Пуанкаре - Алексей Тяпкин

Теперь, когда давно отшумела буря над физикой и на ее могучем остове возникли стройные здания современных физических теорий, нелегко представить себе то смутное время сомнений в самых основных физических принципах. Нужно забыть на минуту о всех возникших позже новых представлениях физики XX века, чтобы по достоинству оценить значение программного докладе Пуанкаре, в котором он дал ключевую основу для поиска новых физических закономерностей — совокупность основных принципов, сохраняющих свое значение и в новой физике. Особенно подчеркивал Пуанкаре незыблемость закона сохранения энергии, который, по его мнению, не смогут поколебать никакие будущие открытия. Это убеждение высказывалось им и раньше, на первом физическом конгрессе в Париже.

В науке после этого произошла самая крупная революция за все время ее существования. Коренному преобразованию подверглись основные физические представления. Были установлены совершенно необычные физические законы, действующие при околосветовых скоростях и в мире мельчайших частиц. Но все отмеченные Пуанкаре общие принципы и по сей день сохраняют свое значение, действуя в современной физике в преобразованном виде.[45] Пуанкаре весьма проницательно наметил стержневую линию новой физики, ее остов из основных принципов, связывающих ее с классической физикой.

Вопреки своему намерению не делать прогнозы, Пуанкаре дал в докладе удивительно меткие указания «горячих точек» физики, в которых следовало ожидать рождения принципиально новых закономерностей. И оправдались не просто многие из этих прорицаний, а буквально все. Современные ученые не находят ни одной нелепости в его смелых суждениях. История науки не знает другого труда, в котором с такой полнотой и с такой конкретностью были бы предсказаны грядущие преобразования в физике.

Но в то время Поль Ланжевен, оказавшийся после конгресса в одном купе с Пуанкаре, не мог еще об этом догадываться. Его в первую очередь интересовало мнение выдающегося ученого по вопросам, затронутым в его собственном докладе «Физика электронов». Он горячо и убежденно говорил о глубоких последствиях для всей физики установления дискретного строения электричества, открытия зерен электричества — электронов. Пуанкаре со многим соглашался, но оставался равнодушным, если не скептичным, к основной идее, увлекавшей Ланжевена: объяснение с помощью электронной теории всех физических явлений, даже механических. Он по-прежнему не считал необходимым сводить всю физику к одному из ее разделов. Он указал своему собеседнику, что с помощью одних только электромагнитных сил нельзя получить таких равновесных систем, как твердое тело и сам электрон, который Ланжевен предлагает положить в основу всей материи. По мнению Пуанкаре, для электронной теории существуют более важные задачи, чем возводить единое толкование уже объясненных физических явлений.

— Взять хотя бы проблему спектров излучения атомов, — помолчав, добавил он. — Ею несколько пренебрегают, а между тем проблема эта обещает нам большие сюрпризы.

В своем докладе Пуанкаре специально остановился на необходимости новой теории, которая объяснила бы закономерности спектральных линий, излучаемых атомами. Еще в 1900 году немецкий физик Макс Планк для преодоления основного затруднения теории излучения — так называемой «ультрафиолетовой катастрофы» — выдвинул необычную и совершенно несвойственную классической физике идею о том, что излучение происходит дискретными порциями — квантами. Теперь же, обсуждая экспериментально установленное распределение спектральных линий в излучении атомов, Пуанкаре категорическим образом отвергает возможность его объяснения на основе законов классической физики. «Эти явления еще не объяснены, и я думаю, что мы имеем здесь дело с одной из важнейших тайн природы, — утверждает он. — …Здесь мы, так сказать, проникаем в самые глубины материи. В том положении, в котором мы сейчас находимся, представляется, что, когда мы поймем, почему колебания раскаленных тел отличаются от хорошо знакомых нам обычных упругих колебаний, когда мы поймем, почему электроны ведут себя не так, как обычные тела, мы будем лучше понимать динамику электронов, и, может быть, нам будет легче согласовать ее с основными принципами».

Это удивительное пророчество блестяще подтвердилось. Ланжевен еще убедится в уникальной прозорливости Пуанкаре, когда уже после его смерти родится теория, необходимость которой он предвещал. Сначала в 1913 году молодой датский физик-теоретик Нильс Бор даст первое объяснение природы спектра излучения атомов на основе квантовой гипотезы Планка. А в 1927 году этот раздел теории атомной физики завершится созданием квантовой теории, которая из всех новых физических теорий наиболее радикальным образом отличается от классической физики. Совершенно необычным в этой теории оказался статистический характер законов, описывающих поведение квантовых объектов. И в этом было подтверждение еще одного предсказания Пуанкаре! В конце своей лекции он отметил: «Физический закон приобретает тогда совершенно новый аспект, это уже не будет только дифференциальное уравнение, он примет характер статистического закона».

Особенно настойчиво и весьма определенно предрекает Пуанкаре создание совершенно новой механики, «которая характеризовалась бы главным образом тем фактом, что никакая скорость не могла бы превышать скорость света, подобно тому как температура не может упасть ниже абсолютного нуля». Эта идея настолько сильно владеет его сознанием, что он еще раз возвращается к ней в самом конце доклада: «Возможно даже, мы должны создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причем скорость света являлась бы непреодолимым пределом. Обычная механика, более простая, оставалась бы как первое приближение, справедливое для скоростей не слишком больших, так, что новая динамика включала бы старую». В осуществлении этого пророчества Пуанкаре самому предстояло сыграть решающую роль. Это были уже сегодняшние мысли его завтрашних трудов.

Глава 11

РОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Принцип относительности и эфир

Среди основных принципов, которые должны сохраниться в будущей физике, Пуанкаре назвал в Сент-Луисе принцип относительности, утверждающий, что «законы физических явлений должны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, совершающего равномерное поступательное движение». Но к выводу о существовании всеобщего закона относительности, распространяющегося и на электромагнитные явления, он пришел еще задолго до этого.