|
О статье Пуанкаре «Измерение времени» и статье Эйнштейна
«К электродинамике движущихся тел»
(историко-методические заметки)
Автор:А.Н. Малинин
Липецкий государственный педагогический университет
Статья А. Пуанкаре «Измерение времени» [1, с.419-425] была опубликована в 1898 г., т.е. за 7 лет до статьи А. Эйнштейна 1905 г. «К электродинамике движущихся тел» [2, с.7-35], в которой последовательно и системно был предложен первый, квазиклассический по форме вариант теории относительности (здесь и далее имеется ввиду СТО – специальная теория относительности). То же, и несколько больше [5, с.43; с.63] было сделано в 1906 г. Пуанкаре в обширной статье «О динамике электрона» [1, с.433-486] (её анонс вышел в 1905 г.[1, с.429-432]).
Представляет интерес выяснить, предвосхищает ли по существу содержание статьи Пуанкаре «Измерение времени» построение теории относительности Эйнштейном в названной выше его статье 1905 г. Тем более, что в последней вообще нет никаких ссылок (как принято в научных статьях) на предшествующие работы других авторов по той же тематике.
В последующих своих статьях по теории относительности Эйнштейн ссылается только на Г.А. Лоренца (особенно в статье 1910 г. «Принцип относительности и его следствия» [2, с.152]), но нигде не упоминает имени Пуанкаре (за исключением статьи 1906 г. «Закон сохранения движения центра тяжести и инерции энергии», где Эйнштейн, основываясь на своей работе 1905 г., получил закон связи энергии и массы и заметил, что формальное рассмотрение этого вопроса содержится в работе Пуанкаре (1900 г.!) [2, с.39].
Во всех отечественных учебниках физики (как вузовских, так и школьных) авторство в создании теории относительности, как правило, приписывается исключительно Эйнштейну (следуя статье последнего 1905 г.), игнорируя имена Лоренца, Пуанкаре, Минковского, сводя известные работы последнего 1907-1908 гг. ко всего лишь геометрической иллюстрации (или интерпретации) эйнштейновой схемы теории относительности. Исключение составляют только лекции по теории относительности и гравитации академика А.А. Логунова, где прямо указывается, что релятивистская механика была построена Пуанкаре [5, с.63], а релятивистская схема Минковского с его мировым постулатом адекватно выражает подлинную сущность теории относительности и её содержание [5, с.25]. То же показано и в монографии А.А. Сазанова [6]. Наконец, ещё в 1953 г. в учебном зарубежном издании по теории относительности крупный специалист в области релятивистской физики Дж. Синг (ряд его книг переведены на русский язык) построил изложение основ теории относительности только по Минковскому [7] (к сожалению, эта книга не была переведена на русский язык).
Главным редактором солидного российского журнала «Успехи физических наук» долгие годы был академик В.Л. Гинзбург, отстаивавший ортодоксальный взгляд на то, что основным создателем теории относительности был Эйнштейн [9, с.116-143]. Он явно следовал В.Паули [10, с.13] и академику Л.И. Мандельштаму, утверждавшему в своих лекциях по теории относительности: «В работе Эйнштейна (1905г. – А.М.), несмотря на ее скромное название, заключена вся специальная теория относительности, и в дальнейшем сюда не было добавлено ничего принципиально нового» [11, с.86].
В 2012 г. в методических заметках журнала «Успехи физических наук» появилась статья В.А. Алешкевича «О преподавании специальной теории относительности на основе современных экспериментальных данных», в которой впервые в отечественной литературе был дан следующий исторический экскурс (вряд ли его одобрил бы В.Л. Гинзбург): «В 1898 г. А. Пуанкаре опубликовал в философском журнале статью «Измерение времени» [1, с.419-425] (по моему списку литературы – А.М.), посвященную вопросам одновременности. В этой работе были практически изложены все основные положения СТО. Со статьей Пуанкаре был знаком его близкий друг профессор Цюрихского технологического института Г. Минковский, порекомендовавший своему ученику (скорее студенту – А.М.) А. Эйнштейну изучить эту работу. Спустя почти 7 лет, в 1905 г. Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел» [2, с.7-35] (по моему списку литературы – А.М.), в которой была изложена СТО в ее современном виде. Однако ссылка на работу Пуанкаре в ней отсутствовала (всё выделено мной – А.М.)» [12, с.1302].
Однако в речи, произнесенной Эйнштейном в Университете Киото 14 декабря 1922 г. в связи с вопросом «Как создавалась теория относительности» [13, с.5-9], Эйнштейн не упоминает о своем знакомстве со статьей Пуанкаре «Измерение времени» при создании им СТО, а говорит о том, что ему была известна только одна работа Лоренца 1895 г. (об опыте же Майкельсона – Морли он узнал значительно позже 1905 г.).
Об истории создания СТО имеется обширная литература с диаметрально противоположными мнениями авторов, но поскольку этот вопрос не связан с целью данной статьи – сопоставить содержательные и методологические аспекты названных выше двух статей Пуанкаре и Эйнштейна, то здесь не даются ссылки на подобные источники.
Статья Пуанкаре «Измерение времени» посвящена проблеме понятия времени и определения одновременности, с которой Эйнштейн в своей работе 1905 г. начинает построение теории относительности. Здесь Эйнштейн пишет: «Желая описать движение какой-нибудь материальной точки, мы задаем значения ее координат как функций времени. При этом следует иметь ввиду, что подобное математическое описание имеет физический смысл только тогда, когда предварительно выяснено, что́ подразумевается здесь под «временем». Мы должны обратить внимание на то, что все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях» [2, с.8].
Эйнштейн далее ставит вопрос о том, как «связать друг с другом во времени ряды событий, протекающих в различных местах, или, что сводится к тому же, установить время для тех событий, которые происходят в местах, удаленных от часов» [2, с.9].
По существу о том же самом, но подвергая скептическому сомнению, писал в своей статье Пуанкаре: «В 1572 году Тихо Браге обнаружил на небе появление новой звезды. Взрыв огромной силы произошел на каком-то очень удаленном небесном светиле, но произошел много раньше, и потребовалось по меньшей мере две сотни лет, прежде чем свет от этой звезды дошел до Земли. Следовательно, этот взрыв предшествовал открытию Америки.
Итак, когда я говорю это, когда я рассматриваю это гигантское явление, которое может быть не имело ни одного свидетеля, … когда я говорю, что это явление произошло раньше формирования зрительного образа острова Эспаньола в сознании Христофора Колумба, что я хочу этим сказать?
Самого простого рассуждения достаточно для того, чтобы понять – все эти утверждения сами по себе не имеют никакого смысла.
И они могут иметь его лишь при некоторой договоренности (всё выделено мной – А.М.)» [1, с.423].
О чем идет речь в этом тексте статьи Пуанкаре? О том, что наблюдатель не в состоянии узнать по своим часам, когда свершилось некое воспринимаемое им посредством световых сигналов удаленное от него событие. При этом утверждение, что оно произошло на какой-то промежуток времени раньше некоторого события у наблюдателя не имеет объективно-физического смысла (поскольку экспериментальным способом установить это невозможно). Поэтому Пуанкаре заключает, что только путем договоренности (условного соглашения) можно придать некоторый смысл понятию времени удаленного от наблюдателя события или, иначе, понятию одновременности пространственно разделенных событий.
Далее Пуанкаре пишет: «Чтобы понять определение, неявно принятое учеными, посмотрим, как они его получают, следуя каким правилам вводят одновременность…
Когда астроном мне говорит, что какое-то звездное явление, которое он видит в настоящее время в телескоп, произошло уже 50 лет тому назад, я пытаюсь понять, что́ он хочет этим сказать, и я его спрашиваю сначала, откуда он это знает, т.е. как он измерил скорость света.
Он начал с того, что принял скорость света постоянной и, в частности одинаковой во всех направлениях. Это и есть постулат, без которого нельзя было бы предпринять никакого измерения этой скорости. Данный постулат никогда не может быть проверен на опыте…
Во всяком случае, этот постулат, согласующийся с законом достаточного основания, принят всеми (всё выделено мной – А.М.)» [1, с.426-427].
В статье Эйнштейна 1905 г. об определении понятия одновременности читаем: «Если в точке А пространства помещены часы, то наблюдатель, находящийся в А, может устанавливать время событий в непосредственной близости от А путем наблюдения одновременных с этими событиями положений стрелок часов (такая одновременность очевидна и не требует каких-либо определений – А.М.). Если в другой точке В пространства также имеются часы (мы добавим: «точно такие же часы, как в точке А»), то в непосредственной близости от В тоже возможна временна́я оценка событий находящимся в В наблюдателем. Однако невозможно без дальнейших предположений сравнивать во времени какое-либо событие в А с событием в В (выделено мной – А.М.); мы определили пока только «А-время» и «В-время», но не общее для А и В «время» (выделено мной – А.М.) Последнее можно установить, вводя определение, что «время», необходимое для прохождения света из А в В, равно «времени», требуемому для прохождения света из В в А. Пусть в момент по «А-времени» луч света выходит из А в В, отражается в момент по «В-времени» от В к А. и возвращается назад в А в момент по «А-времени». Часы в А и В будут идти, согласно определению (выделено мной – А.М.), синхронно (т.е. одинаковые показания часов в А и В окажутся одновременными – А.М.), если » [2, с.9].
Что можно заключить, сравнивая приведенные выше тексты статьи Пуанкаре 1898 г. и статьи Эйнштейна 1905 г.? Во-первых то, что эйнштейново определение одновременности нельзя считать, как это обычно утверждается в учебниках физики, исключительно предложением Эйнштейна – оно по существу повторяет то, о чем писал Пуанкаре задолго до Эйнштейна.
Так, в своих лекциях по теории относительности академик Л.И. Мандельштам (эти лекции читались на физическом факультете МГУ в 1933-34г.г.) говорил: «То, что понятие одновременности нуждается, как это указал Эйнштейн, в определении, а не дано свыше, – это шаг, которого взять обратно не сможет никто» [11, с.177]. Да, оно действительно нуждается в определении, и на это впервые указал до Эйнштейна и обстоятельно аргументировал Пуанкаре ( в лекциях Мандельштама даже не упоминается его имени).
Но дело ещё в том, что понятие одновременности не является в теории относительности существенным [5, с.33], и поэтому без него можно даже вообще обойтись [14, с.68]. Более того, согласно теории относительности никакой объективно-физической одновременности нет и быть не может, о чем прямо заявляет крупный специалист в области релятивистской физики Дж. Синг [8, с.85].
Обстоятельный анализ понятия одновременности в теории относительности еще в 1928 г. провел Г. Рейхенбах и показал неоднозначность, условно-дефинитный и координатный характер этого понятия [15, с.144; 147], то, что оно следует только принципу причинности (это подчеркивал и Мандельштам [1, с.182]) и ничем физически не предопределяется. Поэтому здесь наличиствует в рамках соблюдения принципа причинности некоторый произвол.
Именно на это заострял внимание в своей статье 1898 г. Пуанкаре. Он подчеркивал: «Нет общего правила (т.е. способа определения одновременности – А.М.); нет правила строгого; есть множество частных правил, применяемых в каждом отдельном случае» [1, с.428].
На наличие произвола в определении понятия одновременности указывал и Эйнштейн в одной из своих статей по теории относительности 1911 г. [2, с.181]. Но Пуанкаре первым заметил, что есть еще один методологический принцип выбора определения одновременности из всех возможных определений, – принцип простоты. В завершении своей статьи он резюмировал: «Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка законов природы была бы настолько простой, насколько это возможно. Другими словами, все эти правила, все эти определения являются лишь плодом неосознанного соглашения (выделено мной – А.М.)» [1, с.428].
В отличие от статьи 1905 г. в ряде своих последующих работ Эйнштейн явно связывал вопрос об одновременности разноместных событий с отрицанием мгновенного действия на расстояние (мгновенного сигнала) и утверждал, что не имеет объективного смысла понятие момента «сейчас» для окружающего нас мира (то же фактически утверждается и в статье Пуанкаре 1898г.).
Так, в статье 1949 г. «Творческая автобиография» Эйнштейн, акцентируя, окончательно установленные истины, которым физика обязана частной теории относительности, писал: «Одновременности отдалённых событий не существует; значит, нет и непосредственного дальнодействия в смысле ньютоновой механики» [3, с.153].
Наконец, в работе Эйнштейна 1952 г. (!) «Относительность и проблема пространства» однозначно сказано: «…для пространственно протяженного мира понятие «сейчас» теряет свой объективный смысл»[4, c.753].
В статье 1905 г. Эйнштейн сформулировал два постулата [2, с.10], названые им соответственно «принципом относительности» и «принципом постоянства скорости света». Первый выдвинул Пуанкаре в 1905 г. в анонсе своей статьи 1906 г. «О динамике электрона» [1, с.428], а о втором постулате идет речь в его статье 1898 г. «Измерение времени». Пуанкаре прямо утверждал, что последний непосредственно связан с вопросом определения понятия одновременности и касается проблемы измерения скорости света.
Именно, если принять в качестве постулата постоянство скорости света в пустоте, то автоматически получается эйнштейново определение одновременности. Этот постулат, как и связанное с ним определение условно-координатной одновременности, ведет к формально наиболее простым соотношениям теории относительности и соответствующей ей механики. Однако из-за того, что он имеет характер соглашения (в известных пределах произвольного определения), он не затрагивает сущности теории относительности.
Литература
Пуанкаре, А. Избранные труды: в 3-х томах / А.Пуанкаре. – М.: Наука, 1974. –Т. 3. –772с.
Эйнштейн, А. Собрание научных трудов: в 4-х томах / А. Эйнштейн. – М.: Наука, 1965. –Т. 1. –700с.
Эйнштейн, А. Физика и реальность: Сборник статей / А. Эйнштейн. – М.: Наука, 1965. –360с.
Эйнштейн, А. Собрание научных трудов: в 4-х томах / А. Эйнштейн. – М.: Наука, 1966. –Т. 2. –879с.
Логунов, А.А. Лекции по теории относительности и гравитации: Современный анализ проблемы / А.А. Логунов. – М.: Мир, 1987. –272с.
Сазанов, А.А. Четырехмерный мир Минковского / А.А. Сазпнов. – М.: Наука, 1988с.
Synge, J. L. Relativity: The special theory / J. L. Synge. – Amsterdam: North. Holland Publishng Company, 1956. – 450 p.
Синг, Дж. Беседы о теории относительности / Дж. Синг. – М.: Мир, 1973. – 168с.
Угаров, В.А. Специальная теория относительности / В.А. Угаров. – М.: Просвещение, 1977. – 384с.
Паули, В. Теория относительности / В. Паули. – 300с.
Мандельштам, Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике / Л.И. Мандельштам. – М.: Наука, 1972. – 440с.
Алешкевич, В.А. О преподавании специальной теории относительности на основе современных экспериментальных данных // Успехи физических наук, 2012. –Т. 182. – №12. –С. 1301-1318.
Эйнштейн, А. Как создавалась теория относительности // Эйнштейновский сборник, 1980-1981. – М.: Наука, 1985. –С. 5-9.
Бёрке, У. Пространство- время, геометрия, космология / У. Бёрке. – М.: Мир, 1985. –416с.
Рейхенбах, Г. Философия пространства и времени / Г. Рейхенбах. – М.: Прогресс, 1985. –344с.
|
16.01.2017, 00:46 