Филипп Ленард

О принципе относительности, эфире и тяготении
(Критика теории относительности)
Общая часть

Эфир

В последнее время со стороны провозвестников принципа относительности были сделаны попытки упразднить заполняющую пространство среду — эфир, как ненужный и обременительный придаток. Попытки совершенно ничем не оправданные. Эфир не только был и продолжает быть вместе с материей главной составной частью в картине мира, созданной выдающимися естествоиспытателями. Он, кроме того, доказал свою ценность в качестве важного вспомогательного орудия исследования, о чем убедительно свидетельствует история естествознания, особенно в тех случаях, когда она может проследить первоначальное зарождение новых открытий. Вспомним основание и разработку современной оптики в ее главных частях Гюйгенсом и Френелем, или историю возникновения основных уравнений электродинамики у Максвелла, или же открытие электрических волн Герцем.

Определенно принимая допущение эфира во введении к своему знаменитому "Трактату о свете", Гюйгенс говорит в нем об "истинной философии", подразумевая под ней естествознание, "которая сводит причины всех явлений в природе к механическим основам", и добавляет: "Я считаю, что мы именно так и должны поступать, или же нам придется отказаться от всякой надежды когда-либо что-нибудь понять в физике" (см. у Оствальдта, Klassiker, 20, 5—10).

Что эфир постоянно играл серьезную и важную роль в построениях Г. Герца, я могу подтвердить по собственным воспоминаниям, относящимся к последним годам его жизни. Несомненно, что и в осуществлении или открытии электрических волн ему также помог эфир, причем Герцу не было для этого необходимо предварительно полностью разрезать оба тома Максвелла. Достаточно было принять, что действия индукции распространяются в эфире с конечной скоростью, и на этой основе построить опыты с быстрыми колебаниями.

То обстоятельство, что другие ученые считают возможным обойтись без эфира — как для построения общей картины мира, так и при своих исследованиях, ничего не говорит против эфира, и напротив, будет совершенно понятно, если мы учтем два рода картин неодушевленной природы, которые до сих пор создавала человеческая мысль. Я позволю себе повторить здесь однажды уже сделанное мною разъяснение сказанного ("Ueber Aether und Materie", Heidelb. (С. Winter), 1911, S. 5):

"Картина природы, даваемая естествоиспытателем, может быть двоякого рода. И в том и в другом случае она будет иметь количественный характер. Но она может, — и это будет первый способ, — всецело заключаться в одном установлении количественных отношений между наблюдаемыми величинами. В этом случае она может быть вполне выражена в виде математических формул, большей частью дифференциальных уравнений. Этот путь избрали Кирхгоф и Гельмгольц. Кирхгоф назвал его математическим описанием природы. Научное использование данных такой картины природы и вместе с тем проверка их правильности заключается в построении отчасти вытекающих из них выводов. Выводы эти суть математические выводы из уравнений, и только. Но можно не останавливаться на этом, и тогда мы имеем картину мира второго рода. В ней мы руководствуемся тем убеждением, без которого в наших естественнонаучных исследованиях, несомненно, никогда не достигли бы успехов. А именно, мы исходим из того, что все процессы в природе являются только процессами движения, т. е. состоят в пространственных перемещениях раз навсегда данной материи. В этом случае мы в каждом явлении природы должны установить его механизм, и те уравнения, которые нам давали картину мира первого рода, должны здесь быть уравнениями механики, должны соответствовать совершенно определенным механизмам. Эти механизмы и будут для нас образами, в которых мы мыслим себе процессы природы. Образами ее вещей в нашем представлении будут механические, динамические модели. Механические модели и уравнения, т. е. оба способа изображения мира, если только они правильны, будут совершенно равноценны друг другу в результатах, к которым они приводят".

Из сказанного видно, что картину мира второго рода я ставлю выше, чем первого, так как она в завершенном виде представляет по сравнению с картиной первого рода ее дальнейшее развитие. Но в начале исследования она, наоборот, нередко является лишь введением к математической картине. В виду этого, естественно, иногда бывает, что мы имеем надлежащую картину первого рода там, где еще не в состоянии дать законченную картину второго рода, и в этих случаях первой должно быть отдано преимущество перед последней.

Сказанным разъясняется вопрос о правильности нашей идеи эфира, о том, в праве ли мы объявить его "уже ставшей нам ненужной точкой зрения". При методе описания первого рода вполне можно обойтись без эфира, поскольку мы в этом случае хотим ограничиться единственно выражением в уравнениях отношений между доступными непосредственному наблюдению величинами. Здесь нам дана возможность такого ограничения, но она исключена в картине второго рода, так как для того, чтобы она была понятна, существенным ее условием является принятие "скрытых соучаствующих факторов" (эфир, атомы материи, электроны).

Само собой разумеется, что часто имеет место соединение обоих методов построения картины мира, и лишь в редких случаях до конца проводится возможное лишь при первой из них полное устранение "скрытых соучаствующих факторов". Но — явление, характерное для нашего времени, — теперь по преимуществу принято избегать именно эфира, как чего-то в особенности подозрительного, тогда как электроны признаются вполне допустимыми. Напротив, некоторое время назад столь же необходимым считалось отказываться от признания электричества, и ограничивать рассмотрение только доступными прямому наблюдению "электрическими силами". В подобных случаях отказа от уже оправдавших себя гипотез дело идет только о некотором добровольном пуританизме своего рода в угоду какому-либо научному направлению, составляющему в данный момент центр внимания. В этом не было бы особой беды, если бы это часто не влекло за собой игнорирования вещей, весьма важных для успехов исследования. Так, например, высказанное когда-то Максвеллом предостережение против принятия электричества, несомненно, затормозило открытие электронов.

В этом можно видеть сильную и слабую стороны обоих способов построения картины мира. Указанная возможность ограничиться в картине первого рода непосредственно наблюдаемыми величинами, избегая, таким образом, менее достоверного и более трудного, составляет его силу. Но в этом же состоит и его слабая сторона, так как для здравомыслящего и обладающего современными познаниями естествоиспытателя не представляет ни малейшего сомнения то, что подавляющее большинство вещей, даже в чисто материальной природе, остаются скрытыми для наших жалких пяти или шести чувств, и что, следовательно, ограничение, совершенно устраняющее эти скрытые соучаствующие факторы, является ограничением поистине, ужасающего объема.

Такое ограничение естественнонаучной картины мира только непосредственно доступным наблюдению может быть названо человеческим, т.е. приноровленным к человеческой природе, поскольку оно заранее все строит на наших чувствах. Но оно противоречит также и человеческой природе, так как не считается со способностью человеческого духа и с присущим ему стремлением воссоздавать в своем воображении соответственные образы скрытых от нас соучаствующих факторов. Практически оно облегчает описание природы, так как устраняет все, что не может быть непосредственно контролируемо; но оно и затрудняет его, так как оставляет в нем зияющие пустоты, объем которых подавляюще велик, как это только что было указано, и через которые должен быть переброшен мост при помощи соответствующих математических построений. В виду всего этого, претензии некоторых из сторонников первого способа построения картины природы, призывающие упразднить эфир, производят впечатление основанного на недоразумении самомнения. Или ими здесь объявляется "ставшей излишней точкой зрения" такое допущение, относительно которого и так можно было заранее сказать, что без него при известных условиях можно обойтись. Или же отвергается существование пропасти только потому, что оказалось возможным через нее перепрыгнуть.

Таким прыжком через пропасть могло казаться в свое время открытие световых квантов. На одной стороне были световые волны, на другой — нового рода световые кванты, а между ними оставалась незаполненной пропасть, чего, конечно, никто не мог поставить в вину смелому автору прыжка. Но уже слишком далеко шло по пути отрицания сделанное в связи с этим открытием заявление: "Отныне гипотеза эфира должна, конечно, рассматриваться как точка зрения, теперь ставшая уже излишней". (Съезд естествоиспытателей в Зальцбурге 21-го сентября 1909 г., Verh. d. D. Phys. Ges., S. 482. Phys. Zeitschr., Bd. 10, S. 817, 1909). Такое заявление не могло внушить бодрости для дальнейших попыток перебросить мост через указанную пропасть, что, однако, было желательно в интересах научного исследования. Тем не менее, я попытался это сделать и пришел к выводу, что в световых квантах мы имеем то же самое явление, которое уже задолго до того было отмечено под видом когерентных верениц световых волн, но только дополненное новым существенным предположением о концентрации энергии в луче определенного направления. Последнее я объяснял, принимая, как это, впрочем, и вообще представлялось вероятным, что в каждой из испускаемых колеблющимся отдельным электроном световых волн заключается только одно кольцо электрических силовых линий, мыслимое в виде отдельного эфирного вихревого кольца. (См. "Ueber Aether und Materie", 1911, S. 19 u. ff. и Untersuchung über Phnsphorescenz, Heidelb. Akad., 1913, A 19, S. 34, сноска 61). Как я установил позже, уже и Г. А. Лоренц объяснял световые кванты, как когерентные вереницы волн (Physik Zeitschrift. Bd. 11, S. 353, 1910). Возможность такого объяснения доказывает, — и это отнюдь не безразлично для общей картины естествоиспытателя, — что световые кванты не произвели никакого переворота в теории света, в особенности же, что они ровно ничего не говорят ни за, ни против "гипотезы эфира". Напротив, теория световых квантов по существу касается особого, бывшего до того неизвестным, свойства испускающих свет атомов, заключающегося в том, что они приспособлены к испусканию когерентных верениц волн с определенным содержанием энергии, зависящим от периода колебания.

Взгляд на световые кванты, как на когерентные вереницы волн, длина коих может быть, таким образом, измерена в каждом отдельном случае при помощи построенных на оптической интерференции опытов, был с очевидностью подтвержден новыми опытами г. В. Вина, в которых была измерена продолжительность испускания световых квантов (Annalen d. Physik, Bd. 60, S. 597, 1919).

Весьма замечательно, что, как выяснилось при этом в результате непосредственного наблюдения, энергия светового кванта распределена неравномерно по длине ряда волн, но что мы имеем здесь постепенное затухание испускающего свет атома (согласно показательной функции, как при акустическом ряде волн от звука колокола). Таким образом, мы только тогда можем определить длину всей вереницы волн, когда установим, к какой стадии затухания должен быть отнесен его конец. Если мы его фиксируем, примерно, при 1/7 (точнее, при 1/е2 начальной интенсивности), то, согласно измерениям г. В. Вина, длина светового кванта будет около 10 m. Притом длина эта, что опять-таки весьма замечательно, будет одинакова, согласно произведенным до сих пор измерениям, для световых квантов всех длин волн, несмотря на то, что содержание энергии световых квантов различно при различной длине волн. Это могло бы означать (если позволительно уже теперь делать обобщения на основе этих новых опытов), что энергия каждой отдельной волны какого-либо светового кванта будет одинакова при одинаковом расстоянии от места излучения данного ряда волн. Тогда, по нашему представлению, различное количество энергии волн, неодинаково далеко отстоящих от начала, выражалось бы в различной ширине кольца замкнутых в кольцо электрических силовых линий волны, отсчитанной перпендикулярно к лучу.

Любопытно при этом отметить следующее. С особой энергией настаивает на отрицании эфира именно обобщенный принцип относительности, но зато он приходит к "пространственным координатам", составляющим его существенную принадлежность. Последние же, по приписываемой им изменчивости их свойств, вполне могут быть приняты за нечто определяющее состояния пространства. В результате получается впечатление, что тот же самый изгнанный эфир вновь дал о себе знать под измененным именем "пространства".

Понятие абсолютного движения также могло бы быть наилучше определено с помощью эфира, и именно, как относительного движения по отношению к эфиру. Тогда содержание принципа относительности могло бы быть выражено так: возможно установить только относительное движение материи по отношению к материи же, а не равномерное относительное движение материи по отношению к эфиру (первоначальный или специальный принцип относительности). Что касается неравномерного относительного движения материи к эфиру, то по общему правилу оно может быть установлено (на основании связанных с ним, как мы видели, сил инерции или же при помощи отдельных электрических зарядов как основных частей материи, благодаря возбуждаемым ими в эфире волнам"). Только в случае, когда мы имеем в качестве действующей силы тяготение, не может быть установлено также и неравномерное относительное движение материи к эфиру (так как силы инерции, служащие его признаком, в данном случае не имеют места; это будет ограниченный обобщенный принцип относительности, или, лучше, принцип тяготения).

Но есть еще и особая причина, сыгравшая роль в столь часто высказывавшемся за последнее десятилетие отрицательном отношении к этой заполняющей пространство среде. Это — очевидное несовершенство наших теперешних представлений об эфире. Законченное и в пределах доказуемого свободное от противоречий представление об эфире, пригодное для наших исследований, мы имели бы только в том случае, если бы внутренний механизм его частей был нами настолько же выяснен, насколько у лее выяснен внутренний механизм материи, со времени развития кинетической теории газов. В этом случае максвелловские уравнения, представляющие в известном смысле квинтэссенцию физики эфира (поскольку они охватывают свет, электричество и магнетизм), так же могли бы быть выведены из теории механизма эфира, как оказалось возможным вывести уравнение состояния материи из указанной кинетической теории. Но до сих пор в этом отношении, как это неоднократно особо подчеркивалось за последние годы, мы имели с максвеллевскими уравнениями только отрицательные результаты.

Надо считать доказанным, что эти уравнения не могут быть приведены к уравнениям движения эфира, непрерывно заполняющего пространство. Но и уравнение состояния материи также не может быть выведено из движения непрерывно распространенных масс, но только из движения раздельно распределенных атомов. Подобно этим уравнениям, также и максвелловские уравнения должны быть рассматриваемы лишь как статистические уравнения, применимые только при взаимодействии весьма большого количества электронов, но теряющие свою силу, поскольку речь идет об отдельных элементарных процессах. (Ср. "Ueber Aether u. Materie", 1911, S. 34). О прерывном зернистом строении эфира мы будем говорить в следующей главе.

Это привело, невидимому, к широко распространенному отрицанию возможности положительных результатов. Такое положение вещей сходно с тем, что наблюдалось до 1877-го года, когда, вследствие многочисленных неудачных попыток обратить воздух в жидкое состояние при помощи одного только высокого давления, создалось убеждение, что существуют "перманентные" или "несжижаемые" газы в противоположность другим, допускающим сжижение. Теперь мы уж давно знаем, что это было лишь временным заблуждением, которое могло так прочно укорениться только благодаря ограниченности суждений, ибо уже задолго до того, как факт обращения кислорода в жидкое состояние раскрыл всем глаза на действительное положение этого вопроса, не было недостатка в материале для правильного его понимания, которое мы связываем с понятием "критической температуры".

Время покажет, не повторится ли та же история в развитии проблемы эфира. Я лично не думаю, чтобы надолго можно было отказаться от механики эфира. Это было бы равносильно отказу в естественнонаучных исследованиях от последовательного применения геометрических и динамических воззрений, имеющего не случайное, но решающее значение, т.е. отказу от того вспомогательного орудия, которому до сих пор естествознание было обязано самыми крупными, можно сказать, всеми своими достижениями. В этом можно убедиться, если проследить там, где это возможно, зарождение открытий в уме их авторов или хотя бы хронологический порядок их опубликования. Наряду с указанным методом чисто абстрактное, математическое исследование, не связанное с представлениями трехмерного пространства и дающее картину мира первого рода, почти всегда играет роль только последующей формулировки, задача которой — защитить уже найденное зерно открытия, и которая вместе с тем, разумеется, одна только и сообщает ему характер бесспорности и придает ему его всеобщее значение.

Так было в известной мере и с первыми успехами новых исследований тяготения, выходящих за пределы закона обратной пропорциональности квадрату расстояния. Идея Гербера о распространении тяготения с конечной скоростью, а именно, со скоростью света, встреченная в свое время самыми неблагоприятными отзывами, опиралась в основе только на представление об эфире. Тем не менее, она дала возможность, если не доказать, то установить, согласно с данными опыта, связь между движениями Меркурия и конечной скоростью распространения тяготения еще раньше, чем г. Эйнштейн с помощью чисто математического метода исследования мог с большей, разумеется, убедительностью установить указанную связь.