Пуанкаре

1901 году он составил «Аналитическое резюме» своих работ. Любопытный документ, быть может, не имеющий прецедента: ученый итожит созданное и сотворенное им за прошедший период. Внутренний монолог, обращенный к читателям его трудов. Одно только перечисление разделов науки, в которых плодотворно работала его мысль, уже говорит о многом: дифференциальные уравнения, теория функций, различные вопросы чистой математики, небесная механика, математическая физика, философия науки. Помимо этого, есть еще седьмая, заключительная часть, озаглавленная: «Преподавание, популяризация, разное». Но это не простое перечисление и классификация изданных заметок и мемуаров, а весьма содержательный и емкий анализ. Свои достижения Пуанкаре расставляет в системе наук так, как они ему видятся. Это дает возможность проникнуть в его собственную оценку своих достижений

Яркий представитель адвокатского сословия, Раймон давно уже превратился в завзятого политикана и с конца XIX века неоднократно занимал министерские посты в различных правительственных кабинетах. В 1912 году он станет премьер-министром, а с 1913 по 1920 год — президентом Республики Франции.

Пуанкаре-война» — так назовет Анри своего кузена, и это прозвище вскоре станет широко известным всему миру

Неразговорчивый, замкнутый и несколько не уверенный в себе Анри являл резкий контраст с напористым, энергичным кузеном, блещущим в парижских салонах профессиональным красноречием, даже краснобайством. Напыщенность или бьющие на внешний эффект манеры совершенно неприемлемы для Анри, а пребывающий большую часть своего времени в светских и политических кругах Раймон не снимает с себя воображаемую парадную адвокатскую мантию. Анри весьма терпимо и непредвзято относится к чужим взглядам и мнениям. В отличие от твердого и безапелляционного в суждениях Раймона, не ведающего, что такое сомнение, он признает право на жизнь за другой точкой зрения, отличной от его собственной.

В своей статье «Теория Лоренца и принцип равенства действия и противодействия», опубликованной в 1900 году в одном из голландских журналов, посвященном двадцатипятилетию научной деятельности Лоренца, он определяет «местное» время как соответствующее показаниям часов, синхронизованных световым сигналом. Это означало, что оно является таким же реальным физическим временем в движущейся системе, каким считалось отличное от него время неподвижной системы

В 1898 году один из выпусков широко известного тогда французского научного журнала открылся статьей Пуанкаре «Измерение времени». На протяжении почти тринадцати страниц автор основательно анализирует такие простые, казалось бы, понятия, как равенство двух промежутков времени и соответствие между собой моментов времени в разных точках пространства. Его рассуждения показывают, что понятие времени казалось до сих пор очень простым только потому, что о нем серьезно не задумывались. Принимая абсолютное время, классическая физика, оказывается, делала ряд неявных допущений, с которыми следовало бы расстаться после того, как убедились в конечном значении скорости света. Даже определение скорости движения основывалось на представлении о равномерном и одинаково идущем во всех точках пространства времени. Задание величины скорости подразумевает отсчет времени хотя бы в двух пространственно разделенных точках. Но полученный таким способом временной интервал имеет смысл только в том случае, когда решен вопрос о приведении в соответствие времен в разных точках пространства. Для этого недостаточно установить одинаковость хода времени в этих точках, необходимо также согласовать начало его отсчета, или, как принято говорить, установить одновременность.
Как же установить эти характеристики времени в реальной действительности, если самый быстрый процесс — это распространение света, скорость которого тоже конечна? Этот вопрос Пуанкаре подвергает детальному анализу, рассматривая те измерительные процедуры, с помощью которых понятию времени придается физический смысл. Полученный им ответ казался его современникам весьма неожиданным и одиозным: абсолютного времени и абсолютной одновременности в природе не существует. Лишь на основе условного соглашения, конвенции, можно считать равными длительности двух промежутков времени и одновременными два явления, происшедшие в разных точках пространства. Например, при практическом установлении с помощью световых сигналов одновременности двух разноместных событий нужно сначала измерить скорость света, а ее измерение, в свою очередь, предполагает установление одновременности. Возникают непреодолимые трудности, справиться с которыми помогает определенное, условное в известных пределах соглашение, договоренность. Свою статью Пуанкаре заканчивает требованием, которому должны удовлетворять такие сознательно заключаемые соглашения: «Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка естественных законов была бы настолько простой, насколько это возможно».
Это было совершенно новое, «неклассическое» понимание времени и одновременности. Введенное в науку на самом закате прошлого века, знание это принадлежало уже надвигающемуся столетию и сыграло в нем первостепенную роль. Только во второй половине нашего столетия, и то после долгих лет сомнений и недопонимания, получило должную оценку и другое положение, сформулированное Пуанкаре в статье 1898 года. Рассматривая взятое в качестве примера утверждение астронома о том, что «звездное явление, которое он видит в настоящее время, произошло 50 лет назад», автор вскрывает в нем неявное допущение о постоянстве скорости распространения света во всех направлениях. Принципиально невозможно измерить скорость распространения света в одном каком-нибудь направлении. Измерению подлежит лишь усредненная скорость прохождения светом некоторой протяженности в двух противоположных направлениях. Поэтому предположение о равенстве двух противоположных по направлению скоростей света является только условным соглашением.[47] «Это есть постулат, — писал Пуанкаре, — без которого нельзя было бы предпринять никакого измерения скорости. Данный постулат никогда нельзя проверить прямо на опыте… Я хочу отметить, что он дал нам новое правило для поисков одновременности, полностью отличное от того, которое мы упоминали выше». Именно это сформулированное Пуанкаре правило определения одновременности, исходя из наиболее простого и удобного соглашения о равенстве скоростей света в прямом и обратном направлениях, было использовано впоследствии для обоснования релятивистских свойств времени.

Абсолютное и всеобщее время принадлежало к наиболее фундаментальным исходным понятиям механики. Оно казалось столь же незыблемым, как и основные законы этой науки, сформулированные еще Ньютоном и много раз подтвержденные с тех пор астрономическими наблюдениями. Но установленная двести лет назад конечность скорости распространения света давала достаточный повод для того, чтобы усомниться в правомерности представления об абсолютном времени. Однако за прошедшие два века никто из физиков или философов не посмел подвергнуть сомнению это понятие. В конце XIX века некоторые ученые — Э. Мах, Д. Б. Сталло, И. Петцольдт — выступили с критикой классического абсолютного времени с общенаучных и философских позиций. И только Пуанкаре показал его полную несостоятельность, опираясь на вполне конкретный экспериментальный факт — конечность скорости передачи самого быстрого материального сигнала, скорости света. Им был дан наиболее четкий научный анализ понятия времени и других связанных с ним понятий, явно или неявно используемых в науке. Прямой связи между этими его исследованиями и проблемами электродинамики движущихся тел, которые находятся в поле его зрения, нет. К критическому пересмотру классических взглядов на время он пришел от проблем обоснования геометрии пространства.

Я позволю себе сделать отступление, чтобы объяснить, почему я, вопреки Лоренцу, не думаю, чтобы когда-нибудь более точные наблюдения могли обнаружить нечто иное, кроме относительных перемещений материальных тел. Были производимы опыты, которые должны бы открыть члены первого порядка. Результат был отрицательный; могло ли это быть делом случая? Этого никто не мог бы допустить; стали искать общего объяснения, и Лоренц нашел его: он показал, что члены первого порядка уничтожаются; это не имело места для членов второго порядка. Тогда были произведены более точные опыты, которые снова дали отрицательный результат. Это опять не могло произойти случайно — требовалось объяснение, которое и было дано. За объяснением дело никогда не станет: гипотезы неистощимы.
Это не все. Кто не заметит, что здесь случайность играет еще значительную роль? Разве не случайно странное совпадение, благодаря которому известное обстоятельство появилось как раз вовремя, чтобы уничтожить члены первого порядка, а другое, совершенно различное, взяло на себя труд уничтожить члены второго порядка. Нет, следует найти одно и то же объяснение для обоих случаев, и тогда естественна мысль, что то же самое будет справедливо и для членов высших порядков и что их взаимное уничтожение будет носить характер абсолютной точности».
Но, несмотря на эту критику, Пуанкаре все же считает, что теория Лоренца «наиболее удовлетворительна из всего, что у нас есть; она, бесспорно, лучше всех воспроизводит известные нам факты, освещает больше реальных соотношений, чем всякая иная, и принадлежащие ей черты войдут в наибольшем числе, в будущее окончательное построение». Он указал на блестящие успехи теории Лоренца в объяснении опыта Физо и магнитооптических явлений.[46] Не допуская случайности столь значительных ее достижений, Пуанкаре высказал уверенность, что именно эта теория выйдет победительницей из схватки с трудностями, возникшими в физике, что при этом сама теория не подвергнется разрушению. «Теория Лоренца не есть искусственный агрегат, обреченный на распадение, — утверждает он. — Ее, наверно, придется изменить, но не разрушить». Такая же точка зрения отстаивалась им на конгрессе в Сент-Луисе.
Эта ориентация, с одной стороны, на теорию Лоренца, в которой скорость света принималась не зависящей от движения его источника, а с другой стороны, на строгое выполнение принципа относительности, указывала тот единственный верный путь, который вел к созданию теории относительности. Однако намеченное Пуанкаре объединение теории Лоренца и принципа относительности упиралось в противоречие, которое в силу ограниченности существовавших тогда основных научных представлений казалось непреодолимым. Поскольку скорость света в эфире была постоянной и не зависела от движения источника света, то в перемещающейся относительно эфира материальной системе свет должен был распространяться с различной скоростью в разных направлениях. Это явно расходилось с утверждением принципа относительности. Чтобы привести в соответствие эти два положения, необходимо было коренным образом изменить представления о пространстве и времени.

он считает «необходимым допустить существование эфира» лишь в том случае, если эксперимент покажет, «что световые и электрические явления видоизменяются вследствие движения Земли». Наступит ли это когда-нибудь? На этот вопрос докладчик склонен ответить отрицательно: «Я считаю такие надежды призрачными…»

В своем докладе Пуанкаре специально остановился на необходимости новой теории, которая объяснила бы закономерности спектральных линий, излучаемых атомами. Еще в 1900 году немецкий физик Макс Планк для преодоления основного затруднения теории излучения — так называемой «ультрафиолетовой катастрофы» — выдвинул необычную и совершенно несвойственную классической физике идею о том, что излучение происходит дискретными порциями — квантами. Теперь же, обсуждая экспериментально установленное распределение спектральных линий в излучении атомов, Пуанкаре категорическим образом отвергает возможность его объяснения на основе законов классической физики. «Эти явления еще не объяснены, и я думаю, что мы имеем здесь дело с одной из важнейших тайн природы, — утверждает он. — …Здесь мы, так сказать, проникаем в самые глубины материи. В том положении, в котором мы сейчас находимся, представляется, что, когда мы поймем, почему колебания раскаленных тел отличаются от хорошо знакомых нам обычных упругих колебаний, когда мы поймем, почему электроны ведут себя не так, как обычные тела, мы будем лучше понимать динамику электронов, и, может быть, нам будет легче согласовать ее с основными принципами».
Это удивительное пророчество блестяще подтвердилось. Ланжевен еще убедится в уникальной прозорливости Пуанкаре, когда уже после его смерти родится теория, необходимость которой он предвещал. Сначала в 1913 году молодой датский физик-теоретик Нильс Бор даст первое объяснение природы спектра излучения атомов на основе квантовой гипотезы Планка. А в 1927 году этот раздел теории атомной физики завершится созданием квантовой теории, которая из всех новых физических теорий наиболее радикальным образом отличается от классической физики. Совершенно необычным в этой теории оказался статистический характер законов, описывающих поведение квантовых объектов. И в этом было подтверждение еще одного предсказания Пуанкаре! В конце своей лекции он отметил: «Физический закон приобретает тогда совершенно новый аспект, это уже не будет только дифференциальное уравнение, он примет характер статистического закона».
Особенно настойчиво и весьма определенно предрекает Пуанкаре создание совершенно новой механики, «которая характеризовалась бы главным образом тем фактом, что никакая скорость не могла бы превышать скорость света, подобно тому как температура не может упасть ниже абсолютного нуля». Эта идея настолько сильно владеет его сознанием, что он еще раз возвращается к ней в самом конце доклада: «Возможно даже, мы должны создать совершенно новую механику, которую мы лишь смутно представляем, механику, где инерция возрастала бы со скоростью, причем скорость света являлась бы непреодолимым пределом. Обычная механика, более простая, оставалась бы как первое приближение, справедливое для скоростей не слишком больших, так, что новая динамика включала бы старую». В осуществлении этого пророчества Пуанкаре самому предстояло сыграть решающую роль. Это были уже сегодняшние мысли его завтрашних трудов.