Загадка падающей кошки и фундаментальная физика
…
Показав таким образом, что любые моменты критики в мой адрес со стороны Пеано пусты и необоснованны и что его заявления не являются ни оригинальными, ни точными, что признавал и он сам, я, со своей стороны, считаю эту полемику однозначно завершенной{18}.
Пеано, кажется, тоже надоело спорить, хотя он не мог не вставить последнее слово. В завершающей статье для Линчеи, датированной 1 марта 1896 г., он заново вывел некоторые из своих ранних формул в более явном виде, по существу «показав свою работу», чтобы читатели не усомнились в том, что он действительно получил те результаты, на которые претендовал в своих ранних статьях{19}. Вольтерру он вообще не упомянул — вероятно, вполне разумно, — и этой спокойной дискуссией война между Пеано и Вольтеррой завершилась.
Надо сказать, что для относительно небольшого, казалось бы, научного открытия сражение за приоритет оказалось необычайно интенсивным. Вдвоем Пеано и Вольтерра опубликовали примерно за год 14 статей, посвященных чандлеровскому колебанию, — невероятная продуктивность в одном отдельно взятом вопросе. Мотивом Пеано, вероятно, была, по крайней мере отчасти, увиденная им возможность продемонстрировать практичность новых математических методов, которые он продвигал. Вольтерру, возможно, мотивировал формализм Пеано, но в противоположном смысле. Оба математика работали в Университете Турина, и Пеано настаивал, что все профессора должны использовать его новые методы при обучении студентов. Традиционалисту Вольтерре, возможно, это не нравилось; вероятно, его искренне разозлила попытка Пеано впихнуть эти методы не куда-нибудь, а в его исследовательские задачи.
Но что же с самим чандлеровским колебанием? Хотя общее объяснение океанских процессов, поддержанное и Пеано, и Вольтеррой, удержалось на протяжении многих лет, подробное и конкретное представление о чандлеровском колебании все это время ускользало от исследователей. В начале XX в. исследователи обнаружили, что колебание имеет более сложный характер, чем могли себе вообразить Пеано и Вольтерра: к примеру, его размер может меняться в ходе десятилетий, совершая иногда драматические «прыжки». И причин у этого колебания тоже несколько: в 2000 г. Ричард Гросс из Лаборатории реактивного движении при Калифорнийском технологическом институте показал при помощи моделирования, что главным источником колебания в 1985–1996 гг. были флуктуации давления вблизи океанского дна, а другие океанские и атмосферные явления играли менее существенные роли{20}.
Так что сражение между Пеано и Вольтеррой не было настолько важным, как оба они надеялись. Но этого сражения не произошло бы вовсе, если бы не случайная серия фотографий кошки, принадлежавшей садовнику Этьен-Жюля Марея. В этом случае, по крайней мере, кошки оправдали свою давнюю репутацию бедокуров и сеятелей раздора.
7. Кошачий рефлекс переворачивания
Сделанные Мареем фотографии падающей кошки потрясли физиков и вынудили их заново осмыслить давние предубеждения о том, как объекты движутся и поворачиваются в пространстве. Но это было пустяком в сравнении с тем поистине сейсмическим шоком, который потряс все ученое сообщество в 1905 г. и навсегда изменил наши представления о физике. В этом году никому не известный служащий патентного ведомства по имени Альберт Эйнштейн опубликовал в немецком журнале «Анналы физики» (
Первая из этих статей — «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» — вышла 9 июня. В ней Эйнштейн попытался объяснить так называемый
Вторая из статей 1905 г. — «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» — появилась 18 июля и объяснила феномен
Третья из Эйнштейновых статей 1905 г. — «К электродинамике движущихся тел» — вышла 26 сентября. Это самая знаменитая из трех статей, поскольку именно она стала первым заявлением
Одним из главных принципов физики, восходящим еще к Галилео Галилею, является
Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля и запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. Прыгая, вы переместитесь по полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать бóльших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, как вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку, и, бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей{1}.
Галилей понимал, что, сидя в глубинах корабля, невозможно определить никаким экспериментом, находится ли корабль в покое или движется с постоянной скоростью; живые существа — ходящие, плавающие или летающие — будут не в состоянии почувствовать какое-либо движение. Рассмотрим, к примеру, игру в теннис внутри движущегося корабля. Можно было бы подумать, что при движении корабля вперед теннисный мячик должен стремиться лететь назад, в корму корабля, давая носовому игроку преимущество, но такое интуитивное представление неверно. Мячик будет вести себя во всех отношениях так, как если бы корабль неподвижно стоял в гавани. Если никакой физический эксперимент не может обнаружить движение корабля, то, значит, законы физики должны быть одинаковы для любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью.
Вслед за Галилеем Исаак Ньютон успешно применил этот принцип к своим знаменитым законам движения и ввел относительность в систему движения любых материальных тел. К примеру, и наблюдатель, стоящий рядом с бильярдным столом, и наблюдатель, проходящий мимо него, смогут точно описать все, что происходит в игре, при помощи законов Ньютона, хотя и разойдутся во мнениях о том, с какой скоростью шары двигались по отношению к ним самим.
Однако, когда Джеймс Клерк Максвелл в 1860-е гг. объявил, что свет — это электромагнитная волна, быстро выяснилось, что Ньютонов тип относительности к волнам не применим. В частности, согласно Ньютоновым формулам, наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, в общем случае намеряли бы разные значения для скорости света. Человек, движущийся параллельно с фотоном, к примеру, увидел бы его летящим медленнее, чем человек, движущийся с этим же фотоном встречным курсом. Поскольку скорость света встроена в уравнения Максвелла, то и уравнения для каждого из этих наблюдателей были бы чуть иными. Ученые решили, что физика световых волн, должно быть, по-разному работает для каждого наблюдателя. От Максвелла до Эйнштейна было предпринято множество попыток экспериментально измерить предполагаемые колебания скорости света, но все они оказались безуспешными. Самая известная из этих попыток — эксперимент 1887 г., проведенный Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли, которые использовали для измерения разницы в скорости света интерференцию световых волн; они не смогли обнаружить никаких изменений, хотя движение Земли вокруг Солнца должно было по идее дать вполне измеримый эффект.
Альберт Эйнштейн подошел к этой проблеме с другого направления. Он задался вопросом: если законы электричества и магнетизма одинаковы для любого движущегося наблюдателя, то как должен тогда выглядеть принцип относительности? В своих расчетах он опирался на два предположения: (1)
• ничто (известное нам) не может двигаться быстрее скорости света;
• масса и энергия эквивалентны, и одно может превращаться в другое (вспомним знаменитое уравнение
• время для движущегося объекта идет медленнее;