Уявлення про простір і час, що панували тоді у фізиці, були освячені віковими традиціями. Вважалося само собою зрозумілим, що евклідова геометрія дає повний опис властивостей простору. Розроблені математиками нові геометричні системи ще не знайшли застосувань поза самою математикою й мали суто теоретичне значення. Властивості часу вважалися цілком незалежними від властивостей простору; такі поняття, як, наприклад, одночасність віддалених подій, ні в кого, крім філософів, не викликали сумнівів, і нікому не спадало на думку, що вони можуть зазнати критики й навіть зміни.
Правда, у своїх спробах теоретично осмислити нові дослідні факти деякі фізики застосовували різного роду перетворення простору й часу, незвичайні зі старого, класичного погляду, але в них вони мали характер формальних, суто математичних побудов, позбавлених реального фізичного змісту. Такого погляду дотримувався Лоренц, який по суті відкрив новий принцип відносності. Французький математик Пуанкаре, який дійшов майже одночасно з Ейнштейном до тих самих результатів, також був далекий від того, щоб надавати своїм формулам конкретного фізичного змісту. Лише Ейнштейн виявив достатню наукову сміливість і зробив вирішальний крок.
Основне твердження Ейнштейна зводиться до того, що негативний результат досліду Майкельсона пояснюється не якимись ефектами, на зразок лоренцового скорочення, і не особливими властивостями ефіру (існувала гіпотеза про те, що ефір повністю або частково захоплюється тілами, які рухаються крізь нього), а тим, що властивості простору й часу такі, що швидкість світла є величина не відносна, а абсолютна.
Цей постулат сталості швидкості світла перебуває в непримиренній суперечності як з принципом відносності Галілея, так і з усіма нашими звичними уявленнями про швидкість. Ми настільки звикли до закону додавання швидкостей, що будь-яку відмову від нього готові вважати цілковитим абсурдом. Для пасажира, який відстав від потяга й намагається його наздогнати, потяг рухається повільніше, ніж для нерухомих спостерігачів цієї сцени. Але, згідно з постулатом Ейнштейна, двоє спостерігачів, які вимірюють швидкість світла від того самого джерела, дістануть однаковий результат, як би швидко вони не рухалися один відносно одного. Один з них може рухатися назустріч світлу, інший — наздоганяти це саме світло; все одно для кожного з них швидкість світла дорівнює 300 000 км/с.
Проте класичний закон додавання швидкостей підтверджено безліччю найточніших вимірювань. Отже, швидкість світла становить якийсь виняток? А якщо вимірювати швидкість, що лише трохи відрізняється від швидкості світла? Чи буде вона відносною? Такі досліди було поставлено. Вимірювалася швидкість світла в рідині, що рухається. Як відомо, у прозорих середовищах світло поширюється повільніше, ніж у порожнечі, відповідно до показника заломлення середовища. Ці досліди показали, що тут швидкість світла виявляється вже відносною, тобто залежить від того, нерухома рідина чи рухається. Проте класичний закон додавання швидкостей виявився тут все-таки порушеним — зі зміною швидкості рідини швидкість світла змінювалася менше, ніж їй належить. Виявляється, що чим вища швидкість тіла, чим ближча вона до швидкості світла, тим більше вона втрачає свою відносність. Швидкість же світла зовсім не відносна. Можна додати, що теорія відносності приводить до висновку про неможливість руху зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Таким чином, звичний для нас класичний закон додавання швидкостей виявляється справедливим лише для порівняно повільних рухів; для великих швидкостей він потребує поправок. З точною формою закону додавання швидкостей ми свого часу ознайомимося.
В основу теорії відносності Ейнштейн поклав принцип відносності, що збігається за своєю формулюванням з принципом відносності Галілея. Відмінність полягає, по-перше, в тому, що він тепер поширюється не лише на механічні, а й на електромагнітні та взагалі на всі фізичні явища, і, по-друге, в поділі фізичних величин на відносні й абсолютні. Те, що швидкість світла переходить з розряду відносних величин у розряд абсолютних, приводить до необхідності перегляду всієї класифікації.
Усіх аксіом теорії відносності ми перелічувати не будемо; за винятком постулату сталості швидкості світла вони досить звичайні й не можуть викликати особливих заперечень. Так, наприклад, простір вважається однорідним, тобто всі його точки й усі напрямки визнаються рівноправними, і т. д. Геометрія простору залишається евклідовою. Як ми незабаром переконаємося, нові геометричні ідеї знаходять у теорії відносності, проте, найбезпосередніше, хоч і дещо несподіване, застосування.
Подальшу побудову теорії відносності можна й потрібно проводити суто дедуктивним, логічним шляхом, добуваючи різні наслідки зі сформульованих постулатів. Серед них незвичайний лише один — постулат сталості швидкості світла. Цього, однак, виявляється досить, щоб значною мірою «перевернути» звичні нам уявлення про навколишній світ, подібно до того як зміна лише однієї геометричної аксіоми привела до нової, неевклідової геометрії.
Незвичайність, а подеколи й парадоксальність багатьох висновків теорії відносності створює певні труднощі в її вивченні. Після свого виникнення вона була сприйнята далеко не відразу. Але під тиском дедалі більшого потоку підтверджень її противники один за одним змушені були скласти зброю. Нові ідеї були сприйняті; наступні роки перетворилися на справжній тріумф теорії відносності. Ейнштейн зі скромного інженера перетворився на всесвітньо відомого вченого, дістав кафедру в Берлінському університеті. Коли ж на Німеччину насунулася похмура тінь гітлеризму й Ейнштейн змушений був покинути батьківщину, ціла низка інститутів, університетів і академій світу запропонувала йому свої кафедри. Ейнштейн поїхав до Америки, де й прожив до кінця своїх днів. Він помер у 1955 році, того самого року, коли виповнилося п'ятдесят років його дітищу — теорії відносності.
Нині теорія відносності є необхідною складовою частиною фізики. Її значення зростає буквально з кожним днем. З деякими її застосуваннями ми надалі ознайомимося. Не можна не відзначити також глибокого пізнавального, філософського значення цієї теорії. Після її появи відразу стало ясно, що викликані нею глибокі зміни у фізичній картині навколишнього нас світу не можна зрозуміти без належного філософського аналізу її основ. Хоча в завдання цієї книги й не входить повне з'ясування цього боку справи, на деяких питаннях, що стосуються його, нам усе ж доведеться зупинитися.
Правда, у своїх спробах теоретично осмислити нові дослідні факти деякі фізики застосовували різного роду перетворення простору й часу, незвичайні зі старого, класичного погляду, але в них вони мали характер формальних, суто математичних побудов, позбавлених реального фізичного змісту. Такого погляду дотримувався Лоренц, який по суті відкрив новий принцип відносності. Французький математик Пуанкаре, який дійшов майже одночасно з Ейнштейном до тих самих результатів, також був далекий від того, щоб надавати своїм формулам конкретного фізичного змісту. Лише Ейнштейн виявив достатню наукову сміливість і зробив вирішальний крок.
Основне твердження Ейнштейна зводиться до того, що негативний результат досліду Майкельсона пояснюється не якимись ефектами, на зразок лоренцового скорочення, і не особливими властивостями ефіру (існувала гіпотеза про те, що ефір повністю або частково захоплюється тілами, які рухаються крізь нього), а тим, що властивості простору й часу такі, що швидкість світла є величина не відносна, а абсолютна.
Цей постулат сталості швидкості світла перебуває в непримиренній суперечності як з принципом відносності Галілея, так і з усіма нашими звичними уявленнями про швидкість. Ми настільки звикли до закону додавання швидкостей, що будь-яку відмову від нього готові вважати цілковитим абсурдом. Для пасажира, який відстав від потяга й намагається його наздогнати, потяг рухається повільніше, ніж для нерухомих спостерігачів цієї сцени. Але, згідно з постулатом Ейнштейна, двоє спостерігачів, які вимірюють швидкість світла від того самого джерела, дістануть однаковий результат, як би швидко вони не рухалися один відносно одного. Один з них може рухатися назустріч світлу, інший — наздоганяти це саме світло; все одно для кожного з них швидкість світла дорівнює 300 000 км/с.
Проте класичний закон додавання швидкостей підтверджено безліччю найточніших вимірювань. Отже, швидкість світла становить якийсь виняток? А якщо вимірювати швидкість, що лише трохи відрізняється від швидкості світла? Чи буде вона відносною? Такі досліди було поставлено. Вимірювалася швидкість світла в рідині, що рухається. Як відомо, у прозорих середовищах світло поширюється повільніше, ніж у порожнечі, відповідно до показника заломлення середовища. Ці досліди показали, що тут швидкість світла виявляється вже відносною, тобто залежить від того, нерухома рідина чи рухається. Проте класичний закон додавання швидкостей виявився тут все-таки порушеним — зі зміною швидкості рідини швидкість світла змінювалася менше, ніж їй належить. Виявляється, що чим вища швидкість тіла, чим ближча вона до швидкості світла, тим більше вона втрачає свою відносність. Швидкість же світла зовсім не відносна. Можна додати, що теорія відносності приводить до висновку про неможливість руху зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Таким чином, звичний для нас класичний закон додавання швидкостей виявляється справедливим лише для порівняно повільних рухів; для великих швидкостей він потребує поправок. З точною формою закону додавання швидкостей ми свого часу ознайомимося.
В основу теорії відносності Ейнштейн поклав принцип відносності, що збігається за своєю формулюванням з принципом відносності Галілея. Відмінність полягає, по-перше, в тому, що він тепер поширюється не лише на механічні, а й на електромагнітні та взагалі на всі фізичні явища, і, по-друге, в поділі фізичних величин на відносні й абсолютні. Те, що швидкість світла переходить з розряду відносних величин у розряд абсолютних, приводить до необхідності перегляду всієї класифікації.
Усіх аксіом теорії відносності ми перелічувати не будемо; за винятком постулату сталості швидкості світла вони досить звичайні й не можуть викликати особливих заперечень. Так, наприклад, простір вважається однорідним, тобто всі його точки й усі напрямки визнаються рівноправними, і т. д. Геометрія простору залишається евклідовою. Як ми незабаром переконаємося, нові геометричні ідеї знаходять у теорії відносності, проте, найбезпосередніше, хоч і дещо несподіване, застосування.
Подальшу побудову теорії відносності можна й потрібно проводити суто дедуктивним, логічним шляхом, добуваючи різні наслідки зі сформульованих постулатів. Серед них незвичайний лише один — постулат сталості швидкості світла. Цього, однак, виявляється досить, щоб значною мірою «перевернути» звичні нам уявлення про навколишній світ, подібно до того як зміна лише однієї геометричної аксіоми привела до нової, неевклідової геометрії.
Незвичайність, а подеколи й парадоксальність багатьох висновків теорії відносності створює певні труднощі в її вивченні. Після свого виникнення вона була сприйнята далеко не відразу. Але під тиском дедалі більшого потоку підтверджень її противники один за одним змушені були скласти зброю. Нові ідеї були сприйняті; наступні роки перетворилися на справжній тріумф теорії відносності. Ейнштейн зі скромного інженера перетворився на всесвітньо відомого вченого, дістав кафедру в Берлінському університеті. Коли ж на Німеччину насунулася похмура тінь гітлеризму й Ейнштейн змушений був покинути батьківщину, ціла низка інститутів, університетів і академій світу запропонувала йому свої кафедри. Ейнштейн поїхав до Америки, де й прожив до кінця своїх днів. Він помер у 1955 році, того самого року, коли виповнилося п'ятдесят років його дітищу — теорії відносності.
Нині теорія відносності є необхідною складовою частиною фізики. Її значення зростає буквально з кожним днем. З деякими її застосуваннями ми надалі ознайомимося. Не можна не відзначити також глибокого пізнавального, філософського значення цієї теорії. Після її появи відразу стало ясно, що викликані нею глибокі зміни у фізичній картині навколишнього нас світу не можна зрозуміти без належного філософського аналізу її основ. Хоча в завдання цієї книги й не входить повне з'ясування цього боку справи, на деяких питаннях, що стосуються його, нам усе ж доведеться зупинитися.