Пуанкаре - Алексей Тяпкин

Пуанкаре первым заметил, что любые преобразования, связывающие пространственно-временные координаты инерциальных систем отсчета, должны образовывать группу. В противном случае эти преобразования приводили бы к несамосогласующимся, неоднозначным результатам. До него это обстоятельство не было уяснено, и в физике обсуждались порой преобразования, не удовлетворяющие столь очевидному теперь требованию. Преобразования Лоренца, как показал Пуанкаре, соответствовали этому обязательному условию.

Восхождение

Здоровье не позволяло Пуанкаре быть альпинистом, но его всегда манили к себе величественные и недоступные горные вершины. Даже труд ученого он сравнивает порой с восхождением. «Нужно подниматься все выше и выше, чтобы видеть все дальше, и не слишком задерживаться в пути, — пишет он. — Настоящий альпинист всегда рассматривает вершину, на которую он только что взошел, как ступеньку, которая должна привести его к более высокой вершине. Нужно, чтобы ученый имел ноги горца и, главное, сердце горца. Вот тот дух, который должен его воодушевлять». Такой дух восхождения веял над Пуанкаре, когда он шел к головокружительным высотам новой физической теории.

Особое значение для научных открытий, представляющих собой неожиданные скачки и резкие повороты в развитии ученой мысли, имеет самый первый этап, этап зарождения новых идей — исходного пункта будущего теоретического построения. Однако об этом важнейшем периоде становления теории относительности принято порой говорить как о времени, когда необходимые, но не осознанные еще до конца идеи носились в воздухе, и недоставало лишь гения, который бы воспользовался ими для разработки новой физической теории. В действительности же само появление этих идей уже представляло собой решающий шаг, потребовавший коренного пересмотра основных положений классической физики. И хотя работы, содержавшие эти новаторские мысли, не были замечены и осмыслены подавляющим большинством ученых, не подготовленных еще к восприятию столь радикально новых взглядов, их влияние, несомненно, прослеживается на тех немногих исследователях, которые воспользовались изложенными там идеями, чтобы проложить путь к не покоренной еще научной вершине.

В период, когда закладывались исходные идеи теории относительности, наибольший вклад, несомненно, внес Пуанкаре.[49] Он выдвинул принцип относительности как обобщение опытных данных и высказал убеждение, что именно электромагнитную теорию Лоренца необходимо согласовать с этим принципом, чтобы получить окончательное решение проблемы. Пуанкаре показал условность понятия одновременности, центрального понятия теории относительности, и предложил определение этой величины на основе постулата о постоянстве скорости света. Он дал также правильную физическую интерпретацию «местного» времени Лоренца.

Таким образом, Пуанкаре оказал самое непосредственное влияние на развитие теоретической мысли в период поиска выхода из кризисной ситуации в классической физике, выдвинув исходные идеи и принципы будущей теории относительности. Он как бы начертал маршрут предстоящего восхождения к научной вершине. Но вместе с тем он был и среди самых деятельных участников самого восхождения. Его критическое обсуждение теорий Лармора и Лоренца и его замечание о недостаточности гипотезы сокращения длин тел для полного решения проблемы — все это и было участием в передовой группе штурмующих вершину. Лармор остановился под самой вершиной, перед самым трудным участком восхождения, когда оставалось сделать фундаментальное обобщение: распространить на механику и всю физику новые результаты, полученные им для электромагнитных явлений. Пуанкаре, уже сделавший этот главный шаг, ведущий прямо к цели, обнаруживает, что его коллега по восхождению Лоренц, вступив на этот путь раньше, уже достиг вершины. Поэтому свое фундаментальное теоретическое исследование 1905 года он считал не первооткрытием, а лишь развитием работы Лоренца 1904 года.

Сам же Лоренц отмечал, что разработка теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, была предпринята им под влиянием критики его прежних работ со стороны Пуанкаре. Но влияние взглядов Пуанкаре сказалось только на выборе Лоренцем конечной цели: «С помощью определенных основных допущений показать, что электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы».

Работа Лоренца не представляла собой единого логического построения на основе минимального числа исходных принципов. Она состояла из двух последовательных частей, каждая со своими исходными допущениями. Это электродинамика в движущейся системе и физическое обоснование сокращения размеров движущихся тел, основанное на полученных в первой части результатах. Конечно, постановка задачи построения электромагнитной теории, строго удовлетворяющей принципу относительности, уже заключала в себе самый трудный для Лоренца шаг, состоящий в отказе от надежд обнаружить абсолютное движение. Однако идее существования светоносного эфира Лоренц не изменяет.

На предварительном этапе исследований по электродинамике движущихся тел это не служило для него препятствием. Более того, отказ от гипотезы эфира, как это ни парадоксально, мог тогда помешать выходу физики из критической ситуации на единственно правильный путь решения всей проблемы. Дело в том, что в период кризиса, вызванного «отрицательным» результатом опыта Майкельсона — Морли, не только не были еще известны экспериментальные данные о независимости скорости света от движения источника, но отсутствовали и какие-либо теоретические доводы для принятия этого положения. Поэтому первые шаги в правильном направлении могли сделать только ученые, продолжавшие отстаивать гипотезу неподвижного эфира, в котором независимо от движения каких бы то ни было систем с одной и той же скоростью распространяется световая волна. Как бы на плечах этой ложной гипотезы в науку вошло утверждение, ставшее затем одним из исходных постулатов в теории относительности.[50]

Но на этапе оформления новой физической теории идея эфира сыграла явно отрицательную роль. Она помешала ее сторонникам занять правильную позицию в понимании новых физических закономерностей. Такова диалектически противоречивая роль гипотезы эфира в становлении теории относительности. Подобно строительным лесам, эту гипотезу следовало отбросить после завершения новой теории. Лоренц же продолжал оставаться в плену старого представления о необходимости привлечь свойства эфира для объяснения наблюдаемых эффектов. Это помешало ему установить истинный смысл полученных теоретических результатов и прийти к полному завершению начатого им своего особого пути построения теории относительности. Пытаясь обосновать принципиальную ненаблюдаемость эффектов, связанных с нарушением инвариантности законов физики относительно преобразований Галилея, он пришел к теории, удовлетворяющей принципу относительности. Но сам автор вовсе не осознал масштабов вершины, на которую он поднялся, не понял подлинного смысла своего открытия. Например, ему было неясно, что им открыт новый по своей форме принцип относительности, отличный от принципа относительности Галилея. Он не осознавал также следующей из его работы инвариантности всех законов физики (а не только уравнений электромагнитного поля) относительно найденных им новых преобразований пространственно-временных координат. Полученные Лоренцем соотношения фактически содержали в себе все проявляющиеся на опыте результаты теории относительности. Но такая расшифровка подлинного смысла работ Лоренца оказалась под силу лишь Пуанкаре.