М. Вертгеймер. Эйнштейн: путь к теории относительности

М. Вертгеймер. Эйнштейн: путь к теории относительности
Добавлено
08.02.2007

Каковы были решающие этапы в развитии эйнштейновской теории относительности? Хотя это довольно трудная задача, я постараюсь сделать их понятными для читателя. Из обсуждения будет исключен ряд вопросов, например проблема эфира, связь с принципом «относительности» Галилея. Область, с которой столкнулся Эйнштейн в ходе титанического процесса мышления, оказалась очень широкой, поскольку она охватывала большинство фундаментальных проблем современной физики — трудные вопросы, неведомые тем, кто не знаком со сложностями современной физики. Хотя следующий далее набросок и будет по необходимости сжатым, я надеюсь, что читатель сможет понять характер этих решающих этапов.

То были удивительные дни, когда начиная с 1916 г. мне посчастливилось, сидя наедине с Эйнштейном в его кабинете, часами слушать рассказ о тех драматических событиях, которые завершились созданием теории относительности. В ходе этих длительных обсуждений я подробно расспрашивал Эйнштейна о конкретных событиях в его мышлении. Он описывал мне эти события не в общих словах, а подробно излагал генезис каждого вопроса.
В оригинальных статьях Эйнштейна излагаются полученные им результаты. Но в них не рассказывается об истории его мышления. В одной из своих книг Эйнштейн поведал о некоторых этапах своего мышления. Я процитирую его в соответствующих местах этой главы.

Драма развертывалась на протяжении нескольких актов.

Акт I. Зарождение проблемы

Эйнштейн столкнулся с проблемой в 16 лет, когда он учился в гимназии (Aarau, Kantonschule). Он был не слишком хорошим учеником, но продуктивно работал над тем, что его интересовало. Он самостоятельно занимался физикой и математикой и поэтому знал об этих предметах больше, чем его одноклассники. Именно тогда его начала по-настоящему волновать важная проблема. Он напряженно работал над ней в течение семи лет; однако ему понадобилось лишь пять недель, считая с того момента, когда он начал сомневаться в привычном понятии времени (см. Акт VII), для того, чтобы написать статью по теории относительности — хотя в это время он целыми днями работал в патентном бюро.

Не очень ясно, как начинался процесс, и поэтому его трудно описать; пожалуй, он зародился в состоянии некоторого удивления. Сначала возникли такие вопросы: что будет, если побежать за лучом света? Что произойдет, если оседлать пучок света? Если побежать за убегающим лучом, то уменьшится ли при этом его скорость? Если бежать достаточно быстро, то не перестанет ли он двигаться вообще?.. Молодому Эйнштейну это казалось странным.

Тот же луч света для другого человека будет иметь Другую скорость. Что есть «скорость света»? Если я буду знать скорость относительно какого-нибудь объекта, то ее значение для другого объекта, который сам движется, будет другим. (Странно думать, что при некоторых условиях свет будет двигаться в одном направлении быстрее, чем в другом.) Если это верно, то отсюда можно сделать выводы в отношении движущейся Земли. Тогда можно будет, экспериментируя со светом, установить, находимся ли мы в движущейся системе! Эта мысль захватила Эйнштейна, он старался найти методы, с помощью которых можно было бы установить или измерить движение Земли, — и только позже он узнал, что физики уже провели такие эксперименты. Его желание придумать такие эксперименты всегда сопровождалось некоторым сомнением в том, что это действительно возможно; как бы то ни было, он чувствовал, что должен это решить.

Он сказал себе: «Я знаю, что скорость луча света зависит от системы отсчета. Что произойдет, если принять другую систему отсчета, кажется понятным, но следствия этого весьма загадочны».

Акт II. Определяет ли свет состояние абсолютного покоя?

Приведут ли действия со светом к выводам, которые отличаются в этом отношении от выводов, следующих из механических операций? С точки зрения механики не существует абсолютного покоя; с точки же зрения световых явлений он, по-видимому, должен существовать. А как быть со скоростью света? В какой системе отсчета я ее определяю? Тут-то и возникают затруднения. Определяет ли свет состояние абсолютного покоя? Однако мы не знаем, находимся ли мы в движущейся системе. Юный Эйнштейн пришел к мысли, что мы не можем установить, находимся ли мы или нет в движущейся системе. Ему казалось, что в природе нет «абсолютного движения». Центральным пунктом здесь стало противоречие между точкой зрения, согласно которой скорость света предполагает состояние «абсолютного покоя», и его невозможностью в других физических процессах.
За всем этим, очевидно, скрывалось что-то до конца не ясное, непонятное. Эйнштейна в этот период очень беспокоила эта проблема.

Когда я спросил у Эйнштейна, понимал ли он уже тогда, что скорость света постоянна и не зависит от движения системы отсчета, он решительно ответил: «Нет, это было лишь известное любопытство. Я сомневался в том, что скорость света может меняться в зависимости от движения наблюдателя. Дальнейшие события усилили это сомнение». Свет, по-видимому, не мог дать ответ на такие вопросы. Свет, как и механические процессы, ничего не говорил о состоянии абсолютного движения или абсолютного покоя. Это вызывало интерес, возбуждало любопытство.

Свет был для Эйнштейна чем-то очень фундаментальным. В период его учебы в гимназии эфир уже не считали чем-то механическим, но «просто средой, в которой происходят электромагнитные явления».

Акт III. Работа над одной альтернативой

Началась серьезная работа. В уравнениях Максвелла для электромагнитного поля скорость света играет важную роль и является константой. Если уравнения Максвелла справедливы в одной системе координат, то они не справедливы в другой. Их следовало бы изменить. Если пытаться сделать это, не считая скорость света константой, то дело сильно осложняется. В течение нескольких лет Эйнштейн старался внести ясность в этот вопрос, изучая и пытаясь изменить уравнения Максвелла. Ему не удалось так изменить эти уравнения, чтобы при этом удовлетворительным образом разрешались все трудности. Он упорно пытался найти связь между скоростью света и фактами движения в механике. Но как ни пытался он связать вопрос о механическом движении с электромагнитными явлениями, он сталкивался со все новыми трудностями. Вот один из его вопросов: что произойдет с уравнениями Максвелла, если мы допустим, что скорость света зависит от движения источника света, и будут ли они при этом соответствовать фактам?

Крепла уверенность в том, что в этом отношении ситуация со светом не будет отличаться от механических процессов (не существует абсолютного движения, нет абсолютного покоя). Очень много времени отняло у него следующее обстоятельство: он не сомневался в том, что скорость света является постоянной, и в то же время не мог построить удовлетворительную теорию электромагнитных явлений.

Акт IV. Результат Майкелъсона и Эйнштейн

Результат знаменитого эксперимента Майкельсона привел физиков в замешательство. Если вы убегаете от мчащегося на вас тела, то ожидаете, что оно ударит вас позже, чем в том случае, когда вы стоите неподвижно. Если вы бежите к нему, то оно столкнется с вами раньше. Именно эту идею использовал Майкельсон, измеряя скорость света. Он сравнивал время прохождения света по двум трубкам в случае, когда трубки пересекаются под прямым углом и когда одна из них расположена по направлению движения Земли, а другая перпендикулярна этому направлению. Поскольку первая трубка движется вместе с Землей в продольном направлении, распространяющийся по ней свет должен достичь удаляющегося конца трубки позже, чем свет в другой трубке достигнет ее конца. В действительности схема была более сложной. В вершине угла, образованного трубками, располагалось обычное зеркало; зеркала были установлены и на концах трубок. В обеих трубках лучи из общего источника, отражаясь от зеркал, пробегали в обоих направлениях. Разница во времени измерялась с помощью интерференционного эффекта в месте расположения общего зеркала. (Читателю может показаться, что при движении лучей света в противоположных направлениях разница во времени, связанная с движением Земли, будет уничтожаться. Как показывает математический анализ, это не так.) Эта разница не могла ускользнуть от наблюдения, поскольку интерференционные измерения были достаточно тонкими, чтобы обнаружить установленную в ходе математического анализа величину.

Но не было найдено никакого различия. Эксперимент был повторен, и отрицательный результат четко подтвердился.

Результат эксперимента Майкельсона никак не согласовывался с фундаментальными физическими представлениями. Фактически он противоречил всем разумным ожиданиям.

Для Эйнштейна результат Майкельсона не был каким-то отдельным фактом. Он занял свое место среди других развитых к тому времени представлений. Поэтому, когда Эйнштейн прочел об этих решающих экспериментах, проведенных физиками, и о самом точном из них, осуществленном Майкельсоном, эти результаты, хотя они и были очень важными и убедительными, его не удивили. Они не нарушали, а скорее подтверждали его представления. Но суть дела еще не была до конца ясна. Как же все-таки получается такой результат? Эта проблема стала для Эйнштейна навязчивой идеей, хотя он и не видел пути к ее позитивному решению.

Акт V. Решение Лоренца

Эта проблема волновала не только Эйнштейна, но и многих других физиков. Знаменитый голландский физик Лоренц развил теорию, в которой математически объяснил, что произошло в эксперименте Майкельсона. Для того чтобы объяснить этот факт, Лоренцу, как и Фицджеральду, казалось необходимым ввести дополнительную гипотезу: он предположил, что вся использовавшаяся в опыте установка подвергается небольшому сокращению в направлении движения Земли. Согласно этой теории, длина трубки, расположенной вдоль земной поверхности, изменилась, в то время как в другой трубке претерпела изменение только толщина, а длина осталась неизменной. Следовало допустить, что происходит сокращение, величина которого должна была компенсировать влияние движения Земли на распространение света. Это была весьма остроумная гипотеза.

Теперь существовали позитивная формула, математически описывающая результат Майкельсона, и дополнительная гипотеза, гипотеза сокращения. Затруднение было «ликвидировано». Но для Эйнштейна ситуация оставалась не менее напряженной, чем прежде; он чувствовал, что дополнительная гипотеза была гипотезой ad hoc, она не затрагивала существа дела.

Акт VI. Повторное рассмотрение теоретической ситуации

Эйнштейн сказал себе: «За исключением результата, вся ситуация в эксперименте Майкельсона представляется абсолютно ясной; кажутся понятными все действующие факторы и их взаимосвязь. Но в самом ли деле они понятны? Действительно ли я понимаю структуру ситуации в целом, в особенности в связи с этим критическим результатом?» В это время он часто находился в подавленном состоянии, иногда его охватывало отчаяние, но его направляли очень сильные векторы.

Горячо желая понять, ясна ли ему эта ситуация, он вновь и вновь обращается к существенным моментам эксперимента Майкельсона, особенно к его центральному пункту — измерению скорости света в условиях движения всей экспериментальной установки в критическом направлении.

Просто так ситуация не прояснялась. Он чувствовал, что чего-то не хватает, но не мог понять, чего именно, не мог даже сформулировать проблему. Он чувствовал, что эта проблема глубже, чем противоречие между реальным, и ожидаемым результатом Майкельсона.

Он чувствовал, что определенная часть структуры целостной ситуации недостаточно ясна ему, хотя до сих пор она без всяких возражений принималась всеми физиками, в том числе и им самим. Он действовал примерно так. В случае критического движения измеряют время. «Хорошо ли я понимаю, — спросил он себя, — связь, внутреннюю связь между измерением времени и движением? Хорошо ли я понимаю, как в такой ситуации измеряют время?» И для него этот вопрос относился не только к эксперименту Майкельсона, тут были поставлены на карту более фундаментальные принципы.

Акт VII. Позитивные шаги на пути к пониманию

Эйнштейну пришло в голову, что измерения времени предполагают одновременность событий. Что можно сказать об одновременности в случае такого движения? Прежде всего, что означает одновременность событий, которые происходят в разных местах?

Он сказал себе: «Когда два события происходят в одном и том же месте, я ясно понимаю, что означает их одновременность. Например, я вижу, как два мяча попали в одну и ту же цель в одно и то же время. Но... понимаю ли я, что такое одновременность, когда она относится к событиям, происходящим в разных местах? Что значит, когда говорят, что событие, происшедшее в моей комнате, произошло одновременно с другим событием в-каком-то отдаленном месте? Конечно, я могу использовать понятие одновременности для описания событий, происходящих в разных местах, так же как использую era для описания событий, происходящих в одном и том же месте, — но вправе ли я это сделать? Разве первый случай так же ясен мне, как и второй?.. Нет!»

О том, что произошло в мышлении Эйнштейна дальше, мы, к счастью, можем рассказать, используя отрывки из его собственных сочинений1. Они написаны в форме разговора с читателем. То, что Эйнштейн рассказывает здесь читателю, напоминает ход его мышления: «В двух весьма удаленных друг от друга местах А и В нашего железнодорожного полотна в рельсы ударила молния. Кроме того, я утверждаю, что оба эти удара произошли одновременно. Если теперь у прошу тебя, читатель, имеет ли какой-либо смысл это последнее утверждение, то ты уверенно ответишь мне: «Да». Однако, если я попрошу тебя более точно объяснить мне смысл этого моего утверждения, то после некоторого размышления ты заметишь, что ответ на этот вопрос не так прост, как это кажется на первый взгляд.

Через некоторое время тебе, быть может, придет в голову следующий ответ: «Смысл этого утверждения ясен сам по себе и не нуждается в дальнейших объяснениях; однако я должен несколько подумать, получив предложение определить путем наблюдений, происходят ли в данном конкретном случае оба явления одновременно» (с. 541).

Теперь я приведу пример, который Эйнштейн предложил в ходе обсуждения.
Предположим, что кто-то употребил слово «горбун». Чтобы это понятие имело какой-нибудь ясный смысл, должен существовать какой-то способ определения того, «есть у человека горб или нет. Если я не могу придумать, как это можно установить, то слово «горбун» для меня не будет обладать реальным смыслом.
«Аналогично обстоит дело, — продолжает Эйнштейн, — со всеми физическими утверждениями, в которых играет роль понятие «одновременность». Это понятие существует для физика лишь в том случае, если имеется возможность найти в конкретном случае, соответствует ли действительности это понятие.

Следовательно, необходимо такое определение одновременности, которое дало бы метод, позволяющий в каждом данном случае решить на основании экспериментов, вспыхивают ли обе молнии одновременно. Пока это требование не выполнено, я как физик (так же как и нефизик) впадаю в самообман, связывая какой-то смысл с утверждением одновременности. (Не читай дальше, любезный читатель, прежде чем ты не согласишься с этим вполне.)

После некоторых размышлений ты предлагаешь следующий способ констатировать одновременность. Отрезок АВ измеряется вдоль рельсового пути и в середине М отрезка находится наблюдатель, снабженный устройством (например, двумя зеркалами, расположенными под углом 90° друг к другу / ), которое позволяет ему
наблюдать одновременно оба места, А и В. Если наблюдатель воспринимает обе молнии одновременно, то они произошли одновременно».

Одновременность удаленных событий приобретает здесь смысл на основании четкой одновременности событий в одном и том же месте. ( Этот момент связан с другими проблемами, которыми мьв здесь не занимаемся. Отсылаем читателя к указанной работе Эйнштейна).

Все эти шаги были совершены не в процессе выяснения этого конкретного вопроса, но являлись частью попытки понять упомянутую выше внутреннюю связь, решить проблему измерения скорости в этом критическом случае. В случае с зеркалами это просто означало: «Что произойдет, если в то время, как лучи приближаются к зеркалам, я буду двигаться вместе с ними, отдаляясь от одного источника света и приближаясь к другому? Очевидно, если два события кажутся одновременными человеку, находящемуся в покое, то для меня они не будут таковыми, поскольку я двигаюсь вместе с зеркалами. Наши утверждения должны отличаться друг от друга. Таким образом, мы видим, что наши заявления об одновременности подразумевают, в сущности, ссылку на движение наблюдателя. Если я хочу, чтобы одновременность событий, происходящих в удаленных друг от друга местах, имела какой-то смысл, то, сравнивая мои суждения с суждениями другого наблюдателя, я должен принять во внимание наше относительное движение. Определяя «одновременность в разных местах», я должен учитывать относительное движение наблюдателя.
Повторяю: представим себе, что я со своими зеркалами еду в поезде, который движется по прямой с постоянной скоростью. На некотором расстоянии происходят две вспышки молнии, одна вблизи паровоза, другая около хвоста поезда; мое двойное зеркало находится как раз? посередине. Будучи пассажиром, я пользуюсь поездом как своей системой отсчета, я отношу эти события к поезду. Допустим, что как раз в момент удара молнии возле железнодорожного полотна стоит человек, тоже со сдвоенными зеркалами, и что в этот момент наши положения совпадают. Что буду наблюдать я и что — он?

Когда мы говорим об ударах молнии одновременных относительно полотна дороги, то это теперь означает, что световые лучи, исходящие из двух равноудаленных точек, одновременно достигают зеркал человека, стоящего у полотна. Но если положение моих движущихся зеркал совпадает в момент вспышки молнии с положением его зеркал, то лучи не придут к моим зеркалам строго в один и тот же момент времени по причине моего движения.

События, одновременные относительно полотна железной дороги, не являются одновременными по отношению к поезду и наоборот (относительность одновременности). Всякое тело отсчета (система координат) имеет свое особое время; указание времени имеет смысл лишь тогда, когда указывается тело отсчета, к которому оно относится».

Всегда казалось простым и ясным, что «разница во времени» между двумя событиями является «фактом», независимым от других факторов, таких, как движение системы. Но не является ли утверждение, что «разница во времени между двумя событиями не зависит от движения системы», в действительности произвольным допущением? Оно, как мы видели, не выполняется для одновременных событий, происходящих в различных местах, и его, следовательно, нужно отвергнуть. Для того чтобы измерить временной интервал, мы должны воспользоваться часами или их эквивалентом и фиксировать определенные совпадения в начале и в конце интервала. Вот почему с одновременностью возникают трудности. Мы не можем догматически допустить, что продолжительность некоторого события в системе отсчета поезда совпадает со временем в системе отсчета железнодорожного полотна.

Это относится и к измерению расстояния в пространстве! Если я попытаюсь точно измерить длину машины, отмечая положение ее краев на дороге, то я должен, делая отметку у одного конца, позаботиться о том, чтобы машина не пришла в движение, прежде чем я не перейду к другому концу. Пока я явным образом не приму во внимание такую возможность, мои измерения будут неверными.
Следовательно, я должен заключить, что в каждом таком измерении следует учитывать движение системы. Ибо наблюдатель в движущейся системе получит результаты, которые будут отличаться от результатов наблюдателя в другой системе отсчета. «В каждой системе есть свои особые значения времени и пространственных координат. Временные и пространственные измерения имеют смысл только тогда, когда мы знаем, к какой системе отсчета относятся наши измерения». Мы должны изменить старую точку зрения: измерения временных и пространственных интервалов не независимы от условий движения системы относительно наблюдателя.

Старая точка зрения веками почиталась за «истину». Усомнившись в ней, Эйнштейн пришел к выводу, что измерения времени и пространства зависят от движения системы.

Акт VIIL Инварианты и преобразования

Дальнейшие события определялись двумя векторами, которые одновременно вели к одному и тому же вопросу.

1. Систему отсчета можно менять; она может быть выбрана произвольно. Но для того, чтобы описать физическую реальность, я должен отказаться от такой произвольности. Фундаментальные законы не должны зависеть от произвольно выбранных координат. Если мы хотим получить объективное описание физических явлений, то фундаментальные законы физики должны быть инвариантными относительно таких изменений.

Здесь становится ясным, что теории относительности Эйнштейна может соответствовать совершенно противоположное название — абсолютная теория.

2. Понимания взаимозависимости измерения времени и движения, конечно, самого по себе не достаточно. Необходима формула преобразования, которая отвечает на вопрос: «Как определить значения пространственной и временной координат события в одной системе отсчета, если известны место и время его, измеренные в другой системе? Или, точнее, как определить преобразование координат из одной системы в другую, когда они движутся относительно друг друга?»
Как прямо ответить на этот вопрос? Чтобы подойти к вопросу реалистично, следует положить в основу преобразования допущение о физических величинах, которые могут быть использованы в качестве инвариантов.

Читатель может вспомнить старую историческую ситуацию. Физики прошлого пытались построить perpetuum mobile. После многих безуспешных попыток внезапно возник вопрос: как бы выглядела физика, если бы фундаментальные законы природы делали невозможным существование perpetunm mobile? Став центральным, этот вопрос привел к огромным переменам.

У Эйнштейна также возник следующий вопрос, который был подсказан его ранними идеями, упомянутыми в актах II и III. Как будет выглядеть физика, если по природе вещей измерения скорости света будут при всех условиях приводить к одинаковым значениям? Вот он, необходимый инвариант! (Постулат фундаментального постоянства скорости света.)

В терминах требуемого преобразования это означает: «Можно ли представить связь между пространственными и временными координатами в движущихся вдоль одной прямой системах отсчета таким образом, чтобы скорость света стала константой?»

В конечном счете Эйнштейн пришел к ответу: «Да!» Ответ заключался в конкретных и определенных формулах преобразования для расстояний в пространстве и времени, в формулах, которые характерным образом отличались от формул преобразований Галилея.

3. Во время беседы с Эйнштейном в 1916 г. я задал ему следующий вопрос: «Почему вы выбрали в качестве константы именно скорость света? Почему вы не выбрали произвольную константу?»

Конечно, было ясно, что одним из важных соображений были результаты экспериментов, которые показали, что скорость света не изменяется. «Но выбрали ли вы ее произвольно, — спросил я, — просто для того, чтобы согласовать ее с этими экспериментами и с преобразованиями Лоренца?» Сначала Эйнштейн ответил, что мы совершенно свободны в выборе аксиом. «Не существует различия, — сказал он, — между разумной и произвольной аксиомой. Единственное достоинство аксиом заключается в том, что они снабжают нас фундаментальными положениями, из которых можно вывести следствия, согласующиеся с фактами». Эта формулировка играет важную роль в современных теоретических дискуссиях, и большинство теоретиков, по-видимому, согласно с ней. Но затем сам Эйнштейн, улыбаясь, привел мне прекрасный пример неразумной аксиомы: «Конечно, можно было выбрать, скажем, скорость звука вместо скорости света. Однако разумно было выбрать не просто скорость «любого» процесса, но скорость «выдающегося» процесса...» У Эйнштейна возникли примерно следующие вопросы: может быть, скорость света является максимально возможной? Может быть, невозможно превзойти скорость света? По мере нарастания скорости требуются все большие силы для ее дальнейшего увеличения. Возможно, что сила, которая потребуется для того, чтобы увеличить скорость выше скорости света, является бесконечной?
Каким наслаждением было слушать, как эти смелые вопросы и ожидания принимали у Эйнштейна определенную форму. Новым, неизвестным ранее было то, что скорость света может быть самой большой скоростью, что попытка превзойти ее потребует бесконечно больших сил.

Если эти допущения вносили ясность в систему и если они были подтверждены экспериментом, то весьма разумно было выбрать скорость света в качестве фундаментальной константы. (Ср. с абсолютным нулем температуры, который достигается, когда молекулярные движения в идеальном газе прекращаются.)

4. Следствия, которые Эйнштейн вывел из своих формул преобразования, с математической точки зрения совпадали с преобразованиями Лоренца. Гипотеза сокращения, таким образом, вела в правильном направлении, только теперь она уже была не произвольной дополнительной гипотезой, а результатом лучшего понимания, логически необходимым выводом из более правильного представления о фундаментальных физических сущностях. Сокращение было не абсолютным явлением, а следствием относительности измерений. Оно определялось не «движением в себе, которое не имеет для нас никакого смысла, а только движением относительно выбранной системы отсчета».

Акт IX. О движении и пространстве, мысленный эксперимент

Последнее утверждение проливает новый свет на изменения в мышлении, которые уже наблюдались на ранних стадиях. «Под движением тела мы всегда понимаем изменение его положения относительно другого тела»^ системы отсчета, системы координат. Если бы существовало только одно тело, то не имело бы смысла спрашивать или пытаться установить, движется оно или нет. Если есть два тела, то мы можем лишь установить, сближаются ли они или удаляются друг от друга; но пока есть только два тела, бессмысленно спрашивать или пытаться установить, вращается ли одно из них вокруг другого; существенным для движения оказывается изменение положения относительно другого тела, системы отсчета, системы координат.

Но разве не существует единственная система, относительно которой существует абсолютное движение тела, «единственное» пространство (ньютоновское пространство, пространство эфира), ящик, в котором происходят все движения?
Здесь я отмечу нечто, что еще не произошло на этой стадии развития процесса, но что может пояснить то, что действительно произошло. Это выходит за рамки специальной теории относительности. Существует ли доказательство реальности такой особой системы? В качестве доказательства использовался знаменитый эксперимент Ньютона: при вращении капля масла становится плоской. Это реальный, физический, наблюдаемый факт, который, по-видимому, вызывается «абсолютным» движением.

Но действительно ли он является доказательством такого абсолютного движения? Он кажется, конечно, доказательством, но является ли он таковым в действительности, если задуматься? На самом деле у нас пет ни одного тела, которое движется на фоне свода неподвижных звезд. Не является ли уплощение сферы возможным следствием движения сферы относительно окружающих звезд? Что произойдет, если мы возьмем огромное стальное колесо с маленьким отверстием в центре, поместим в это отверстие сферическую каплю масла, а затем будем вращать колесо? Возможно, что маленькая сфера опять будет становиться плоской. Тогда уплощение не будет иметь никакого отношения к вращению в абсолютном пространстве ящика; скорее оно будет определяться относительным движением систем, движением большого колеса, или свода, с одной стороны, и движением маленькой сферы масла — с другой.

Конечно, феномен вращения уже выходит за рамки так называемой специальной теории относительности Эйнштейна. Он становится основным в проблематике общей теории относительности.

Акт X. Вопросы для наблюдения и эксперимента

Эйнштейн был прирожденным физиком. Поэтому его мышление было нацелено на реальные, конкретные, экспериментальные проблемы. Как только он достиг ясности, он сосредоточился на следующем вопросе: «Можно ли найти критические физические вопросы, ответив на которые с помощью экспериментов можно установить, являются ли эти новые принципы «истинными»; лучше ли они описывают факты, приводят ли в отличие от старых принципов к лучшим предсказаниям?»

Он предложил несколько таких критических экспериментов, некоторые из них физики могли поставить и впоследствии действительно поставили.

II

Проблема продолжала волновать Эйнштейна: она привела его к созданию общей теории относительности. Но давайте здесь прервем наш рассказ и зададим себе вопрос: каковы существенные особенности этого мышления?

Физика интересует отношение теории Эйнштейна к установленным фактам, ее экспериментальное подтверждение, следствия для дальнейшего развития теории, математические формулы, следующие из специальной теории относительности, и их применение в различных разделах физики.

Эпистемолога интересуют понятия пространства, времени и материи, релятивистский характер теории (со всеми ложными выводами в направлении философского, социологического или этического релятивизма, сделанными другими учеными), проблема «проверяемости», которая играла столь важную роль в размышлениях Эйнштейна об одновременности (и позже в развитии операционализма).

Психолог, который занимается проблемами мышления, хочет понять, что происходило психологически.

Если бы мы должны были описать этот процесс с точки зрения традиционной логики, то нам пришлось бы перечислить множество операций: абстрагирование, построение силлогизмов, формулирование аксиом и выведение общих формул, установление противоречий, вывод следствий посредством комбинирования аксиом, сопоставление фактов с этими следствиями и т. д.

Такая процедура, конечно, хороша в том случае, когда мы хотим проверить каждый шаг на логическую корректность. Сам Эйнштейн чрезвычайно заботился о логической корректности, логической валидности.

Но что мы получим, если будем следовать такому образу действий? Мы получим совокупность большого числа операций, силлогизмов, и т. д. Но создает ли эта совокупность адекватную картину того, что произошло?. Характер мышления многих логиков напоминает образ мысли человека, который, созерцая творения архитектуры, Е пример красивое здание, и желая понять его, концентрирует свое внимание на отдельных кирпичах и на способе их скрепления строительным раствором. То, к чему он приходит в итоге, является уже не зданием, а набором кирпичей: и их связей («Я не уверен, - сказал однажды Эйнштейн в этой связи, -можно ли действительно понять чудо мышления. Вы несомненно правы, пытаясь добиться более глубокого понимания того, что происходит в процессе мышления...».)

Чтобы получить реальную картину, мы должны спросить- как возникают операции, как они включаются в ситуацию, как они функционируют в реальном процессе? Их просто осуществляют одну за другой? Является ли процесс цепью счастливых случайностей? Является ли решение результатом проб и ошибок, математических предположений? Почему именно эти операции? Несомненно, на каких-то стадиях существовали и другие возможности Почему Эйнштейн двигался именно в этом направлении? Как случилось, что после первого шага он сделал именно эти, а не другие шаги?

Остановлюсь на одном частном вопросе: как возникли новые аксиомы? Пробовал ли Эйнштейн любые аксиомы из которых только некоторые оказались подходящими Не формулировал ли оп некоторые суждения, не связывал ли их воедино и наблюдал, что произойдет, пока в какой-то момент ему не посчастливилось найти подходящий набор аксиом? Был ли их выбор случайным и было ли изменение роли, места и функции элементов, появление их взаимосвязи лишь следствием?

Аксиоматическая техника является весьма полезным инструментом. Она является одним из наиболее эффективных методов, созданных к настоящему времени в логике и математике; несколько общих положении обеспечивают все необходимое для вывода частных результатов. Можно иметь дело с гигантской суммой фактов, согромным числом суждений, заменяя их несколькими предложениями, которые формально эквивалентны все сумму этому знанию. Некоторые великие открытия в современной математике стали возможными только благодаря тому, что под рукой оказалась эта чрезвычайно упрощающая 'дело техника. Эйнштейн также пользовался этим инструментом в своих изложениях теории относительности.
Но повторяем, вопрос, который интересует психолога, заключается в следующем: были ли эти аксиомы введены прежде, чем были рассмотрены структурные требования, структурные изменения ситуации? Или дело обстояло как раз наоборот? Конечно, мышление Эйнштейна не связывало готовые аксиомы или математические формулы воедино. Аксиомы были не отправной точкой, а результатом того, что происходило. До того как они стали четко сформулированными суждениями, ситуация в отношении скорости света и связанных с ней вопросов уже давно казалась ему сомнительной, а в некоторых отношениях неадекватной. Аксиомы были только делом дальнейших формулировок — после того как произошло по-настоящему важное, главное открытие.

Если мы продолжим анализ в духе традиционной логики, то быстро забудем, что в действительности все операции были частью единой и превосходно согласованной картины, что они появлялись как части единого хода мышления, что они возникали, функционировали и имели смысл в целостном процессе, по мере того как мы рассматривали ситуацию, ее структуру, ее свойства и требования. Пытаясь постичь структуру этого великого хода мышления, читатель может растеряться при виде такого обилия фактов, сложности ситуации. Итак, какие же шаги были решающими?

Давайте коротко суммируем их.

Сначала было то, что можно назвать подготовительным периодом. Во-первых, Эйнштейн был озадачен вопросом о скорости света в том случае, когда наблюдатель движется. Во-вторых, он связал этот вопрос с вопросом об «абсолютном покое». В-третьих, он попытался развить одну альтернативу (является ли скорость света в уравнениях Максвелла переменной?) и получил отрицательный результат. В-четвертых, существовал эксперимент Майкельсона, который подтверждал другую альтернативу, и, в-пятых, гипотеза ad hoc Лоренца — Фицджеральда, которая, по-видимому, не затрагивает существа дела.
До сих пор все, включая значение и структурную роль времени, пространства, измерения, света и т. д., понималось в терминах традиционной физики — исходной структуры I.

В этой тревожной ситуации возник вопрос: «Понимаю ли я по-настоящему саму ситуацию, в которой результат Майкельсона кажется противоречивым? Это было революционным событием. Эйнштейн чувствовал, что нужно рассмотреть это противоречие беспристрастно, что нужно подвергнуть сомнению эту освященную временем структуру. Была ли исходная структура адекватной? Была ли она понятной в отношении критического пункта — вопроса о свете в связи с вопросом о движении? Была ли она ясна в ситуации эксперимента Майкельсона? Все эти вопросы задавались Эйнштейном, горячо стремившимся добиться полного понимания. А затем процедура шаг за шагом конкретизировалась.

Как измерить скорость света в движущейся системе?'
Как в этих условиях измерить время?
Что значит одновременность в такой системе?
Но что тогда означает одновременность, если это понятие относится к различным местам?


Смысл одновременности ясен в том случае, когда два события происходят в одном и том же месте. Но Эйнштейна неожиданно поразила мысль, что это не столь же ясно, если события происходят в различных местах. Вот где находился пробел при действительном понимании. Он понял: нельзя слепо применять привычное понятие одновременности к этим случаям. Чтобы одновременность имела какой-нибудь смысл, следует поставить вопрос о ее физическом определении, так чтобы в конкретных случаях мы могли сказать, применимо ли это понятие. (Ясно, что это была фундаментальная логическая проблема.)

Смысл одновременности должен основываться на понятии одновременности событий, происходящих в однош месте. Но это требовало, чтобы в каждом случае различной локализации двух событий принималось во внимание относительное движение. Таким образом, смысл, структурная роль одновременности в ее отношении к движению претерпели коренное изменение.

Отсюда сразу же следовало соответствующее требование к измерению времени вообще, скажем к значению секунды, и к измерению пространства, поскольку теперь они должны зависеть от относительного движения. В результате радикально изменился смысл понятий времени, пространства, а также измерения как времени, так и пространства.

Введение наблюдателя и его системы координат, казалось, вносило совершенно произвольный или субъективный фактор. «Но реальность, — чувствовал Эйнштейн, — не может быть столь произвольной и субъективной». Желая избавиться от этого произвольного элемента и в то же время получить конкретную формулу преобразования для различных систем отсчета, он понял, что необходим основной инвариант, некий фактор, который будет оставаться неизменным при переходе от одной системы к другой. Очевидно, что оба эти требования действовали в одном и том же направлении.

Это привело к решающему шагу — к введению в качестве инварианта скорости света. Как будет выглядеть физика, если сделать центральной инвариантность скорости света? Один за другим следовали смелые выводы, и в результате возникла новая структура физики.

Когда на основе этого инварианта Эйнштейн получил конкретную формулу преобразования, преобразование Лоренца выступило как вывод — но теперь оно понималось более глубоко, совершенно по-новому, как необходимая формула в новой структуре физики. Результат Майкельсона также предстал теперь в совершенно новом свете, как необходимый результат, возникающий, если принять во внимание взаимосвязь всех относительных измерений в движущейся системе. Не этот результат вызывал беспокойство — Эйнштейн чувствовал это с самого начала, — а поведение различных элементов ситуации до того, как было найдено решение. При более глубоком понимании этих элементов результат был необходимым следствием.

Теперь картина была усовершенствована. Эйнштейн мог приступить к экспериментальной верификации.

Короче говоря, горячо желая добиться ясности, Эйнштейн непосредственно рассмотрел отношение между скоростью света и движением системы и сопоставил теоретическую структуру с результатом Майкельсона.

Часть этого поля стала критической и была подвергнута основательному исследованию.

В результате такого тщательного изучения был обнаружен значительный пробел (в классической трактовке времени).

Были осознаны шаги, необходимые для того, чтобы справиться г, этим затруднением.

В результате изменился смысл всех используемых понятий.

Когда из ситуации была окончательно устранена всякая произвольность, выкристаллизовалась новая структура физики.

Намечалось подвергнуть новую систему экспериментальной проверке.

Процесс вызвал коренные структурные изменения: отделение внешних факторов, образование внутренних связей, группировку, центрирование и т. д., тем самым в результате перехода от структуры I к структуре II углублялись, изменялись значение и смысл составных элементов, их структурная роль, место и функция.

Возможно, полезно еще раз объяснить, в каком смысле достижение Эйнштейна означало изменение структуры.

1) В опыте Майкельсона — как и вообще в классической физике — время считалось независимой переменной и, следовательно, независимым средством процедур измерения, полностью отделенным от движения, которое имело место в ситуации наблюдения, и никак функционально не связанным с этим движением. Поэтому природа времени не представляла никакого интереса в связи с этим явно парадоксальным результатом.

В мышлении Эйнштейна возникла тесная связь между значением времени и собственно физическими событиями. Таким образом, принципиально изменилась роль, которую время играло в структуре физики.

Это коренное изменение сначала было ясно замечено при рассмотрении одновременности. Появилось некоторым образом два понятия одновременности: отчетливая одновременность событий, происходящих в данном месте, и связанная с ней, но связанная посредством конкретных физических событий, одновременность событий, происходящих в разных местах и особенно в условиях движения системы.

2) В результате изменились также смысл и роль пространства в структуре физики. В традиционном подходе оно также было полностью отделено и независимо от времени и физических событий. Теперь была установлена тесная связь между ними. Пространство больше не было пустым и совершенно нейтральным вместилищем физических событий. Геометрия пространства была интегрирована с параметром времени в четырехмерную структуру, которая в свою очередь образовала новую единую структуру с происходящими физическими событиями.

3) До сих пор скорость света была одной из многих скоростей. Хотя она была известна физикам как наибольшая скорость, она играла такую же роль, что и остальные скорости. Она была принципиально не связана со способом измерения пространства и времени. Теперь же считалось, что она тесно связана со значениями времени и пространства и является фундаментальным фактом физики в целом. Ее роль изменилась: она перестала быть одним из многих частных фактов и стала центральным элементом системы.

Можно упомянуть еще много других величин, в ходе этого процесса изменивших свой смысл, например массу и энергию, которые теперь оказались тесно связанными. Однако нет необходимости обсуждать дальнейшие детали.

Оценивая эти трансформации, мы не должны забывать о том, что они имели место на фоне гигантской существующей системы. Каждый шаг должен был быть направлен против очень сильного гештальта — традиционной структуры физики, с которой согласовывалось огромное число фактов, очевидно столь безупречных, столь ясных, что любое локальное изменение должно было столкнуться с сопротивлением всей мощной и хорошо разработанной структуры. Возможно, именно поэтому прошло так много времени — семь лет, — прежде чем произошло решительное продвижение вперед.

Можно подумать, что некоторые необходимые изменения Эйнштейн произвел случайно, в ходе проб и ошибок. Тщательное исследование мышления Эйнштейна всякий раз показывало, что каждый шаг осуществлялся потому, что он был необходим. И вообще тот, кто понял, как Эйнштейн мыслил, знает, что ему были совершенно чужды какие бы то ни было слепые и случайные действия.

Единственным местом, которое в этом отношении вызывает сомнение, было введение константы скорости света в общие эйнштейновские формулы преобразования. У мыслителя не столь высокого уровня это могло произойти в результате простой попытки обобщения формулы Лоренца. Но в действительности важнейший шаг был сделан не таким образом; он не был связан с математической догадкой.

В последние годы Эйнштейн часто рассказывал мне о проблемах, над которыми он в то время работал. У него никогда не встречались слепые шаги. Когда он переставал работать в каком-нибудь направлении, это происходило только потому, что он понимал, что это приведет к введению непонятных, произвольных факторов.

Иногда случалось, что Эйнштейн сталкивался с затруднением, для преодоления которого математические средства были недостаточно разработаны; несмотря на это, он не упускал проблемы из виду, и ему часто удавалось в конце концов найти способ побороть трудности, казавшиеся прежде непреодолимыми.




Описание Отрывок из монографии М. Вертгеймера "Продуктивное мышление" [М. Вертгеймер Продуктивное мышление. М., Прогресс, 1987 С. 247 - 269]
Рейтинг
0/5 на основе 0 голосов. Медианный рейтинг 0.
Просмотры 4946 просмотров. В среднем 1 просмотров в день.
Похожие статьи