Так, пассажиры лодки, находящиеся в штилевую безоблачную погоду вдали от берегов (т. е. без каких- либо ориентиров), не в состоянии обнаружить свое движение. Однако лодка, неподвижная в собственной системе координат, движется вместе с Землей. Одни и те же движения по-разному описываются в различных системах отсчета. Тем не менее классический принцип относительности допускает, что результаты, полученные в различных системах отсчета, можно свести к некой абсолютной, «вселенской» системе. Уверенность в существовании такой системы шла от средних веков, имея религиозные корни. Даже Коперник говорил о «взгляде с позиции Господа Бога». Впоследствии идея абсолютной системы считалась очевидной, к тому же подкрепляясь результатами механико-математического естествознания. Серьезные проблемы перед классическим принципом относительности поставило исследование электромагнитного поля. В классической электродинамике существуют условия, когда о телах можно сказать, что они находятся в состоянии абсолютного, «вселенского» покоя. Когда же выяснилось, что свет — это электромагнитные волны, пришлось допустить, что абсолютная система координат связана с особой средой — мировым эфиром, который оставался неподвижным. Не успели физики конца XIX в. притерпеться к искусственности такого предположения, как выяснилось (в остроумном опыте Майкельсона-Морли), что эфир вовсе не существует (ибо даже допуская его, мы не смогли бы его обнаружить). Измерения скорости света в этом опыте в двух направлениях — вдоль и поперек движения — не обнаружили никакой разницы. Оказалось, что скорость света, максимальная из всех известных в природе (с = 300 000 км/с), постоянна и не зависит ни от скорости его источника, ни от направления. Представьте, если бы скорость предметов, выбрасываемых из поезда, не зависела ни от скорости, ни от направления нашего движения. Частично выход был предложен Г.А. Лоренцем и состоял в допущении, что размер тел и темп связанных с ними процессов зависят от скоростей их движения — диаметр движущихся тел уменьшается в направлении их скорости, а ход установленных на них часов замедляется — и то, и другое пропорционально скорости движения. В таком случае принцип относительности вновь становится универсальным — ему подчиняются и механические, и электромагнитные процессы. Допустив столь экстравагантный выход как «единственное спасение», голландский физик все же не мог отказаться от привилегированной системы отсчета, увязывая ее с эфиром. Но что делать, если эфира не существует? Ответ на этот вопрос дал А. Эйнштейн. Если представить свет в виде волнообразно распространяющегося потока частиц — фотонов, то эфир для передачи их движения попросту не нужен. А вот сокращение пространства и времени (в зависимости от скорости движущихся тел) действительно происходит, но мы его не сможем обнаружить в собственной системе отсчета, где процессы для нас происходят вполне «естественно». Ни одна система не лучше и не хуже другой, в каждой из них процессы происходят по-своему, а вот абсолютной системы отсчета не существует — в отличие от классических представлений. В этом и состоит принцип относительности по Эйнштейну. Когда его спрашивали — понятно, что в разных системах процессы происходят по-разному, но как на самом деле? — он задавал встречный вопрос: для пассажира поезда дождь идет по наклонной траектории, для провожающего на перроне — по отвесной, а как на самом деле? Заметим, что эта иллюстрация взята из классической механики. А вот если мы пошлем в космос со скоростью, сравнимой со скоростью света, одного из близнецов, то брат, оставшийся на Земле, к моменту возращения космонавта окажется гораздо старше. Этот вывод, при всей кажущейся невероятности, имеет опытное подтверждение (правда, не на людях, а на космических частицах). Любопытно, что этот вывод Эйнштейн сделал из известных преобразований Г.А.
Лоренца, которым придал совершенно иной физический смысл. Этот результат был столь неожидан и неприемлем для Лоренца, что тот воскликнул: «Почему я не умер раньше?» Какое-то время казалось, что постоянство скорости света вступает в противоречие с принципом относительности. Однако это кажущееся противоречие проистекало из классических допущений, что промежуток времени между двумя этими событиями и расстояние между двумя точками твердого тела не зависят от состояния движения. Но мы видели, что в теории относительности это вовсе не так. Там пространство и время, даже став относительными, фигурируют не сами по себе, а в органичной взаимосвязи, составляя единый пространственно-временной континуум. В специальной теории относительности не учитывается наличие гравитации (почему она и называется специальной). А вот в «Основах общей теории относительности» (1916) А. Эйнштейн рассматривал уже не инерциальные системы, а системы, движущиеся с ускорением. Выяснилось, что не только инерциальные, но и любые системы отсчета равноценны, а инерционная и гравитационная массы эквивалентны. Тяготение неразрывно связано с пространством — временем, и правомерно говорить о вещественно-пространственно- временном континууме. Влияние вещества на пространство—время удалось обнаружить уже в 1919 г., наблюдая (во время солнечного затмения) искривление луча света в поле тяготения. Другим надежным доказательством общей теории относительности считается объяснение ею прецессии — отклонения орбиты Меркурия от классической. Весьма поучительно, с точки зрения истории науки, что Эйнштейн, решившийся на шаг не менее смелый, чем в свое время Коперник, также не собирался отказываться от классических представлений, начав, по существу, с очередной попытки «спасти их». Не привлекавший к себе внимания в годы учебы, но рано проявивший исключительно нестандартное мышление, А. Эйнштейн заметил как-то, что наиболее интересные открытия происходят тогда, когда начинают доказывать то, что в доказательствах не нуждается. Действительно, всем известно, что параллельные не пересекаются, но когда почти одновременно Лобачевский в России, Риман в Германии и Бойяи в Венгрии решили это доказать, пришлось пересмотреть постулаты Евклида. Созданная ими неэвклидова геометрия в самый раз пришлась Эйнштейну. Любопытно, что, не обладая достаточными для формулировки теории относительности математическими знаниями, Эйнштейн поручил эту «рутинную работу» жене, пообещав, что если когда-нибудь получит Нобелевскую премию, то отдаст ей. Слово он сдержал, хотя к тому времени состоял в разводе. Еще более интересна в этом плане история уже общей теории относительности. На пути к ней необходимо было создать новую область математики — тензорный анализ. Эйнштейн вспомнил, что интересные результаты в этом направлении получил еще в студенческие годы его однокурсник. Недостаточно было его разыскать, надо было еще, чтобы тот в достаточной степени знал, понял и принял специальную теорию относительности, чтобы создать необходимый для ее развития математический аппарат. Можно представить себе, какие чувства испытал Эйнштейн, встреченный словами: «Альберт, я знаю, зачем ты приехал. Я уже заканчиваю работу над тензорным анализом». Добавим, что Эйнштейну пошла на пользу даже рутинная и однообразная работа в патентном бюро г. Берна — столько необычных идей прошло перед его глазами. Вернемся, однако, к специальной теории относительности, чтобы добавить, что на ее пяти страницах содержался еще и вывод о взаимосвязи массы и энергии. Формула Е = мс2 стала своеобразным символом XX в. Тогда же переход массы в энергию, вещества в излучение был воспринят как «исчезновение материи», научное доказательство неизбежной «гибели материального мира» и его сотво- ренности в «определенные, доступные вычислению времена». Даже в 20-30-е годы некоторым крупным естествоиспытателям «материальная вселенная кажется уходящей, подобно уже рассказанной сказке, растворяясь в небытии, как видение»39. Разделяя эти представления, А. Эддингтон, крупнейший астрофизик первой половины XX в., описывал «конец мира как изумительную радиопередачу, когда последний атом вещества перейдет в излучение». Аналогично истолковывалось и Второе начало термодинамики, заставляющее «материальную вселенную двигаться всегда в одном направлении, которое кончается только смертью и уничтожением» (гипотеза «тепловой смерти» Вселенной). Относительность к средствам наблюдения выявлялась и в исследованиях микромира, принимая и здесь не менее неожиданный характер. Если измерения в классической механике (линейкой, секундомером) не отражались на свойствах исследуемых объектов (хотя формально, конечно, существует обмен молекулами между классическим объектом и измерительным прибором), то в случае микрочастиц измерительный прибор ощутимо воздействует на них. В итоге получается, что опыт показывает не то состояние объектов, которое мы собирались исследовать, а то, которое создало наше невольное воздействие. Это даже дало повод представителям махизма и эмпириокритицизма заявить, что «опыт — не средство, а предмет исследования» (отсюда и «эмпириокритицизм» — название нового, порожденного физикой варианта идеализма).