Кто был автором теории относительности?

В журнале Science & Vie №0 931 1995[24] напечатана статья Рено де ля Тая “Релятивизм Пуанкаре предшествовал эйнштейновскому” — “Relativite Poincare a precede Einstein”, перевод которой, сделанный академиком РАН В.Ф. Журавлевым, представлен ниже.

Релятивизм Пуанкаре предшествовал эйнштейновскому

https://bigslide.ru/images/45/44973/831/img3.jpgТеория относительности, открытая в 1904 году, была признана научным сообществом начиная с 1915 года.

Никакая Нобелевская премия никогда за эту теорию не присуждалась. Причина понятна: тот, кто первым сформулировал принцип относительности, умер в 1912 году. Это был Анри Пуанкаре.

В 1887 году физика была в тупике: опыт с интерферометром, поставленный Майкельсоном и Морли, не обнаружил тех эффектов, которые должны были бы иметь место в соответствии с тогдашними представлениями в науке.

Эти представления таковы: Ньютон в 1687 году постулировал существование абсолютного пространства и абсолютного времени.

Френель в 1820 году выдвинул волновую теорию света, в соответствии с которой распространение световой волны имеет место по отношению к бестелесной среде — эфиру, заполняющей все бесконечное пространство. Этот эфир представлялся межзвездной субстанцией наподобие воздуха, окружающего нас в обыденной жизни. При этом он обладал жесткостью наподобие твердого тела и был легче любого газа.

Звездная аберрация, кажущееся движение, открытая Бредли в 1728 году, объяснялась тогда результатом сложения скорости света со скоростью Земли относительно неподвижного эфира.

В 1865 году Максвелл вывел уравнения, которые описывали распространение электромагнитных волн в пространстве. Это распространение происходит со скоростью света, и Герц в 1887 году показал, что и сам свет представляет собой электромагнитную волну.

Оставалось подтвердить движение Земли по отношению к эфиру, который служит средой для распространения света. С этой целью был поставлен эксперимент Майкельсона, в котором ничего обнаружить не удалось. Поэтому надо было предположить, что эфир увлекается Землей, но тогда необъяснимой оставалась аберрация. Проблема казалась неразрешимой.

Именно в этот момент и вступили в игру крупный голландский физик Гендрик Лоренц и гениальный французский математик Анри Пуанкаре. Первый всемирно известен благодаря преобразованиям, которые носят его имя, второй в этой области известен значительно меньше.

К счастью, бывший политеховец Жюль Левегль вот уже более двух лет занимается выяснением роли, сыгранной Пуанкаре в генезисе работ, которые привели к отказу от концепции эфира в пользу преобразований четырехмерного пространства — времени.

Е = mc² (масса тела равна его энергии, отнесенной к квадрату скорости света. — В.Б.).

Эта формула принадлежит ему: Анри Пуанкаре первый в истории науки заметил в 1900 году, что энергия излучения обладает массой т, равной Е/с². (прим.: на самом деле первым это открыл в 1873 году Николай Умов) Эта эквивалентность одинаково хорошо объясняет как излучение звезд, так и энергию атомных станций. Они перевернули эпоху.

Группа преобразований, найденная Пуанкаре исходя из уравнений Лоренца, стала основой всей современной релятивистской физики.

Левегль опубликовал результат своих исследований в апреле 1994 года в ежемесячнике выпускников политехнической школы, и мы встретились с ним, чтобы лучше очертить работы Пуанкаре в критическую для физики эпоху с 1899 по 1905 год.

Итак, в 1887 году отрицательный результат опыта Майкельсона привел к замешательству. Спустя пять лет Лоренц представил первые публикации по теории электронов, позволяющие упростить интерпретацию уравнений Максвелла. Несколько позже он ввел сокращение размеров движущихся через неподвижный эфир тел.

Эта теория, опубликованная в 1895 году, содержала искусственный математический элемент, который сам Лоренц назвал “местное время”.

Именно в этот момент на сцене появился Пуанкаре, вмешавшийся фундаментальным образом в дебаты по электродинамике движущихся тел.

Анри Пуанкаре родился в Нанси в 1854 году, где закончил среднюю школу, поступив в 1873 году в политехническую школу. Близорукий, левша, удивительно неловкий в обычной жизни, он уже в начале учебы рассматривался профессорами как “математическое чудовище”.

Он был репетитором по математическому анализу в политехнической школе, затем профессором математической физики и математической астрономии в Сорбонне, профессором теоретической электротехники в Школе телекоммуникаций и в 33 года стал действительным членом Академии наук. Умер в 1912 году в возрасте 57 лет после операции.

Его открытия в дифференциальной геометрии, в алгебраической топологии, в теории вероятностей, в функциональном анализе и в других областях позволили Жану Дьедоне, одному из основателей группы Бурбаки, сказать: “Гений Пуанкаре эквивалентен гению Гаусса и столь же универсален. Он превосходил всех математиков своего времени”.

Его рассеянность и отрешенность от житейских проблем были легендарными. Вследствие беспримерной щедрости он приписывал другим открытия, которые сделал сам. Его репутация в среде математиков была высочайшей.

Над решенной им проблемой трех тел бились самые выдающиеся математики. Предложенное решение позволило сделать далеко идущие выводы и открыть новые разделы анализа, такие как, например, стохатизацию в динамических системах. Он показал, не прибегая к помощи вычислительных машин, что траектории динамических систем могут иметь беспорядочное поведение в зависимости от начальных условий, что называется сейчас чувствительностью к начальным условиям в теории хаоса.

Он показал, что точки пересечения траекторий с секущей плоскостью образуют разрывное множество, плотность которого в заданной области может быть описана в терминах теории вероятности. Тем самым он установил связь между детерминизмом и случайностью. Ему также принадлежит концепция аттракторов и фрактальных кривых, основанная на представлении о предельных циклах. Пуанкаре был экстраординарной математической фигурой, подобные встречаются два или три раза в столетие.

Итак, в 1899 году Пуанкаре, профессор математической физики в Сорбонне, занимается математическим описанием наблюдаемых в физике явлений. В этом качестве он внимательно следил за проблемами, возникшими в физике после опытов Майкельсона. Он сразу обратил внимание на предложенную Лоренцем теорию локального времени и сокращение размеров движущихся в эфире тел.

В своем курсе “Электричество и оптика” Пуанкаре пишет: “Это странное свойство производит впечатление фокуса, разыгранного природой для того, чтобы было невозможно определить движение Земли посредством оптических экспериментов. Такое положение дел не может меня удовлетворить. Я полагаю весьма правдо подобным, что оптические явления могут зависеть только от относительных движений присутствующих материальных тел”.

Тем самым в трех фразах Пуанкаре исключил эфир. В следующем, 1900 году, в статье “Теория Лоренца и принцип противодействия” он дал физическую интерпретацию лоренцева локального времени: это время подвижных наблюдателей, которые настроили свои часы с помощью оптических сигналов, игнорируя собственное движение.

Он там также замечает; “Если аппарат массы 1 кг посылает в некотором направлении со скоростью света энергию в 3 мегаджоуля, то скорость противодействия будет 1 см/сек”. Это означает, что лучевая энергия обладает свойством инерции, так же, как любое материальное тело, для которого коэффициентом инерции является его масса.

Эта эквивалентная масса электромагнитной энергии Е равна Е/с2, формула, которую он явно выписывает, что влечет за собой Е=плс2. Имеет место эквивалентность между массой и энергией в случае электромагнитного излучения. Макс Планк обобщит эту формулу на случай тела, которое поглощает и теряет энергию, и произведет доказательство в 1907 году, опираясь на электромагнитное количество движения Пуанкаре.

Гендрик Лоренц, лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года:

Я не установил принципа относительности, как строго и универсально справедливого. Пуанкаре, напротив, получил полную инвариантность и сформулировал принцип относительности — понятие, которое он же первым и использовал.

В 1902 году Пуанкаре публикует работу “Наука и гипотеза”, которая имела большой резонанс в научном сообществе. Он, в частности, писал: “Не существует абсолютного пространства, и мы воспринимаем только относительные движения. Не существует абсолютного времени: утверждение, что два промежутка времени равны друг другу, само по себе не имеет никакого смысла.

Оно может обрести смысл только при определенных дополнительных условиях. У нас нет непосредственной интуиции одновременности двух событий, происходящих в двух разных театрах. Мы могли бы что-либо утверждать о содержании фактов механического порядка, только отнеся их к какой-либо неевклидовой геометрии”.

В этих высказываниях нетрудно увидеть ряд положений, которые типичны для современной релятивистской физики. Лоренц, впрочем, читал эту работу Пуанкаре, он был в курсе тех критических замечаний, которые высказывал Пуанкаре еще в 1899 году. Лоренц получил в 1902 году Нобелевскую премию по физике, вторую в истории науки (первую получил Рентген), что делало его весьма авторитетным.

Строгий ученый, он принимал в расчет критику Пуанкаре, как сам об этом пишет в мае 1904 года, и предлагает новые уравнения. Однако он не может расстаться с идеей неподвижного эфира.

В сентябре 1904 года Пуанкаре приглашают в Соединенные Штаты прочитать лекцию в городе Сент-Луисе (штат Миссури). Он должен рассказать о состоянии науки и о будущем математической физики.

Ученый начал выступление с того, что рассказал о роли, которую выпало играть в современной ему науке великим принципам, таким как закон сохранения энергии, второе начало термодинамики, равенство действия противодействию, закон сохранения массы, принцип наименьшего действия.

К ним он затем добавляет радикальное нововведение: “Принцип относительности, в соответствии с которым законы физики должны быть одинаковыми как для неподвижного наблюдателя, так и для наблюдателя, вовлеченного в равномерное движение, так что мы не имеем и не можем иметь никакого способа узнать, находимся мы или нет в подобном движении”.

Впервые он обнародовал принцип относительности, касающийся не только механики, но и электромагнетизма. Пуанкаре закончил лекцию словами: “Возможно, нам предстоит построить механику, контуры которой уже начинают проясняться и где возрастающая от скорости масса сделает скорость света непреодолимым барьером”.

Из публикации Лоренца 1904 года, с которой Пуанкаре познакомился до этой лекции, он извлек главное, что оправдывает и обосновывает принцип относительности. Он публикует резюме своих исследований в “Заметках Академии наук” от 5 июня 1905 года, где есть следующая фраза: “Самое главное, что было установлено Лоренцем, это то, что уравнения электромагнитного поля не изменяются под действием преобразований, которым я даю название преобразований Лоренца”.

На самом деле это именно Пуанкаре принадлежит доказательство инвариантности уравнений Максвелла, как позже честно признал сам Лоренц: “Это были мои рассуждения, опубликованные в мае 1904 года, которые подвигнули Пуанкаре написать свою статью, в которой он приписывает мое имя преобразованиям, из которых я не смог извлечь всей пользы.

Позже я смог увидеть в статье Пуанкаре, что мог добиться больших упрощений. Не заметив их, не смог установить принцип относительности как строго и универсально справедливый. Пуанкаре, напротив, установил совершенную инвариантность и сформулировал постулат относительности. Именно этот термин он первым и употребил”.

Главный момент, согласно Пуанкаре. В докладе, опубликованном в “Заметках Академии наук” 5 июня 1905 года, Пуанкаре комментирует группу преобразований, найденную им при анализе уравнений Лоренца. Он подчеркивает, что главным моментом, оказавшимся в основе принципа относительности, является инвариантность уравнений электромагнитного поля.

Действительно, Лоренц предложил двухступенчатую замену переменных, связывающую координаты события {x',y',z',t'} в одном инерциальном репере с координатами этого же события {х'(у', z', t'} в другом инерциальном репере, движущемся по отношению к первому. В то время как Пуанкаре связал координаты {x,y,z,t} с координатами {х.., у.., z.., t…} единым преобразованием. Это преобразование симметрично и обратимо: никакой репер не имеет привилегированного характера, и в этом суть релятивизма. Немедленное следствие: постоянство скорости света.

Именно этому преобразованию он дал имя Лоренца, ставшее классическим. В заметке 5 июня Пуанкаре писал: “Множество всех этих преобразований вместе со всеми поворотами пространства должно обладать групповыми свойствами для того, чтобы удовлетворять принципу относительности” .

Термин “преобразование” имеет специальное употребление в теории групп преобразований в геометрии после работ Феликса Клейна 1872 года. С теорией групп в то время были знакомы лишь несколько математиков самого высокого уровня и некоторые кристаллографы. Поэтому этой теорией воспользовался Пуанкаре, который ею владел, а не Лоренц.

Последствия того открытия, что в основе релятивизма лежит специальная группа, были весьма значительными, так как из этого следовало, что x² + y² + z² - c²t² является инвариантом этой группы, преобразования которой в пространстве четырех измерений х, у, z, ict являются вращениями.

Эта группа, которой Пуанкаре дал название группа Лоренца и которую современные физики именуют группа Пуанкаре, является основой специальной теории относительности. Итак, 5 июня 1905 года Пуанкаре дал новую форму преобразованиям, предложенным Лоренцем, и установил их групповую природу.

В силу этих преобразований уравнения Максвелла инвариантны, и этим удовлетворяется принцип относительности. В этом и состоит главный момент. Основы теории относительности наконец были сформированы.

В это время, 26 сентября 1905 года, “Annalen der Physic” (Берлин—Лейпциг) публикует статью Альберта Эйнштейна, озаглавленную “К электродинамике движущихся тел”. Рукопись, подписанная Эйнштейном и его женой Милевой Марич (см. Science &Vie № 871, p. 32), была получена редакцией 30 июня 1905 года, то есть более трех недель спустя после публикации заметки Пуанкаре. Рукопись была уничтожена сразу же после ее публикации.

В его статье можно найти то, о чем в течение десяти лет Пуанкаре дискутировал с Лоренцем и что уже неоднократно публиковалось: ненужность эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени,- условность понятия одновременности, принцип относительности, постоянство скорости света, синхронизация часов световыми сигналами, преобразования Лоренца, инвариантность уравнений Максвелла и так далее.

К уже известному Эйнштейн добавил формулы релятивистского эффекта Доплера и аберрации, которые вытекают из преобразований Лоренца.

Таким образом, независимый исследователь, никогда ничего не публиковавший по обсуждаемому вопросу прежде, якобы переоткрыл практически мгновенно то, что ученые класса Лоренца и Пуанкаре смогли установить только после десяти лет усилий.

Более того, вопреки научной этике в своей статье Эйнштейн не делает никаких ссылок на работы предшественников, что особенно поразило Макса Борна. При этом Эйнштейн, который читал по-французски так же хорошо, как и по-немецки, знал работу Пуанкаре “Наука и гипотеза”, а также, без сомнения, и все другие статьи Лоренца и Пуанкаре.

Это не помешало Эйнштейну стать в глазах общественности творцом теории относительности, что обрекало Пуанкаре на забвение. Такое произошло под влиянием немецкой школы и благодаря научному авторитету Планка и фон Лауе. В 1907 году Планк писал; “Принцип относительности, намеченный Лоренцем и в наиболее общем виде сформулированный Эйнштейном…” Пуанкаре был уже полностью проигнорирован.

Этому есть два главных объяснения. Прежде всего конфликт двух кланов: Пуанкаре был математиком, а не физиком. Мог ли профессор математики с высоты своей кафедры давать советы тем, кто внизу ведет тяжелую борьбу с грубой реальностью практики? Затем конфликт наций: в начале века наука была немецкой (Рентген, Герц, Планк, Вайн и др.), как могли немцы получать уроки от французов?

Хотя Эйнштейн и работал в Берне, но родился он в Ульме, в Баварии. Он принадлежал немецкой школе. Поэтому и стал знаменитым. Потом американцы, склонные все преувеличивать до абсурда, сделали из него самого великого ученого человечества.

В избытке почестей есть, однако, небольшая осечка. Пуанкаре умер в 1912 году, и в этом же году, а затем и в следующих, Эйнштейн выдвигался на Нобелевскую премию по теории относительности. В конце концов он получил эту премию, но не за эту теорию, а за фотоэффект.

Для премии по теории относительности было существенное препятствие: Лоренц, престиж которого в Шведской академии наук был огромен и который лучше, чем кто-либо, знал о приоритете Пуанкаре в генезисе релятивизма.