Экспериментальной основой для создания специальной теории относительности явились исследования оптических и электрических явлений в движущихся средах. В конце XIX в. физики располагали такой совокупностью экспериментальных результатов, которую нельзя было объяснить без коренного-преобразования основных и общих физических представлений, выходящих за рамки собственно электрических и оптических явлений. Для решения проблемы требовалось совершить качественный скачок к признанию возможности осуществления в природе иных,, неизвестных физикам метрических соотношений.

В гениальных предвидениях Лобачевского, Римана и Гельм-гольца не было, однако, осознано то важнейшее обстоятельство, что новые физические законы не могут привести к изменению-изолированно только геометрии пространственных соотношений, не касаясь преобразования времени. С формальной точки зрения требовалось уже известные в науке идеи Лобачевского и Римана распространить на геометрию пространства — времени. Но распространить математические преобразования на понятие времени и означало совершить целый переворот в научном мышлении. Наступление на этот бастион началось с робких поисков новых математических преобразований пространственно-временных координат, которым авторы первоначально не решались придавать какой-либо реальный физический смысл.

Фогт был первым ученым, посягнувшим на преобразования временных координат. В 1887 г. в работе [1], посвященной теоретическому исследованию явления Доплера для света, он решил задачу об определении линейных преобразований пространственно-временных координат, сохраняющих неизменной форму уравнения колебаний несжимаемой упругой среды — светоносного эфира. В его преобразованиях изменялась и временная координата. При неизменном масштабе времени менялось начало отсчета времени для различных пространственных точек. К сожалению, на этот важный результат не было своевременно обращено внимание. И даже сам автор не применил свое преобразование к оптическим и электромагнитным явлениям в движущихся средах, которым была посвящена его следующая статья, опубликованная в том же 1887 г.

Следующий крупный шаг в поиске новых преобразований пространственно-временных координат был сделан Лармором. В 1900 г. в книге “Эфир и материя” [4] он опубликовал найденные им преобразования координат, по отношению к которым уравнения Максвелла •в вакууме являлись инвариантными. Эти преобразования были получены вновь Лоренцем в его знаменитой работе 1904 г., и в дальнейшем, следуя Пуанкаре, их стали именовать преобразованиями Лоренца. Именно этим преобразованиям, впервые полученным Лармором, в теории относительности было придано универсальное значение как пространственно-временным соотношениям, выражающим общие свойства физических процессов.

К периоду, предшествующему созданию релятивистской теории, относится и предложение одного из возможных вариантов осуществления изменения пространственных масштабов, обусловленного физическими причинами сокращений длин реальных твердых тел. Для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона Фицджеральд (идею сокращения тел Фицджеральд излагал в своих лекциях начиная с 1891 г., но опубликована она была только в 1893 г. в работе Лоджа [6] по аберрации) и независимо Лоренц [3, 5] выдвинули предположение о сокращении размеров всех твердых тел в направлении их движения относительно эфира со скоростью v в отношении

где с — скорость распространения света в эфире. Точно такая же величина сокращения длин пространственных отрезков была в дальнейшем принята и в теории относительности, которая, однако, придав этому эффекту универсальное значение, показала необоснованность его объяснения движением тел относительно эфира.

Из всех перечисленных открытий периода, предшествующего созданию СТО, лишь гипотеза Фицджеральда — Лоренца о сокращении длин тел оказала непосредственное влияние на дальнейший ход формирования идей теории относительности. Именно с поиска физического обоснования этой гипотезы Лоренцем было начато построение теории, строго удовлетворяющей принципу относительности. Идея сокращения пространственных отрезков оказала, безусловно, влияние и на Лармора, направив его исследования на поиск новых пространственно-временных преобразований. Следует отметить, что полученным новым пространственно-временным преобразованиям Лармор придавал определенный физический смысл, вовсе не сводя их только к формальным математическим преобразованиям переменных. Найденные преобразования он непосредственно связывал с невозможностью наблюдения эффектов второго порядка в опытах по обнаружению движения Земли относительно эфира. И подобно тому как Фицджеральдом и Лоренцем трактовалось сокращение пространственных размеров реальных физических тел, движущихся относительно эфира, так Лармором впервые было сформулировано утверждение о реальном замедлении хода физических процессов в материальных системах, движущихся через эфир. Поэтому совершенно справедливо релятивистский эффект замедления времени некоторые авторы называют эффектом Лармора — Лоренца. К сожалению, на фундаментальное содержание соответствующих глав книги Лармора не было своевременно обращено должного внимания.

Лишь более ранняя работа Лармора 1893 г., в которой обсуждалась-проблема электродинамики движущихся тел, привлекла внимание А. Пуанкаре и послужила начальным толчком для рассуждений, приведших его к убеждению о справедливости принципа относительности для всех физических явлений, включая оптические и электромагнитные (см. стр. 7 наст. сб.).

Недооценивается значение этой работы и в исторических исследованиях происхождения СТО. А между тем найденные впервые Лармором новые преобразования пространственно-временных координат, если им только придавать реальный физический смысл и относить ко всем физическим процессам, включали в себя все содержание СТО. Однако подлинное содержание новых преобразований не было уяснено ни самим автором, ни его современниками, и потребовалось еще несколько лет, чтобы другие ученые, заново пройдя путь Лармора, смогли значительно продвинуться в раскрытии содержания этих фундаментальных преобразований пространства, и времени.

В пределах же частично раскрытого содержания преобразований и не могло возникнуть сколько-нибудь полного объяснения их -сущности. К работе Лармора в полной мере относятся слова Дайсона по поводу принципиально новых открытий в теоретической физике: “Великое открытие, когда оно только что появляется, почти наверняка возникает в запутанной и бессвязной форме. Самому открывателю оно понятно наполовину. Для всех остальных оно — полная тайна” [7].

Поскольку, однако, преобразования, полученные Лармором, касались слишком коренной ломки существовавших тогда основных физических представлений, то в запутанной форме первого изложения и нечеткого обоснования они не только не были приняты другими учеными, еще совершенно не подготовленными для такого радикального шага, но вообще не обратили на себя серьезного внимания даже исследователей, занятых решением той же проблемы электродинамики движущихся тел.

Конечно, как предварительный период поиска решений проблемы электродинамики движущихся тел, так и последующий период непосредственного построения СТО основывались на общем фундаменте важнейших достижений теоретической физики второй половины XIX в. в области электромагнитных явлений.

Так, большое значение в целом имело развитие представлений о единой природе электромагнитных и оптических явлений. Именно на этой основе возникло единое теоретическое описание с общим экспериментальным фундаментом оптических и электромагнитных явлений. В 1892 г. Герц дал первый пример обобщения уравнений Максвелла на случай движущихся тел. Труд Лоренца “Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся средах” (1895 г.) явился основой для дальнейших теоретических изысканий, завершивших создание теории относительности. В этой работе Лоренц, исходя из основных положений электронной теории, доказал отсутствие в электромагнитных и оптических опытах эффектов первого порядка, связанных с движением тел относительно эфира.

Особое практически важное значение сыграло и то обстоятельство, что в распоряжении физиков уже имелось созданное Максвеллом теоретическое описание электромагнитных явлений, инвариантное относительно искомых преобразований.

Но направить этот поиск на правильный путь могли прежде всего идеи об общих принципах будущей физической теории.

Физические идеи, непосредственно составившие основу теории относительности, были выдвинуты еще в 1895 и 1898 гг. крупнейшим французским ученым А. Пуанкаре. Пуанкаре впервые выступил с отрицанием принципиальной возможности существования в природе абсолютного движения и высказал идею универсального постулата относительности, которому должны подчиняться все физические явления.

В работе 1895 г. [8], посвященной обсуждению теории Лармора, Пуанкаре следующим образом обобщает многие экспериментальные факты: “... невозможно обнаружить абсолютное движение материи, или, точнее, относительное движение весомой материи и эфира. Все, что можно сделать, — это выявить движение весомой материи относительно весомой материи”. Далее, ссылаясь на опыт Майкельсона, он подчеркивает, что теория должна удовлетворять этому принципу строго, не пренебрегая величинами второго порядка.

Весьма важное значение имеет уточнение Пуанкаре относительно того, что речь идет о невозможности обнаружения не вообще абсолютного движения, лишенного физического смысла, а движения, которое в то время формулировалось как движение относительно особой гипотетической среды — эфира, пронизывающего все тела и заполняющего все пространство между ними.

Следует отметить, что даже такой последовательный сторонник изгнания из механики бессмысленного понятия абсолютного движения, как Э. Мах, в то время допускал реализацию абсолютного пространства однородной физической средой при условии, что “свойства этой среды все же должны поддаваться физическому доказательству еще и иным способом, а не приниматься ad hoc” [9, стр. 202]. И действительно, если абсолютное движение можно было отрицать на основе общих физических и философских соображений, то существование движения относительно эфира как физической среды мог обоснованно отвергнуть только опыт.

Единственно наблюдаемым движением он считал движение относительно весомой материи, отрицая тем самым существование выделенной “материальной” системы, связанной с особой средой — носителем электромагнитных возмущений. Действительно, в таких опытах, как наблюдение аберрации света, эффект Доплера и опыт Физо, проявились оптические эффекты, обусловленные движением материальной системы не относительно какой-либо единой среды — эфира, а относительно другой материальной системы. Пуанкаре, опираясь на отрицательные результаты экспериментов, совершенно правильно признал принципиально невозможным обнаружение движения относительно эфира, сделав тем самым важнейший шаг от частных объяснений опытов к утверждению общего принципа, который, как потом было выяснено, затрагивает основные всеобщие свойства физических процессов, определяющие метрику пространства — времени.

Согласно физическим представлениям того времени, электромагнитные явления трактовались как изменение состояния эфира. Понятие эфира являлось необходимой основой трактовки теории только с точки зрения представлений классической физики. Теория относительности, целиком приняв уравнения Максвелла, сделала совершенно излишним привлечение понятия эфира для их трактовки. Однако не следует считать, что заблуждения, связанные с представлением об эфире, были совершенно бесполезными для научных изысканий, завершившихся созданием теории относительности. Физики-экспериментаторы, как известно, отнеслись с большим вниманием к предсказаниям возможности обнаружения движения относительно эфира в исследованиях оптических и электромагнитных явлений. Но в то время никто не предвидел фундаментального значения отрицательного результата, и интерес к таким опытам был целиком обусловлен впервые появившейся перспективой экспериментального доказательства реальности существования эфира, который оставался лишь гипотетической средой, введенной на основании теоретических представлений об электромагнитных явлениях.

Таким образом, мы должны признать, что представление об эфире как среде-носителе электромагнитного поля придавало фундаментальное значение опытам по обнаружению движения Земли относительно эфира и тем содействовало созданию экспериментальной основы для построения СТО.

Это было тем более важно, что сам по себе отказ от идеи о существовании эфира еще не позволял прийти к конкретному решению теоретической проблемы, не дожидаясь отрицательных результатов опытов второго порядка. К ложному выводу о возможности наблюдения движения Земли относительно эфира приводило не столько представление о среде-носителе электромагнитных явлений, описываемых уравнениями Максвелла, сколько отсутствие вообще правильных представлений о физических процессах при больших скоростях движения. Неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Галилея лишь из-за отсутствия знаний о соответствующей неинвариантности всей совокупности физических процессов ошибочно расценивалась как доказательство принципиальной возможности обнаружения движения относительно выделенной системы координат.

Положительное значение представления об эфире, однако, не исчерпывается только привлечением усиленного внимания к экспериментальным исследованиям. Все, кто исходил из идеи неподвижного эфира, не увлекаемого при движении тел, в своих теоретических построениях автоматически учитывали важнейшее свойство

независимости скорости распространения света от движения источ ника. Для оценки значения этого обстоятельства прежде всего следует напомнить, что независимость скорости распространения света от движения источника в то время не была опытным фактом* и что без серьезного основания это не проверенное на опыте положение не могло быть принято, поскольку с ним был связан отказ от фундаментального принципа относительности Галилея. Поэтому только представление о существовании мировой среды, не увлекаемой при движении тел и являющейся носителем электромагнитного поля, служило в то время единственной основой для принятия одного из важнейших исходных положений будущей теории**.

Пуанкаре настойчиво отстаивал универсальный принцип относительности и в следующих своих работах. В частности, в 1900 г., выступая с критикой попытки разрешить проблему введением гипотезы сокращения Фицджеральда — Лоренца, он отмечал, что для объяснения отрицательных результатов каждого нового эксперимента по обнаружению абсолютного движения всякий раз может понадобиться введение ad hoc новой гипотезы. Поэтому он призывал

** В работах Лармора, Лоренца и Пуанкаре положение о независимости скорости распространения света от движения источника явно следовало из уравнений Максвелла, отнесенных к единой мировой среде, не увлекаемой при движении тел. Примером отхода от этой концепции является электродинамика движущихся тел Герца-, в которой уравнения Максвелла в интегральной форме были применены для эфира, увлекаемого движущимися телами. По этой причине электродинамика Герца и не могла вести к правильному решению проблемы, завершившемуся созданием теории относительности.

*** О стойкости мистической веры в сверхъестественные свойства мирового эфира весьма образно писал Я. И. Френкель [12]. ... . . ,

В 1898 г. в статье “Измерение времени” [14] Пуанкаре совершенно по-новому обсуждает проблему постоянства скорости распространения света. Принимая тезис о постоянстве скорости света и считая ее, “в частности, одинаковой во всех направлениях”, Пуанкаре идет дальше других, утверждая по поводу независимости скорости света от направления: “Это есть постулат, без которого нельзя было бы предпринять никакого измерения этой скорости. Данный постулат никогда нельзя проверить (verifie) прямо на опыте. Он мог бы войти в противоречие с опытом, если бы результаты различных измерений не согласовались между собой. Мы должны быть счастливы, что этого противоречия нет...”*

В этой же работе Пуанкаре впервые обращает внимание на зависимость определения одновременности от соглашения о величине скорости света и приходит к отрицанию существования однозначной одновременности разноместных событий на том основании, что доказать экспериментально равенство скоростей света в двух противоположных направлениях невозможно.

Постулат о независимости скорости света от движения источника, как известно, был положен в основу построения теории относительности совместно с предположением о равенстве абсолютных величин скоростей света для любых двух противоположных направлений. Однако приведенное нами утверждение Пуанкаре не получило в дальнейшем необходимого обоснования и развития, и это обстоятельство, как будет показано дальше, привело к некоторым пробелам в понимании физического содержания теории относительности.

Те же идеи Пуанкаре отстаивал в своих лекциях 1899 г., опубликованных в 1901 г. [151, и затем в 1902 г. в получившей широкую известность книге “Наука и гипотеза” [16]. В главе, посвященной классической механике, он отрицает существование абсолютного времени и обращает внимание на отсутствие предопределенного понятия истинной одновременности событий, происходящих в различных точках пространства:

“2) Не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе не имеет смысла и можно применять его только условно.

3) Мы не способны к непосредственному восприятию не только равенства двух промежутков времени, но и не можем быть уверены в одновременности двух событий, происходящих в различных местах”**.