Высокочтимое собрание! Город, в котором мы на этот раз съехались, как бы сам собою приглашает нас окинуть взором новейшее развитие физических теорий. Я имею при этом в виду не только великого кенигсбергского философа, который с гениальной смелостью пытался подчинить физическим законам самые первоначала нашего космоса; я напомню также и об основателе теоретической физики в Германии Франце Неймане, школа которого обогатила физическую науку рядом наиболее выдающихся исследователей; я напомню еще о Германе Гельмгольце, который возвестил принцип сохранения энергии: пятьдесят шесть лет тому назад он выяснял здесь перед членами Физико-экономического общества тогда еще совершенно новые понятия о потенциальной и кинетической энергии («сила напряжения», Spannkraft и «живая сила»); он воспользовался для этой цели примером молота, поднятого водяной силой и затем пущенного вниз.
С того времени в физике, как всем известно, произошли поразительные, неожиданные перемены. Если бы Гельмгольц теперь очутился между нами, то многое из того, что он услышал бы по вопросам физики, повергло бы его в сильнейшее недоумение. Первой причиной перемены явился блестящий прогресс экспериментальной техники. Завоевания ее во многих отношениях были столь неожиданны, что в настоящее время мы склонны считать доступными даже такие задачи, о решении которых немного десятилетий тому назад нельзя было и думать; и вообще принципиально теперь в технике вряд ли еще можно считать что-либо абсолютно невозможным. Но значительная доля отваги, развившейся у людей практики, сообщилась также и теоретикам; они теперь берутся за дело с неслыханной для прежних времен смелостью; нет ни одного физического закона, который не подвергали бы в настоящее время сомнению; все без исключения физические истины привлекаются к суду критики. Иногда начинаешь думать, не наступили ли в теоретической физике времена первобытного хаоса!
Но чем настойчивее обступает нас обилие запутанных новых фактов и пестрое разнообразие новых идей, тем острее чувствуется, с другой стороны, потребность в цельном всеобъемлющем мировоззрении. В самом деле, подобно тому, как успех каждого эксперимента может быть обеспечен лишь надлежащим расположением опытов, точно так же только целесообразное физическое мировоззрение может дать нам действительно полезную рабочую гипотезу, которая способствовала бы правильной постановке вопросов. Эта потребность во всеобъединяющем миросозерцании имеет существенное значение не только для физики, но и для всего естествознания, так как переворот в области физических принципов не может остаться без воздействия на все прочие естественные науки.
Тем миросозерцанием, которое до сих пор оказывало физике наиболее важные услуги, бесспорно, является механическое. Как известно, оно ставит себе целью объяснить все количественные различия в конце концов движениями, и мы можем поэтому определить механистическое миросозерцание как воззрение, согласно которому все физические явления могут быть сведены без остатка к движениям неизменяемых материальных точек или однородных элементов; по крайней мере именно в этом смысле я буду говорить здесь о механистическом миросозерцании. Сохраняет ли эта гипотеза и в современной физике свое основное значение и осуществима ли она еще?
Издавна уже многие физики и философы считали утвердительный ответ на этот вопрос не только чем-то само собой подразумевающимся, но чуть ли не постулатом физического исследования. Согласно этому взгляду, задача теоретической физики состоит непосредственно в том, чтобы свести все явления природы к движению. Вместе с тем, однако, издавна же были и более скептические натуры, которые оспаривали фундаментальный характер подобной формулировки задачи и считали механистическое мировоззрение слишком узким для того, чтобы оно могло обнять пестрое многообразие всех явлений природы. Нельзя сказать, чтобы до сих пор одно из этих двух противоположных мнений одержало решительный перевес. Лишь в наши дни подготовляется, по-видимому, окончательное решение, которое явится конечным результатом глубокого движения, охватившего теоретическую физику; это движение имеет столь радикальный, столь революционный характер, что волны его ударяют далеко за пределы собственно физики в соседние области химии, астрономии и даже теории познания, возвещая о грядущей научной борьбе, с которой в летописях мысли может сравниться лишь борьба за систему Коперника. Что привело к этой революции и каков вероятный выход из вызванного ею кризиса, это я попытаюсь сейчас изложить.
Время расцвета механистического миросозерцания относится к прошлому столетию. Своим первым мощным толчком к развитию оно обязано открытию принципа сохранения энергии; больше того, оно неоднократно, особенно в первое время после открытия этого принципа, даже отождествлялось с последним. Это недоразумение обусловливалось тем обстоятельством, что этот принцип очень легко выводится с точки зрения механистического мировоззрения: в самом деле, если всякая энергия механической природы, то принцип сохранения энергии, по существу, есть не что иное, как давно уже известный в механике закон живых сил. С этой точки зрения в природе существуют вообще только два рода энергии, кинетическая и потенциальная, и задача сводится лишь к тому, чтобы для данного вида энергии, — например, теплоты, электричества или магнетизма — решить, имеет ли она кинетическую или же потенциальную природу. Такова в точности точка зрения Гельмгольца в его первом открывшем новую эпоху мемуаре о сохранении силы. Лишь спустя некоторое время поняли, что положение о сохранении энергии еще ничего не говорит о самой природе энергии; впрочем, последнюю мысль еще с самого начала отстаивал, как известно, Юлий Роберт Майер, который первый нашел механический эквивалента теплоты.
По существу же, упрочению механистического воззрения содействовало развитие кинетической теории газов. Последнее весьма счастливым образом совпало с направлением, по которому пошло тогда химическое исследование. В химии задача об установлении строгого различия между понятиями «молекула» и «атом» привела к предложению Авогадро как наиболее целесообразному определению газообразной молекулы; и как раз это же предложение строго вытекает, как оказалось, из кинетической теории газов, если ввести живую силу движущихся молекул как меру температуры. Таким образом, оказалось возможным на основании атомистических представлений с помощью механистических соображений выяснить достаточно подробно явления диссоциации и ассоциации, изомерии и оптической активности молекул с таким же успехом, как и физические процессы трения, диффузии и теплопроводности.
Правда, оставался неразрешенным последний и самый важный вопрос о том, как объяснить движениями различие между химическими элементами. Но и в этой области расцвела надежда: периодическая система ясно указывала, по-видимому, на то, что в конце концов существует лишь один род вещества; хотя гипотеза Пру, по которой этой первоначальной материей является водород, оказалась несостоятельной, так как атомные веса отнюдь не представляют собой целых кратных атомного веса водорода, но все же оставалась еще возможность допустить, что первичные атомы, из которых построены все химические элементы, имеют еще меньшую величину, и таким путем удержать мысль о единстве первичного вещества.
Одно время казалось, что атомистической теории грозит серьезная опасность со стороны учения об энергии, а именно, — от чистой термодинамики. Если уже принцип сохранения энергии как мы указали выше, отнюдь не требует признания механистического воззрения, то второе начало термодинамики и его разнообразные приложения, в особенности в области физической химии, породили даже некоторое недоверие к атомистике. Общие предложения, которые с совершенной точностью и во всей своей полноте легко получаются из чистой термодинамики, — например, законы о теплоте, законы парообразования и плавления, осмотического давления, электролитической диссоциации, понижения точки замерзания и повышения точки кипения, — при помощи атомистических представлений могли быть выведены лишь с большим трудом и только с известным приближением; особенно это заметно в области жидкостей и твердых тел, где атомистика вообще не пустила еще глубоких корней, тогда как термодинамика со своими методами подчинила себе в равной степени все три агрегатных состояния вещества и как раз в области жидких растворов достигла самых блестящих результатов. Для механистического мировоззрения особенно много затруднений представляла необратимость явлений природы, так как в механике все явления обратимы; только глубокому анализу и упорному научному оптимизму такого мыслителя, как Людвиг Больцман, удалось не только примирить атомистику со вторым началом теории теплоты, но даже сделать с помощью атомистики понятной основную идею этого начала. Для приверженцев же чистой термодинамики все эти вопросы не представляли никакой трудности или, лучше сказать, не существовали вовсе, так как они вовсе отрицали задачу о сведении термической и химической энергии к механистической, но довольствовались допущением, что существуют различные роды энергии; по поводу этого обстоятельства Больцман как-то заметил с горечью, что кинетическая теория газов, как ему кажется, вышла уже из моды. Немного лет спустя он уже, конечно, не сказал бы этого, ибо как раз около того времени кинетическая теория газов начала делать успехи, которые во всяком случае не уступали всем прежним завоеваниям ее.
Прежде всего чистая термодинамика скоро достигла своих естественных границ. Действительно, так как второе начало в общем виде дает лишь неравенство, то равенства могут быть выведены из него лишь для состояний равновесия, — в этом случае, правда, с полной общностью и точностью. Но как только мы покинем эту область и пожелаем проследить ход физических или химических процессов во времени, второе начало может указать нам лишь направление, а также несколько количественных данных для процессов, которые весьма мало удаляются от состояния равновесия; но оно не дает доступного количественному определению значения скоростей реакции, и еще меньше мы можем ожидать от него в смысле ознакомления с подробной картиной соответственных процессов. В этом отношении нам могут помочь только атомистические представления, и последние, действительно, во всех направлениях оправдали возлагавшиеся на них надежды. Особенно важное значение они приобрели для законов ионизации и вообще всех тех явлений, в которых играют роль электроны. Достаточно будет простого указания, что вообще в таких обширных областях, как дисперсия, катодные и рентгеновы лучи, а также все учение о радиоактивности, явления могут быть поняты вообще лишь на почве кинетической атомистики.
Даже в области, которая всегда считалась бесспорным достоянием термодинамики, в состояниях равновесия и стационарных состояниях, кинетическая теория пролила свет на многие вопросы, которых чистая термодинамика не могла выяснить. Кинетическая теория сделала более понятным испускание и поглощение тепловых лучей, а своим объяснением так называемого броуновского молекулярного движения[1] она дала непосредственное и, так сказать, осязательное доказательство своей состоятельности и необходимости и таким образом совсем лишь недавно одержала свою самую блестящую победу. Коротко говоря, в области учения о теплоте, химии и теории электронов кинетическая атомистика является уже не рабочей гипотезой лишь, но прочно и надолго обоснованной теорией.
В каком же положении находится теперь механистическое мировоззрение? Ведь оно не может довольствоваться атомистическим пониманием материи и электричества, но идет далее и требует, чтобы все процессы природы были истолкованы как движения материальных точек.
Самый грандиозный, но и последний опыт свести принципиально все явления природы к движению мы находим в механике Генриха Герца. Стремление механистического мировоззрения к проникнутой единством мировой картине здесь получило, можно сказать, идеальное завершение. Механика Герца, собственно, есть не физика настоящего, но физика будущего, или, так сказать, своего рода физическое вероисповедание. Она ставит перед нами программу, величественную по своей последовательности и гармонии, оставляющую позади все прежние попытки этого рода. Герц не довольствуется тем, что постулирует возможность провести механистическое мировоззрение, основываясь на допущении движений простых однородных материальных точек, единственных настоящих кирпичей, из которых построена вся физическая вселенная: он идет еще дальше, чем Гельмгольц в своей статье о сохранении силы, так как он вместе с различием между потенциальной энергией и кинетической заранее исключает все те проблемы, который имеют отношение к исследованию специальных видов энергии. По Герцу существует один только вид материи — материальные точки, и точно так же один только вид энергии, а именно — кинетическая. Все другие виды энергии, которые мы называем, например, потенциальной энергией, электромагнитной, химической, термической, в действительности представляют собой кинетическую энергию движений невидимых материальных точек; столь большое различие в свойствах этих видов энергии обусловливается исключительно неизменяемыми связями, которые существуют в природе между положениями и скоростями соответственных материальных точек. Эти связи отнюдь не ослабляют действия принципа энергии, так как они влияют только на направление движений, но не на величину живых сил подобно тому, как железнодорожные рельсы дают поезду другое направление, но не замедляют его. Таким образом, по Герцу все движения в природе основаны исключительно на инертности материи. Хороший пример для выяснения этого представления дает нам кинетическая теория газов: энергию упругости покоящихся газовых частиц, до тех пор считавшуюся потенциальной, она заменяет кинетической энергией подвижных газовых частиц. Благодаря этому радикальному упрощению предпосылок предложения механики Герца отличаются удивительной простотой и наглядностью.
Но при ближайшем рассмотрении оказалось, что трудности не уничтожены, но лишь отодвинуты и притом в такую область, которая почти недоступна для опытной проверки. Герц сам, должно быть, чувствовал это, так как он ни разу даже не пробовал указать в каком-нибудь определенном и простом случае, какого вида введенные им невидимые движения и их своеобразные связи; это обстоятельство отметил также Гельмгольц в своем предисловии к посмертному труду Герца. Да и в настоящее время мы ни на один шаг не подвинулись еще в этом направлении; напротив, как мы увидим, развитие физики пошло за это время по совершенно другим путям, которые сильно разошлись не только с воззрениями Герца, но и с механистическим направлением вообще. В самом деле, как раз между теми физическими процессами, которые исследованы с самой большой точностью, существует большая группа, представляющая, по-видимому, непреодолимое препятствие для проведения механистического воззрения.
Я сейчас перехожу к самому больному месту механической теории: к световому эфиру. Стремления объяснить световые волны как движения чрезвычайно тонкого вещества, заполняющего все пространство, столь же стары, как волнообразная теория Гюйгенса, и с того времени образовался целый ряд пестрых представлений, которые имели своей целью объяснить строение этой загадочной среды[2]. Для механистического мировоззрения существование материального светового эфира является необходимым постулатом, потому что по этому воззрению там, где есть энергия, должно также быть движение, а где есть движение, должно быть нечто, совершающее движение. Но тем сильнее бросалось в глаза резкое отличие эфира от всех других веществ, начиная хотя бы с чрезвычайно малой плотности его в сравнении с его необыкновенно большой упругостью, обусловливающей огромную скорость распространения световых волн. По Гюйгенсу, который считал световые волны продольными, еще можно было представлять себе световой эфир как разреженный газ; по Френелю же, который доказал поперечность колебаний, эфир должен быть отнесен к твердым телам, потому что в газообразном эфире поперечные световые волны не могли бы распространяться. Хотя неоднократно делались попытки объяснять поперечные волны явлениями, которые напоминают трение и могут, следовательно, иметь место и в газах, однако этот взгляд оказывается неприемлемым уже потому, что в свободном эфире нельзя доказать ни поглощения света, ни зависимости скорости распространения от цвета. Таким образом, пришлось допустить существование твердого тела, обладающего тем странным свойством, что небесные тела проходят через него без всякого сколько-нибудь заметного сопротивления. Но эта трудность была лишь началом. Каждая попытка приложить к световому эфиру уравнения теории упругости твердых тел приводила к требованию продольных волн, которые в действительности не существуют; их нельзя было открыть, по крайней мере, несмотря на неустанные поиски, которые велись с напряженным усилием и весьма разнообразными способами; от этих продольных волн можно было избавиться только путем допущения либо бесконечно малой, либо же бесконечно большой сжимаемости светового эфира. Но и при таком допущении невозможно было удовлетворить полностью всем предельным условиям на раздельной поверхности между двумя разнородными средами.
Я не буду останавливаться здесь на описании всех более или менее сложных допущений различного рода, с помощью которых исследователи пытались устранить эти трудности; я укажу лишь на один неприятный симптом, который обыкновенно сопровождает бесплодные гипотезы и сильно дает себя чувствовать и в настоящей проблеме: я имею в виду возникновение между физиками споров, которые не могут быть разрешены никакими опытами. Сюда относится прежде всего знаменитый спор между Френелем и Нейманом о зависимости между направлением колебаний прямолинейно поляризованного света и плоскостью поляризации.
Вряд ли в какой-нибудь другой области физики вопрос, в сущности своей, по-видимому, неразрешимый, вызвал когда-либо столь ожесточенную борьбу, в которой были пущены в ход все роды оружия опыта и теории.
Лишь после того, как получила господство электромагнитная теория света, этот спор был прекращен, как не имеющий значения; последнее, правда, по мнению тех только физиков, которые ограничиваются тем, что рассматривают свет как электромагнитное явление. Действительно, задача о механическом объяснении световых волн осталась не решенной; она была лишь отложена впредь до разрешения гораздо более общей проблемы о сведении всех электромагнитных процессов — как статических, так и динамических — к движению. В самом деле, с дальнейшим развитием электродинамики интерес к этой более общей проблеме снова усилился в значительной степени. К разрешению ее стали подходить с более обширным материалом, исходя из более общих соображений, и вместе с тем опять возросло значение светового эфира: теперь он являлся носителем не только оптических волн, как до сих пор, но всех вообще электромагнитных явлений — по крайней мере в чистом вакууме.
Но все было напрасно: опять, несмотря на все усилия, световой эфир никак не поддавался механической интерпретации. Выяснилось, правда, то обстоятельство, что электрическая энергия и магнитная в известном смысле относятся одна к другой, как кинетическая энергия и потенциальная, и на первых порах казалось, что остается только решить вопрос, электрическую ли энергию следует считать кинетической или магнитную. Первое привело бы в оптике к подтверждению теории Френеля, второе говорило бы в пользу теории Неймана. Однако, надежда, что привлечение свойств статических и стационарных полей доставит необходимую опору для решения этого вопроса, оказавшегося неразрешимым в пределах оптики, — не осуществилась. Наоборот, благодаря новой постановке вопроса трудности возросли в еще большей степени. Были исчерпаны решительно все мыслимые комбинации и предположения, чтобы раскрыть строение светового эфира, причем из великих физиков особенно много работал в этом направлении лорд Кельвин, не оставлявший этой задачи до самой своей смерти; оказалось, однако, невозможным вывести электродинамические процессы в свободном эфире из одной цельной механической гипотезы, тогда как дифференциальные уравнения Максвелла-Герца представляют нам эти же самые процессы с удивительной простотой и испытанной точностью вплоть до всех подробностей. Таким образом, самые законы были известны до мельчайших подробностей, но механическое объяснение этих простых законов никак не удавалось; мало того, приходится раз навсегда отказаться от всякой надежды на успех! По крайней мере я думаю, что не вызову серьезных возражений со стороны физиков, если скажу коротко, что предположение о точном соответствии с действительностью простых дифференциальных уравнений Максвелла-Герца для электродинамических процессов в чистом эфире исключает возможность механического объяснения последних. Это положение вещей нисколько не изменяется, конечно, от того, что Максвелл первоначально пришел к своим уравнениям с помощью механических представлений. Это не первый случай, когда логически небезупречный ход мыслей приводил к совершенно правильному результату. Кто в настоящее время желает оставаться при механистическом понимании электродинамических явлений в свободном эфире, тот вынужден рассматривать уравнения Максвелла-Герца как не совсем точные и присоединить к ним для точности несколько членов низшего порядка. Заранее ничего, конечно, нельзя возразить против законности такой точки зрения, и здесь еще открывается богатое поле для умозрений всякого рода; но, с другой стороны, следует принять во внимание, что она может быть обоснована лишь опытным путем, и что при всякой подобной попытке весьма велика вероятность, что к разнообразным безуспешным экспериментам, придуманным раньше, прибавится еще один новый. Об экспериментах этого рода я уже говорил; об одном лишь я еще не упомянул, и это важнейший из всех, потому что значение его совершенно не зависит от всех более частных допущений относительно природы светового эфира.
Действительно, что бы мы ни думали о строении светового эфира, будем ли мы представлять себе его непрерывным или прерывным, состоящим из «эфирных атомов» или «нейтронов», во всех случаях является вопрос, увлекает ли с собой движущееся прозрачное тело находящийся в нем световой эфир, или же световой эфир во время движения тела весь или частью остается в покое. На этот вопрос можно с уверенностью ответить лишь, что световой эфир, во всяком случае, не всегда целиком увлекается телом, а иногда даже совсем почти не увлекается. В самом деле, в движущемся газе, — например, в движущемся воздухе — распространение света явно не зависит от скорости газа, или, выражаясь образно, свет идет против ветра с такой же самой скоростью, как и по ветру. Это доказал Физо своими тонкими интерференционными опытами еще в середине прошлого столетия. Мы должны, следовательно, представлять себе, что эфир, в котором распространяются световые волны, не испытывает заметного влияния со стороны движущегося воздуха, но остается в покое в то время, как воздух проносится сквозь него. Но в таком случае естественно возникает другой вопрос: как велика скорость, с которой атмосферный воздух проходит сквозь эфир?
Это и есть тот вопрос, на который до сих пор ни в одном случае никакое измерение не могло дать ответа. Окружающий землю атмосферный воздух в общем участвует в движении земли; это дает по отношению к солнцу скорость, величина которой равна около 30 км. в секунду, а направление непрерывно меняется в зависимости от времени года. Хотя эта скорость составляет всего лишь одну десятитысячную часть скорости света, мы в состоянии, однако, придумать оптические опыты, которые, судя по всему уровню наших оптических знаний, давали бы возможность измерить скорость такого порядка. Исследования, относящиеся к измерению движения земли по отношению к световому эфиру, заполняют много страниц физических журналов. Но все затраченное остроумие и экспериментальное искусство разбивалось об упорство фактов. Природа оставалась немой и отказывалась отвечать. Нигде внутри нашей атмосферы нельзя было обнаружить никаких следов влияния движения Земли на оптические явления. В этом отношении особенно поразителен результат опыта А. Майкельсона. В этом опыте распространение света в направлении движения Земли сравнивается с распространением света поперек направления движения Земли[3]. Принцип опыта отличается столь необыкновенной простотой, а метод измерения такой чрезвычайной чувствительностью, что влияние движения Земли должно было бы обнаружиться совершенно явственно. Тем не менее ожидаемого действия не получается.
Ввиду больших трудностей и загадок, к которым такое положение вещей приводит теоретическую физику, вполне естественно является вопрос, не лучше ли будет попробовать подойти к проблеме светового эфира с совершенно другой стороны. Не окажется ли тогда, что неудача всех опытов, относящихся к механическим свойствам светового эфира, имеет принципиальное основание? Не окажется ли, что все изложенные нами вопросы о строении, плотности и упругих свойствах эфира, о продольных эфирных волнах, о связи между скоростью эфира и плоскостью поляризации, о скорости земной атмосферы по отношению к эфиру — не имеют с точки зрения физики никакого смысла? В таком случае попытки разрешить эти вопросы пришлось бы поставить рядом, например, с попытками построить perpetuum mobile. Здесь мы подошли к решающему поворотному пункту.
Гельмгольц в своей кенигсбергской речи, о которой я упомянул вначале, особенно подчеркивает то обстоятельство, что первым шагом к открытию принципа энергии послужило возникновение вопроса: какие соотношения должны существовать между силами природы, если построение perpetuum mobile следует признать невозможным? С таким же правом можно выставить утверждение, что первый шаг к открытию принципа относительности совпадает с вопросом: какие соотношения должны существовать между силами природы, если признать, что невозможно обнаружить в световом эфире какие-либо свойства вещества? К каким выводам приведет предположение, что световые волны распространяются через пространство без всякого посредства материального носителя? Конечно, в этом случае скорость движущегося тела по отношению к световому эфиру не только была бы недоступна измерению, но и вообще была бы понятием без определенного содержания.
Само собой понятно, что такой взгляд совершенно несовместим с механистическим мировоззрением, и тот, кто считает последнее постулатом физического мышления, никогда не помирится с теорией относительности. Люди же более свободные в своих суждениях прежде всего спросят, куда ведет нас названный принцип. Оказывается сейчас же, что данная нами чисто отрицательная формулировка нового принципа приобретает плодотворное содержание лишь при условии сочетания этого принципа с положительным основанием, заимствованным из опыта; в качестве такого основания лучше всего годятся упомянутые уже нами уравнения Максвелла-Герца для электродинамических процессов в свободном эфире, или, как теперь лучше говорить, в чистом вакууме. Действительно, между всеми срединами вакуум является самой простой, какую только можно себе представить, и сообразно с этим во всей физике, за исключением общих принципов, мы не знаем никаких других соотношений, которые касались бы явлений столь тонкой природы и вместе с тем были бы верны с такой точностью, как эти уравнения.
Однако, каждой новой истине приходится на первых порах бороться с известными трудностями, так как в противном случае она была бы открыта гораздо раньше. В теории относительности главное затруднение заключается в том, что следствие из нее приводит к коренному, можно даже сказать, революционному перевороту в нашем понятии о времени. Я позволю себе ближе выяснить этот кардинальный пункт на одном конкретном примере.
Согласно принципу относительности совершенно невозможно обнаружить в нашей солнечной системе путем измерений внутри ее какую-либо постоянную скорость всех составных частей ее. Такая скорость, сколь бы она ни была велика, по существу не могла бы, следовательно, никаким образом проявиться в каких-либо действиях внутри системы. Для астронома это положение не требует дальнейших пояснений, но и физик тоже должен освоиться с справедливостью его. Все образованные люди знают, что при наблюдении какого-либо особенного явления на некотором небесном теле, — например, на Солнце — это явление совершается на Солнце не в тот самый момент, в который оно воспринимается наблюдателем на Земле, но между явлением и наблюдением должно пройти некоторое время: промежуток, в течение которого свет проходит расстояние от Солнца до Земли. Если мы допустим, что Солнце и Земля оба находятся в покое, — движения Земли вокруг Солнца мы можем совершенно не принимать здесь во внимание, — то этот промежуток времени составит около восьми минут. Если же Солнце и Земля движутся с одинаковой скоростью, например, в направлении от Земли к Молнцу, так что Земля несеся к Солнцу, а Солнце с такой же скоростью уносится от Земли, то это время короче. Действительно, после того как световая волна, несущая Земле весть о происшествии на Солнце, покидает Солнце, она пробегает свой путь в междупланетном пространстве со скоростью света независимо от движения Солнца, Земля же идет навстречу вестнику, так что эта волна прибудет на Землю раньше, чем в том случае, если бы Земля ожидала прибытия ее, находясь в покое. Обратно, если Земля движется от Солнца, а Солнце следует за ней на одном и том же расстоянии, то время между моментом явления и моментом наблюдения будет более продолжительным.
Итак, если мы спросим, какой же промежуток протекает «в действительности» между явлением на Солнце и наблюдением на Земле, то такой вопрос совершенно равнозначащ с вопросом: какова же «действительная» скорость Солнца и Земли? Но так как, по принципу относительности, последний вопрос лишен всякого физического смысла, то это же самое следует сказать и относительно первого вопроса или, другими словами: показание времени имеет в физике определенный смысл лишь в том случае, если принято в расчет состояние скорости наблюдателя, для которого это показание должно иметь силу.
Это следствие, согласно которому величина, измеряющая время так же, как и скорость, может иметь лишь относительное значение, так что в случае двух не зависящих одно от другого событий в различных местах понятия «раньше» и «позже» для двух различных наблюдателей могут быть заменены одно другим, звучит весьма странно для нашего воображения и кажется чем-то совершенно неприемлемым! Но, быть может, не менее неприемлемым казалось пять веков тому назад утверждение, что направление, которое мы называем вертикальным, не обладает абсолютным постоянством, но за каждые двадцать четыре часа описывает в пространстве конус. Хотя во многих случаях требование наглядности является вполне законным, но иногда оно становится вредным препятствием, особенно для проникновения в науку новых великих идей. Несомненно, что множество плодотворных физических идей выросло на почве наглядных представлений, но не менее часто новые мысли, и притом не из худших, должны были завоевать себе место лишь в упорной борьбе с традиционными представлениями.
Каждый из нас, вероятно, хорошо еще помнит из своего детства, как трудно было для нашего детского воображения представить себе, что на земном шаре живут люди, обращенные к нам ногами, что эти люди не хуже нас расхаживают по земле, не падают с земного шара вниз головою и даже не испытывают неприятных приливов крови к голове. Но если кто-нибудь в настоящее время выставил бы недостаточную наглядность как существенный довод против относительного характера всех пространственных направлений, то он был бы, конечно, встречен насмешками. Я не уверен, что через пять веков после нас такая же судьба не постигнет того, кто вздумает тогда усомниться в относительном характере времени.
Масштаб для оценки новой физической гипотезы заключается не в наглядности ее, но в плодотворности. Если гипотеза оказывается плодотворной, то с ней осваиваются, и затем она постепенно сама собой приобретает известную степень наглядности. Когда электромагнитные действия были еще не вполне исследованы, господствовало убеждение, что для получения наглядного представления о гальваническом токе, электромагнитных силах и магнитных силовых линиях невозможно обойтись без образов текущей воды, гидравлических насосов и натянутых резиновых нитей. В настоящее же время электротехники в большинстве случаев не хотят вовсе знать этих несовершенных аналогий, предпочитая в своей работе пользоваться непосредственно электромагнитными представлениями, которые уже стали для них привычными. Мало того, иногда физики прибегают, наоборот, к электромагнитным аналогиям, чтобы придать бо́льшую наглядность сложным случаям токов в жидкостях, — например, гельмгольцевым вихревым движениям.
Что можно сказать в данном отношении о теории относительности? Она, несомненно, предъявляет силе воображения физиков чрезвычайно широкие требования, но зато методы ее удобны и универсальны и, что важнее всего, дают вполне определенные результаты, сравнительно легко формулируемые. Из пионеров в этой новой области на первом месте следует назвать Гендрика Антона Лоренца, который придумал понятие об относительном или «местном» времени[4] и ввел его в электродинамику, хотя и не развил его до слишком радикальных выводов, затем Альберта Эйнштейна, который первый нашел в себе достаточно смелости, чтобы провозгласить относительность всех показаний времени как универсальный постулат, и, наконец, Германа Минковского, которому удалось возвести теорию относительности на степень цельной математической системы.
Не случайно, конечно, что особенным интересом эти абстрактные проблемы пользуются со стороны математиков, которые преимущественно и занимаются разработкой их, особенно после того, как обнаружилось, что решающую роль в этой области играют совершенно такие же математические методы, какие были выработаны в четырехмерной геометрии. Но и свободные от предрассудков чистокровные экспериментальные физики отнюдь не враждебно настроены к этой теории: они спокойно выжидают дальнейшего развития ее, и вопрос о своем отношении к ней ставят в зависимость лишь от тех результатов, которые даст экспериментальная проверка. В этом отношении следует отметить, что, хотя число физических следствий, вытекающих из теории относительности, весьма велико, однако проверка их требует такой точности измерений, которая стоит у крайнего предела досягаемости экспериментальных инструментов. Это обусловливается прежде всего тем обстоятельством, что скорости тел, служащих нам для измерений, вообще чрезвычайно малы в сравнении со скоростью света. Самые быстрые движения мы встречаем у электронов; поэтому в области динамики электронов следует ожидать первых положительных и надежных результатов. С другой стороны, с течением времени сила инструментов возрастает, точность измерений повышается и проверка теории делается более тонкой и глубокой. В данном случае дело обстоит совершенно таким же образом, как и в приведенном нами сравнении с фигурой нашей планеты. Если бы радиус Земли не был столь велик в сравнении со всеми теми длинами, с которыми мы имеем дело в наших опытах, то шарообразная форма Земли и относительность всех пространственных направлений, несомненно, были бы признаны гораздо раньше.
Но значение этой дважды указанной мною аналогии между пространством и временем идет гораздо глубже. Это больше, чем аналогия, это — тождественность, по крайней мере в математическом смысле. Главным образом, Минковскому мы обязаны доказательством положения, что, если измерять величины времени надлежащей мнимой единицей, то три измерения пространства и единственное измерение времени входят в основные физические законы абсолютно симметрическим образом. Согласно этому, переход от одного пространственного направления к другому с математической и физической точки зрения совершенно равносилен переходу от одной скорости к другой, и учение об относительном значении всякого состояния скорости (Geschwindigkeitszustand) является лишь дополнением к учению об относительности всякого пространственного направления. Как последнее учение завоевало себе всеобщее признание лишь после долгой борьбы, так и первое учение должно будет еще выдержать жестокую борьбу, которая в настоящее время — благодарение небу! — уже не сопряжена с опасностью заточения и казни для поборников новых взглядов. Лучшее же средство — можно даже сказать, единственное средство — для ускорения окончательного решения состоит в том, чтобы возможно ближе проследить те выводы, к которым приводят новые идеи; с этой точки зрения я и прошу судить о моих нижеследующих соображениях.
По принципу относительности физический мир, доступный нашим наблюдениям, обладает четырьмя вполне равноценными измерениями, которые могут быть заменены одно другим. Три из них мы называем пространством, а четвертое временем; из каждого физического закона можно путем замены входящих в него мировых координат вывести три других закона.
Верховным законом физики, венцом всей этой системы является — по крайней мере на мой взгляд — принцип наименьшего действия, содержащий четыре мировые координаты в совершенно симметрическом расположении[5]. От этого центрального принципа расходятся по четырем направлениям симметрически в виде лучей четыре совершенно равнозначащих принципа, соответственно четырем измерениям мира; пространственным измерениям соответствует тройной принцип количества движения, временному измерению соответствует принцип энергии. Прежде было бы совершенно невозможно проследить глубокое значение и общее происхождение этих принципов столь глубоко, вплоть до самого корня.
Благодаря новым воззрениям вопрос об отношении механистического мировоззрения к энергетическому тоже получает новое освещение. В самом деле, как энергетическое мировоззрение основывается на начале сохранения энергии, так механистическое миропонимание основывается на принципе количества движения. Ведь три известные Ньютоновы уравнения движения представляют собой не что иное, как выражение принципа количества движения в применении к материальной точке: согласно этим уравнениям изменение количества движения равно импульсу силы, тогда как по принципу энергии оно равно работе силы. Оба эти мировоззрения, механистическое и энергетическое, страдают, следовательно, известной односторонностью, хотя первое имеет то существенное преимущество, что соответственно с векториальным характером количества движения оно дает три уравнения, энергетическое же дает всего лишь одно уравнение. Сказанное справедливо, понятно, не только для движения одной лишь материальной точки, но и вообще для всякого обратимого процесса из области механики, электродинамики и термодинамики.
Из количества движения или энергии движущегося тела можно также вывести величину его инертной массы, которая при таком способе рассматривания теряет свой элементарный характер и спускается на степень производного, вторичного понятия. Действительно, инертная масса тела получается этим путем не как постоянная, но как величина, зависящая от скорости[6], причем зависимость эта такого рода, что с возрастанием скорости тела до скорости света инертная масса возрастает беспредельно. Поэтому по теории относительности вообще невозможно довести скорость тела до величины, равной или превышающей величину скорости света. Впрочем, положение, что инертная масса тела не есть величина постоянная, но, строго говоря, зависит даже от температуры, вытекает совершенно помимо теории относительности уже из того обстоятельства, что каждое тело заключает внутри себя известное количество лучистой теплоты, зависящее от температуры; инерцию этой теплоты впервые определил Фриц Газенорль (Hasenöhrl).
Теперь является неизбежный вопрос: коль скоро понятие о материальной точке, которое до сих пор все считали основным, теряет свойство постоянства и неизменяемости, то что же, собственно, остается субстанциального? где же те неизменяемые строительные элементы, из которых сложено все физическое здание мира? На это можно ответить следующее: неизменяемыми элементами системы физики, основанной на принципе относительности, являются так называемые универсальные постоянные: прежде всего скорость света в вакууме, электрический заряд и покоящаяся масса электрона, полученное из теплового излучения «элементарное количество действия», которое играет, вероятно, фундаментальную роль и в химических явлениях, постоянные тяготения и еще многие другие. Эти величины обладают реальным значением постольку, поскольку их значения независимы от свойств, точки зрения и «состояния скорости» наблюдателя. Нужно, впрочем, иметь в виду, что здесь еще многое подлежит детальному выяснению. Если бы мы были в состоянии дать удовлетворительный ответ на все подобные вопросы, то физика не была бы более индуктивной наукой, каковой она, наверное, останется навсегда.
Уже из этих немногих замечаний можно видеть, что принцип относительности отнюдь не имеет исключительно разрушительного и разлагающего характера, но в несравненно более высокой степени несет с собой элементы порядка и созидания: он отбрасывает в сторону лишь форму, которая и без того уже разрушена под напором непрекращающегося расширения науки. На место старого здания, ставшего слишком тесным, он воздвигает новое, более просторное и прочное здание, которое вмещает в себе все сокровища старого, — разумеется, также и всю изображенную мною атомистику, в измененной и более удобной группировке, — и заблаговременно оставляет определенное место для тех сокровищ, которые мы вправе ожидать от будущего. Он удаляет из мировой картины физики несущественные элементы, привнесенные лишь случайными чертами наших человеческих воззрений и привычек, и благодаря этому очищает физику от антропоморфических ингредиентов, возникающих из индивидуальных особенностей физиков; как я пытался доказать в другом месте, совершенное удаление этих ингредиентов составляет настоящую цель всякого физического познания. Перед исследователем, ощупью пробирающимся вперед, открывается величественная перспектива в необозримую даль; в ней открываются такие зависимости, о которых в прежние периоды не могли иметь даже никакого представления; они должны были оставаться чуждыми даже для законченной по своей форме механики Генриха Герца. Всякий, кто взял на себя труд углубиться в логику этих новых воззрений, долго не сумеет освободиться от исходящего от них очарования; вполне понятно, что художественную натуру безвременно отнятого от науки Германа Минковского они зажгли ярким пламенем энтузиазма.
Но физические вопросы разрешаются не с эстетических точек зрения, а путем опытов, которые всегда требуют прозаической, утомительной, терпеливой и кропотливой работы. И высокое физическое значение принципа относительности сказывается как раз в том, что на целый ряд физических вопросов, которые раньше оставались в полной темноте, он дает совершенно точный ответ, который можно проверить с помощью опытов. Поэтому принцип следует ценить по меньшей мере как чрезвычайно плодотворную рабочую гипотезу в полную противоположность механическим гипотезам о световом эфире. Наиболее горячий бой завязался теперь в области динамики электронов, которая сделалась доступной для более тонких наблюдений благодаря открытию электрического и магнитного отклонения свободно летящих электронов. В различных лабораториях независимо друг от друга усердно работают опытные исследователи и искусные экспериментаторы. Вначале казалось, что результаты измерений противоречат принципу относительности, тогда как в настоящее время стрелка весов, по-видимому, опять склоняется в пользу нашего принципа; тем с большим нетерпением должны мы ожидать исхода этой борьбы!
Глаза множества физиков и друзей физики обращены на эти фундаментальные опыты, и точно так же наше Общество выразило свой интерес к ним, уделив часть доходов с капитала имени Тренкле в пользу экспериментального исследования такого рода. Будем надеяться, что и оно окажет существенное содействие для разрешения этой проблемы.
К чему бы ни привело ожидаемое решение, — выдержит ли принцип относительности это испытание, или же мы должны будем отказаться от него, действительно ли мы находимся у порога совершенно нового воззрения на природу, или же и новые успехи не выведут нас из темноты, — ясность должна быть достигнута во всяком случае и какой бы то ни было ценой. Даже разочарование, если только оно основательное и окончательное, означает шаг вперед, и жертвы, с которыми сопряжен отказ от принятой теории, щедро окупятся сокровищами вновь приобретенного знания. Смею думать, что эти слова вполне соответствуют духу нашего Общества, которому нужно вменить в особую заслугу, что оно никогда не связывало себя наперед установленным научным маршрутом и решительно отклоняло всякие попытки в этом направлении. Мы не должны сомневаться, что так останется и в будущем, и что наш лозунг как в физике, так и во всем естествознании будет неустанно вести нас вперед к свету истины, что бы нас ни ожидало.
Примечания[править]
- ↑ См. статью А. Иоллоса в №№ 520 и 521 «Вестника».
- ↑ См. О. Лодж «Мировой эфир». «Вестник», №№ 512, 514, 515, 516, 518, 520, 522 и 523.
- ↑ См. «Мировой эфир» проф. О. Лоджа в № 520 «Вестника».
- ↑ См. статью Г. Пуанкаре «Новая механика» в № 505 «Вестника».
- ↑ Так как принцип наименьшего действия обыкновенно выражается интегралом времени, то может показаться, что в этом заключается некоторое предпочтение времени (перед другими координатами). Однако эта односторонность лишь кажущаяся и обусловлена способом обозначения. Действительно, «количество действия» (Wirkungsquantum — величина, вариация которой становится равной нулю) какого-либо физического явления представляет собою инвариант по отношению ко всем лоренцевым преобразованиям.
- ↑ См. цитированную статью Пуанкаре.