Курс истории физики - Кудрявцев Степанович

Введение «светйносного эфира» окажется при этом излишним, поскольку в предлагаемой теории не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделенное особыми свойствами, а также ни одной точке пустого пространства, в котором протекают электромагнитные процессы, не приписывается какой-нибудь вектор скорости».

Рис.52. Титульный лист 17 номера, в которой была помещена статья Эйнштейна

Эйнштейн указывает далее, что теория развивается «на кинематике твердого тела, так как суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами. Недостаточное понимание этого обстоятельства является корнем тех трудностей, преодолевать которые приходится теперь электродинамике движущихся тел».

Мы привели почти целиком введение Эйнштейна к его классической работе «К электродинамике движущихся сред». В нем очень ясно и четко изложены основные идеи этой работы, отличающие ее коренным образом от всех предшествующих работ по электродинамике движущихся сред. Во главу угла ставится принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Упраздняется «светоносный эфир», без которого не могли обойтись ни Максвелл, ни Герц, ни Лармор, ни Лоренц, ни Пуанкаре. И наконец, указывается, что всякая физическая теория основана на соотношениях между твердыми телами, часами и электромагнитными процессами (здесь Эйнштейн имеет в виду распространение света).

Однако Эйнштейн ни слова не говорит о своих предшественниках. Что он читал по электродинамике движущихся сред? Какие неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли он имеет в виду? Что он имеет в виду, когда говорит о том, что принцип относительности уже доказан «для величин первого порядка»? Ответить на эти вопросы трудно. Во всей статье Эйнштейна нет ни одной ссылки на литературу. Позднее Эйнштейн утверждал, что он не знал об опыте Майкельсона, когда писал свою работу. Но если он читал работу Лоренца 1895 г., где доказан принцип относительности первого порядка, о чем он здесь упоминает, то он не мог не знать об опыте Майкельсона. Эйнштейн указывал, что он думал над проблемой теории относительности десять лет, начав размышлять еще шестнадцатилетним юнцом. Эти долгие размышления и были главным источником работы. Эйнштейн указывал, что на него наибольшее влияние из опытных фактов оказали во время этих размышлений аберрация и опыты по измерению скорости света в движущейся воде. Этого было, по его мнению, достаточно.

Следует отметить, что все новые работы Эйнштейна изложены так, что производят впечатление здания, построенного на пустыре: никаких ссылок, никаких указаний на работы предшественников. Публикуя работы по статистической физике, Эйнштейн не знает о существовании статистики Гиббса, публикуя статью по теории броуновского движения, Эйнштейн не знает, что такое движение действительно существует. Поэтому вполне вероятно, что он не знал об опыте Майкельсона и основополагающей работе Лоренца. Но вместе с тем его введение не оставляет сомнения в том, что ему были известны отрицательные результаты попыток обнаружить движение Земли, существование принципа относительности первого порядка. Наконец, его заявление об эфире показывают, что он выступает против концепции абсолютного неподвижного пространства и, таким образом, присоединяется к точке зрения Маха, критикующего эту концепцию Ньютона.

Все это показывает, что у Эйнштейна были предшественники, о результатах исследований которых он так или иначе был осведомлен. При всей новизне и оригинальности подхода работа Эйнштейна была органически связана с исследованиями по электродинамике движущихся тел, что подчеркнул и сам Эйнштейн не только заглавием, но и целевой установкой своей статьи. Статья Эйнштейна появилась вовремя, она отвечала насущным вопросам физики своего времени.

Статья Эйнштейна состоит из двух частей. Первая, кинематическая часть составляет основы новой теории пространства и времени, вторая часть — электродинамическая — содержит применение теории относительности к электродинамике движущихся тел.

Кинематическая часть начинается с определения одновременности. Эйнштейн описывает метод синхронизации разделенных пространственно часов с помощью световых сигналов, приводящий к определению понятий «одновременность» и «время».

Следует отметить, что метод синхронизации часов с помощью световых сигналов был предложен А. Пуанкаре в 1900 г. Часы, синхронизированные таким образом, показывают, по мнению Пуанкаре, не «действительное», а «местное» время t`=t - (vx)/(c)2

Это различие «местного» и «действительного» времени указывает на непоследовательность Пуанкаре в трактовке времени и отличает эту трактовку от трактовки Эйнштейна. У Эйнштейна нет никакого «действительного» времени, отличного от времени, определенного синхронизированными часами. В этом пункте он категорически порывает с концепцией абсолютного времени Ньютона, текущего «само по себе».

Дальнейшую свою теорию Эйнштейн развивает на основе двух постулатов:

«1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся.

2. Каждый луч света движется в «покоящейся» системе координат с определенной скоростью V независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом».

Эти постулаты: принцип относительности и принцип постоянства скорости света—являются основой теории относительности Эйнштейна. Исходя из них, Эйнштейн получает относительность длин и относительность одновременности. Эйнштейн выводит далее из этих постулатов формулы преобразования координат и времени, которые, по предложению Пуанкаре, называются преобразованиями Лоренца, хотя исторически их вернее назвать преобразованиями Лармора — Эйнштейна. Лармор впервые постулировал их в 1900 г. Эйнштейн впервые вывел их в 1905 г. В обозначениях Эйнштейна эти формулы имеют следующий вид:

где х, у, z, t— координаты и время точки в покоящейся системе (покоящейся системой Эйнштейн называет систему, в которой справедливы законы Ньютона), ξ, η, ζ, τ —координаты и время в системе, движущейся равномерно и прямолинейно вдоль оси х со скоростью v.

Из этих преобразований получаются сокращение масштабов и замедление хода часов. Сокращения Лоренца- фицджеральда получаются автоматически, как свойство пространства и времени, а не как результат действия каких-то сил, как в теории Лоренца.

Далее Эйнштейн получает закон сложения скоростей:

Для случая, когда составляющие скоростей v и w параллельны друг другу и параллельны оси х, формула принимает вид:

Отсюда следует, что при сложении результирующая скорость и всегда меньше скорости света V и что скорость света, сложенная с любой скоростью, дает одно и то же значение V.

Во второй части статьи Эйнштейн находит уравнения преобразования для компонент электрического и магнитного поля, закон аберрации и принцип Доплера. Статья заканчивается очерком динамики слабо ускоренного электрона. Здесь Эйнштейн приводит выражения для продольной и поперечной массы и законы движения электрона в электрическом и магнитном полях.

К статье 1905 г. примыкает небольшая заметка, опубликованная в 18-м томе «Annalen der Physik» за тот же 1905 г. Заметка называется «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии». Эйнштейн приходит к выводу, что при испускании телом энергии L его масса уменьшается на L/(v)2 Отсюда он делает вывод весьма общего характера: «Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии; если энергия изменяется на величину L, то масса меняется соответственно на величину L/(9-1020), причем здесь энергия измеряется в эргах, а масса в граммах».

Так впервые появляется у Эйнштейна знаменитое соотношение между массой и энергией, которое сегодня обычно записывается формулой

Этот результат был получен Эйнштейном при рассмотрении излучения. «Если теория соответствует фактам, — говорит Эйнштейн в заключение, — то излучение переносит энергию между излучающими и поглощающими телами».

В 1906 г. Эйнштейн выступил со статьей «Закон сохранения движения центра тяжести и инерция энергии». Здесь он обосновывает соотношение между массой и энергией с помощью мысленного эксперимента. В пустом ящике имеются два одинаковых тела: излучатель и приемник. При излучении телом, находящимся у левой стенки ящика А, света на стенку будет действовать реакция светового давления, в результате которой ящик массой М движется со скоростью — 1/V*S/M,

где S — излучаемая энергия, V— скорость света. Ящик движется с этой скоростью до тех пор, пока энергия S не поглотится телом В у противоположной стенки. За это время ящик передвинется влево на расстояние 5= (1/V)*(S/M)*(a/V) где a - расстояние АВ