книги из ГПНТБ / Семенчев, В. М. Физические знания и законы диалектики научное издание

старого на новое, т. е. без учета и влияния нового на старое. Конечно, изменить прошлое под влиянием на­ стоящего невозможно — время необратимо, но изме­ нить понимание прошлого в свете нового, т. е. более совершенного, знания можно и должно.

Что же в таком случае в принципе может быть изменено в старом физическом знании в свете новых физических знаний, если на это изменение взглянуть под углом зрения диалектики взаимосвязи теории и опыта?

Очевидно, прежде всего имевшее место единство, соответствие теории опытным данным. Возникновение нового знания, как было показано, —это всегда воз­ никновение нового уровня такого соответствия. И с высоты (а точнее говоря, из глубины) этого нового уровня соответствия по-иному начинает пониматься и соответствие, имевшее место ранее. Однако каким образам обстоит дело конкретно?

Классическая механика долгое время выступала в качестве единственно возможной теоретической си­ стемы, на основе которой строилось объяснение всех экспериментов. Классическая механика долгое время представляла собой единственный, казалось бы, воз­ можный способ согласования теоретических положе­ ний с опытными данными. Одним из важнейших пред­ ставлений, на которые опираются теоретические по­ ложения классической механики, является понятие материальной точки, физического объекта бесконечно малых размеров, обладающего конечной массой и ло­ кализованного в пространстве и во времени. Такое понятие вполне соответствовало господствующим представлениям о дискретности материи и поэтому вполне естественно выступало в качестве того глав­ ного инструмента, при помощи которого строили ос­ новные теоретически^ представления и объясняли происходящие в мире процессы.

151

Динамика материальной точки, явившаяся, по тем представлениям, ключом к пониманию мировых про­ цессов, основывалась на принципе инерции. Согласно данному принципу, любая материальная точка сохра­ няет свое состояние покоя или движения до тех пор, пока на нее не действуют никакие внешние силы. Вполне естественно, что действие внешних сил на ма­ териальную точку приводит к изменению ее движения (или покоя), а в общем случае — к изменению ее ско­ рости. Каким же образом происходит изменение ее скорости? Очевидно, мгновенное изменение скорости будет происходить прямо пропорционально приложен­ ной к данной точке силе и обратно пропорционально ее способности к сопротивлению изменению движения, т. е. инерции, зависимой от массы тела, центр тяжести которого находится в данной точке.

Уравнение классической динамики, выражающее движения материальной точки, показывает, что про­ изведение массы материальной точки на ускорение равно той силе, которая действует в данный момент на материальную точку, вызывая изменение в ее

более глубоким пониманием «земного» опыта чело­ века.

К тому же данное теоретическое положение нахо­ дится в полном соответствии с принципом физического детерминизма, согласно которому состояние любой материальной системы (системы материальных точек в механике) полностью зависит от ее состояния в прошлом. Действительно, если сила, действующая на материальную точку, является функцией координат и времени, то для определения состояния материаль­ ной точки в зависимости от времени необходимо по­

152

строить дифференциальное уравнение второго поряд­ ка по времени (точнее говоря, нужно построить си­ стему из трех таких уравнений, по одному для каждой составляющей компоненты сил). Решение же такого однозначного уравнения определяется заданием коор­ динат и их первых производных по времени для на­ чального момента времени.

Уравнение 'классической механики для материаль­ ной точки дает возможность значительно расширить представление о материальной системе и ее движении. Это можно сделать за счет введения некоторой век­ торной величины, называемой импульсом, и величины скалярной —энергии. Импульс характеризует количе­ ство движения и является собственно динамическим свойством материальной системы. Но вводится он при помощи кинематических величин следующим обра­ зом: производная по времени от вектора количества движения (импульса) равна силе, действующей на материальную точку. Аналогичным образом вводится при помощи кинематического понятия скорости и спе­ цифического динамического понятия массы и понятие энергии.

Таким образом, все главные характеристики дви­ жения и состояния материальной системы в классиче­ ской механике получаются как бы на основе интуи­ тивно ясных и не вызывающих сомнения кинетических понятий скорости и координат или по крайней мере при помощи этих понятий. Поэтому многие поло­ жения классической механики представляются само­ очевидными. Среди них одно из первых мест, безус­ ловно, занимает закон сложения скоростей: W=V\-{-W Наши знания о сложении скоростей материальных тел в самой природе представляют собой полнейшее со­ гласование опытных данных по установлению суммар­ ной скорости с даннйм теоретическим утверждением. Но, может быть, очевидность такого согласования го­

ворит о том, что здесь, собственно говоря, и нет ни­ какого согласования, а есть только условное символи­ ческое выражение нашего опыта? Нет, это не так.

Теоретическое положение, даже самое простое, каковым и является закон сложения скоростей клас­ сической механики, выходит за пределы эксперимента, а поэтому и не ограничивается его констатацией. За­ кон сложения скоростей классической механики да­ ет больше, чем указание на результат поставленных опытов. Это «больше» —утверждение абсолютного характера данного закона, признание, что он не из­ меняет своего вида в зависимости, например, от вели­ чины каждой из складывающихся скоростей. Но ни­ какого особого эксперимента на этот счет поставлено не было. Более того, никто и никогда в период гос­ подствующего положения классической механики и не помышлял о таком эксперименте.

Думается, что любое предложение о проверке пра­ вила сложения скоростей было бы принято так же, как могло быть принято предложение о проверке пра­ вильности геометрии Евклида и возможности сущест­ вования другой непротиворечивой геометрии, предло­ жение, которое из-за боязни «крика беотийцев», не решился сделать даже К. Ф. Гаусс и которое принес­ ло столько трудностей отважившемуся его сделать Н. И. Лобачевскому.

Отдельные физические опыты не выявляли рас­ хождения с законом сложения скоростей и его резуль­ таты считались очевидными и не вызывающими ни малейшего сомнения. Но откуда же в законе сложе­ ния скоростей возникает это «большее», чем конста­ тация опыта? Закон сложения скоростей в этом смыс­ ле вовсе не является исключением. Вся классическая механика, состоящая из кинематики и динамики, дает нечто большее, чем эксперименты, на которых она ос­ новывается.

154

скоростей и физического опыта (как и всех иных по­ ложений механики), физической практики определе­ ния скоростей говорить не только можно, но и долж­ но. Закон сложения скоростей классической механики находился в согласии, в соответствии с опытными данными относительно измерения скоростей, выра­ жая тем самым определенные физические знания. Однако в XIX в. возникли некоторые довольно суще­ ственные затруднения в отношении применения дан­ ного закона к реальным процессам природы. Прежде чем сказать об этих трудностях, приведем один при­ мер, который хорошо разъясняет принципиальную постановку вопроса.

Представим себе прямолинейно и равномерно дви­ жущуюся систему с источником света, который пере­ мещается вместе с этой системой, будучи жестко скрепленным с нею. Кроме источника света система несет на себе два экрана, один из которых располо­ жен впереди источника света по ходу движения си­ стемы, а другой — на том же расстоянии сзади.

Пусть теперь данная система представляет собой корабль, плывущий вдоль берега. В центре корабля помещен фонарь, а на носу корабля и на корме рас­ положены два ^экрана, на которые падает свет от фо­ наря. Если зажечь в какой-то момент времени фонарь, расположенный в центре корабля, то свет от него, распространяясь во все стороны, достигнет за какоето время обоих экранов. Так как расстояние от цен­ тра корабля, где расположен фонарь, до экранов одно и то же, то, очевидно, свет достигнет двух экранов одновременно. Это произойдет по той простой причи­ не, что свет с одной и той же скоростью движется от­ носительно палубы корабля.

Но для наблюдателя, стоящего на берегу, это бу­ дет выглядеть по-иному. По отношению к берегу свет будет быстрее двигаться в направлении движения

156

жения скоростей свет, идущий по движению корабля, будет двигаться по отношению к берегу со скоростью

Таким образом, скорость овета относительно на­ блюдателя,. расположенного на берегу, и относитель­ но наблюдателя, расположенного на корабле, будет различной.

Но при всех ли условиях это будет так? Прежде всего такое различие в скорости света будет наблю­ даться только при условии движения корабля относи­ тельно берега. Это ясно. Но данное условие не являет- -ся ни единственным и, что важно, ни самым главным в этом мысленном эксперименте. Главным условием наблюдаемой картины будет определенное отношение корабля к той среде, в которой распространяется свет.

Если среда, в которой распространяется свет, будет двигаться вместе с кораблем («увлекаться» им), то скорость движения света относительно этой среды будет совпадать со скоростью движения света относительно палубы корабля и поэтому будет как в одном, так и в другом направлении одинаковой отно­ сительно наблюдателя, расположенного на палубе, и различной относительно наблюдателя на берегу. Но если среда кораблем «не увлекается», а свет имеет постоянную скорость относительно среды, то наблюда­ тель на корабле зарегистрирует, что свет до кормы дойдет быстрее, чем до носа корабля, так как именно в этом случае скорость света относительно корабля будет равной: W = Vcp. + VKOp., а в противоположном направлении она будет равна: № = 1/ср. —VKOp. От­ носительно наблюдателя на берегу картина будет той

157

же самой, т. е. результаты опыта на корабле и на бе­ регу совпадут.

Итак, если среда «увлекается» кораблем, резуль­ таты опыта на корабле и на берегу не совпадают, а если корабль среду «не увлекает», то результаты этих опытов совпадают, т. е. и внутри движущейся системы мы обнаружим различие в скорости света, а

тельно, если земной шар — это корабль, движущийся в океане Вселенной, которая «заполнена эфиром», «не увлекаемым» земным шаром в своем движении, то, измеряя скорость распространения света в услови­ ях земных лабораторий, можно определить скорость Земли во Вселенной, т. е. ее абсолютную скорость в бесконечном пространстве мира! Правда, остается под вопросом само условие возможности такого экс­ перимента, а именно «увлекается» «эфир» движущи­ мися в нем телами или нет. Ведь только в случае неподвижного эфира мог быть поставлен опыт по установлению скорости Земли.

В 1851 г. известный французский физик И. Физо попытался ответить на этот вопрос. Он сравнил в опыте скорость,распространения света в быстро дви­ жущихся навстречу друг другу потоках воды и при­ шел к выводу, что эфир (в котором по тем представ­ лениям распространялся свет) по крайней мере час­ тично «увлекается» водой, т. е. в основном остается неподвижным. Следовательно, движение Земли через эфирное море может быть констатировано.

Поставим опять тот же вопрос: при всех условиях или нет? И вот здесь-то необходимым условием и вы­ ступает закон сложения скоростей. Все наше рассуж­ дение в случае неподвижного эфира имеет смысл только пои том необходимом условии, если скоро­

158

Так закон сложения скоростей классической меха­ ники выступил в качестве определенного логического основания при ответе на вопрос о возможности опре­ деления с Земли скорости ее движения во Вселенной. Как уже говорилось, очень остроумный способ про­ ведения такого измерения и был осуществлен Майкельсоном в 1881 г. Однако опыт Майкельсона дал отрицательный результат. Каков вывод из отрица­ тельного результата опыта?

а) Либо эфир увлекается полностью движущими­ ся телами. Но это противоречит опыту Физо и мно­ гим иным соображениям (например, наблюдениям за двойными звездами);

б) либо имеет место какой-то эффект, о котором мы не знали и который не учитывали. К этому и сво­ дилось предположение Фицджеральда о продольном

тиворечило бы всей классической механике и поэтому было бы «безумным».

Но оказалось, что «безумное» предположение в итоге взяло верх над более приемлемыми с точки зре­ ния здравого смысла. Понятно, что обнаружение яв­ лений, которые не подчинялись закону сложения ско­ ростей, а тем самым как бы выходили за пределы тех теоретических требований, которые налагала на них классическая механика, поставили вопрос о пе­ ресмотре самых основных фундаментальных понятий, лежащих в ее основе.

Как уже было показано, такой вопрос привел к из­ менению понятий о пространстве и времени. И, ко­ нечно же, закон сложения скоростей был пересмотрен

159

не сам по себе, а в неразрывной связи с пересмотром этих понятий. Но при этом важно иметь в виду, что в пересмотренном, преобразованном виде он снова стал основанием для многих новых выводов об уже известных закономерностях.

«Изменение понятий о пространстве и времени,— пишет Л. де Бройль, — вызванное принципом относи­ тельности Эйнштейна, привело к изменению основных принципов кинематики. В частности, закон сложения скоростей приобрел иной, несколько более сложный вид. Это в свою очередь легко позволило понять ре­ зультаты опытов Физо по распространению света в движущихся диспергирующих средах. На языке тео­ рии эфира эти эксперименты можно было понять, говоря о частичном увлечении эфира движущимися телами. Опыты Физо подтвердили предложенную Фре­ нелем формулу, определяющую коэффициент увлече­ ния как функцию показателя преломления движущей­ ся среды. Лоренц в своей теории электронов сумел подтвердить эту формулу, но теория относительности дала ей гораздо более простое и изящное объяснение,

показав, что она прямо следует из нового закона сло­ жения скоростей (курсив мой.■— В. С.)» ’.

Что же представляла собой новая формула, кото­ рая смогла послужить основанием для многих новых выводов? Оказалось, что в формуле проявилось явное признание того, что молчаливо отвергалось в преж­ ней формуле, а именно более сложная зависимость результата от величины входящих в него параметров. В прежнем законе, каковы бы ни были по величине Vx и V2, W во всех случаях оказывается простой их суммой. Теперь дело обстояло иначе. Вот новая фор­ мула закона сложения скоростей релятивистской ме­ ханики:1

1Л . де Бройль. Революция в физике, стр. 73.

160