Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки - Ирина Львовна Радунская

обширными познаниями в математике и физике, в философии и технике и даже в социологии и медицине. Он обладал выдающейся способностью выслушивать собеседника и воспринимать новые идеи, иногда высказывая сомнения или уточняя детали. Эйнштейн считал его идеальным резонатором идей. Он делился с ним мыслями о роли принципа относительности в физике, и Бессо первый оценил их революционное значение. Он указал Эйнштейну на ряд неясностей, побуждая его вновь и вновь шлифовать аргументацию. Так родилась знаменитая статья «К электродинамике движущихся тел». Эта статья кончается фразой: «В заключение отмечу, что мой друг и коллега М. Бессо явился верным помощником при разработке изложенных здесь проблем и что я обязан ему за ряд ценных указаний».

Но верный помощник не мог следовать дальше по пути, избранному Эйнштейном. Он, как и все другие, убоялся огромных трудностей, обширных, но туманных перспектив, мешавших решить, куда нужно направить следующий шаг. Путь этот начался с вопроса, возникшего сразу после осознания всеобщего значения принципа относительности. Принцип относительности верен для всех явлений природы, но почему он справедлив только для тел, движущихся прямолинейно и равномерно? Почему он теряет силу, как только тело испытывает ускорение? Почему скорость всегда связана с относительным движением различных тел, а ускорение может быть измерено внутри движущегося тела без всякой связи с другими телами и поэтому должно считаться абсолютным?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, требовалось создать новую теорию, способную примирить относительность равномерных движений с абсолютным характером ускоренных движений. Причем математические формулы новой теории должны быть такими, чтобы при отсутствии ускорения они переходили в формулы прежней теории, математическим воплощением которой являются преобразования Лоренца. Эйнштейн ставил перед будущей теорией еще одну задачу. Она должна учитывать и объяснить важнейший факт, остававшийся непонятным со времен Галилея, — факт, вошедший в законы механики Ньютона, но не объясненный, не понятый ни этим титаном, ни его последователями. Этим фактом является глубокая общность ускорения и тяготения. Эквивалентность тяжелой и инертной массы каждого тела, проявляющаяся в том, что все тела падают с одинаковым ускорением. Что же таится за этим многозначительным совпадением?

Жребий брошен

Обдумывая все многообразие фактов, даваемых опытом, и вопросы, недоступные существующим теориям, в том числе его теории относительности, Эйнштейн хотел создать всеобъемлющую теорию, замкнутую в себе. Это значит, что теория должна описывать все факты, входящие в область ее применимости, и предсказывать новые явления. Только таким путем — в духе Ньютона — можно проверять справедливость теории.

Величественная задача. Задача величайшей трудности. Десять лет Эйнштейн отдал размышлениям над этими вопросами. Выводы накапливались медленно, мучительно. Эйнштейн не сообщил ни в своих трудах, ни в автобиографических заметках, когда он понял, что нужно идти дальше. Но уже через два года после формулировки принципа относительности как основного свойства законов природы в неускоренных системах, после разработки теории относительности и ее первых триумфов он в статье «О принципе относительности и его следствиях», поступившей 4 декабря 1907 года в редакцию «Ежегодника радиоактивности и электроники», спрашивает читателя: «Можно ли представить себе, что принцип относительности выполняется и для систем, движущихся относительно друг друга с ускорением?» И продолжает: «Правда, пока еще нет возможности подробно обсуждать здесь этот вопрос. Но поскольку этот вопрос должен возникнуть перед каждым, кто следил за применениями принципа относительности до настоящего времени, я не могу не высказать здесь своего мнения на этот счет».

Эйнштейн снова увлекает читателя в неведомое. Он предлагает рассмотреть две системы: одну, движущуюся с постоянным ускорением, и другую — неподвижную, но находящуюся в однородном, то есть повсюду одинаковом поле тяжести. Первая система, подверженная постоянному ускорению, одинаково ускоряется по отношению к любым телам, свободным от внешних воздействий. Во второй системе все свободные тела ускоряются одинаково, падая в поле тяжести. Это общеизвестный опытный факт, впервые установленный Галилеем. Значит, обе системы ведут себя одинаково относительно всех свободных тел, или, точнее, свободные те-телаведут себя одинаково по отношению к этим системам.

Так возникает первый ответ: наблюдение за поведением свободных тел не позволяет отличить равномерно ускоренное движение от действия однородного поля тяжести. И первый вывод:«…в дальнейшем мы будем полагать полную физическую равноценность гравитационного поля и соответствующего ускорения системы отсчета. Это предположение распространяет принцип относительности на случай равномерно ускоренного прямолинейного движения системы отсчета».

Жребий брошен. Первый шаг сделан. За ним последуют годы трудов и мучительных размышлений.

Прежде чем идти дальше, заметим, что Эйнштейн показал только эквивалентность однородного поля тяжести и равномерно ускоренного прямолинейного движения. Вопрос о неоднородном поле тяжести и неравномерном или непрямолинейном движении остался открытым.

Теперь нужно определить, как следует формулировать законы природы, если система движется с постоянным ускорением или испытывает действие поля тяжести, не изменяющего в пространстве. Можно ли записать законы природы на языке математики так, чтобы их вид не подвергался изменениям при равноускоренных движениях в однородных гравитационных полях. Будет ли эта запись отличаться от той, к которой привела его теория относительности? Естественным кажется отрицательный ответ. Ведь мы знаем законы природы, пригодные в поле тяжести Земли. Они не позволяют предполагать что-либо неожиданное. Но, присмотревшись внимательнее, мы заметим, что все наблюдения осуществлялись в очень узком интервале, когда расстояние от места наблюдения до центра Земли изменялось только на несколько километров, примерно на 1/1000 часть земного радиуса. При этом потенциал поля тяжести, характеризующий энергию тела в гравитационном поле Земли, меняется незначительно.

Анализ показывает, что при таких малых изменениях что-либо заметить очень трудно. Но если измерять точно или производить измерения на сильно различающихся высотах, то влияние изменения поля тяжести станет заметно. Так, например, на высоте 10 км часы идут быстрее, чем на поверхности Земли, примерно на одну десятимиллиардную часть. Секунда на вершине Эвереста почти на одну десятимиллиардную долю короче, чем у поверхности океана. Сейчас, после изобретения атомных часов, это подтверждено с большой точностью. В 1907 году о таком опыте нельзя было и мечтать. Но Эйнштейн нашел более доступную возможность проверки: он оценил, что часы на поверхности Солнца, из-за огромной силы тяжести, действующей там, должны идти на две миллионные доли медленнее, чем на поверхности Земли. Для проверки предсказания можно использовать в качестве часов атомы и сравнить длину волны света, испускаемого ими на Земле и на Солнце (надо рассчитать и измерить сдвиг спектральных линий атомов на Солнце по отношению к спектральным линиям тех же атомов на Земле). Однако в то время и такое измерение было весьма трудным.

Эйнштейн нашел еще одно следствие, вытекающее из распространения принципа относительности на ускоренные системы и на поле тяготения. Он показал, что