Читать книгу "Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур"

…

Показав таким образом, что любые моменты критики в мой адрес со стороны Пеано пусты и необоснованны и что его заявления не являются ни оригинальными, ни точными, что признавал и он сам, я, со своей стороны, считаю эту полемику однозначно завершенной.

Пеано, кажется, тоже надоело спорить, хотя он не мог не вставить последнее слово. В завершающей статье для Линчеи, датированной 1 марта 1896 г., он заново вывел некоторые из своих ранних формул в более явном виде, по существу «показав свою работу», чтобы читатели не усомнились в том, что он действительно получил те результаты, на которые претендовал в своих ранних статьях. Вольтерру он вообще не упомянул — вероятно, вполне разумно, — и этой спокойной дискуссией война между Пеано и Вольтеррой завершилась.

Надо сказать, что для относительно небольшого, казалось бы, научного открытия сражение за приоритет оказалось необычайно интенсивным. Вдвоем Пеано и Вольтерра опубликовали примерно за год 14 статей, посвященных чандлеровскому колебанию, — невероятная продуктивность в одном отдельно взятом вопросе. Мотивом Пеано, вероятно, была, по крайней мере отчасти, увиденная им возможность продемонстрировать практичность новых математических методов, которые он продвигал. Вольтерру, возможно, мотивировал формализм Пеано, но в противоположном смысле. Оба математика работали в Университете Турина, и Пеано настаивал, что все профессора должны использовать его новые методы при обучении студентов. Традиционалисту Вольтерре, возможно, это не нравилось; вероятно, его искренне разозлила попытка Пеано впихнуть эти методы не куда-нибудь, а в его исследовательские задачи.

Но что же с самим чандлеровским колебанием? Хотя общее объяснение океанских процессов, поддержанное и Пеано, и Вольтеррой, удержалось на протяжении многих лет, подробное и конкретное представление о чандлеровском колебании все это время ускользало от исследователей. В начале XX в. исследователи обнаружили, что колебание имеет более сложный характер, чем могли себе вообразить Пеано и Вольтерра: к примеру, его размер может меняться в ходе десятилетий, совершая иногда драматические «прыжки». И причин у этого колебания тоже несколько: в 2000 г. Ричард Гросс из Лаборатории реактивного движении при Калифорнийском технологическом институте показал при помощи моделирования, что главным источником колебания в 1985–1996 гг. были флуктуации давления вблизи океанского дна, а другие океанские и атмосферные явления играли менее существенные роли.

Так что сражение между Пеано и Вольтеррой не было настолько важным, как оба они надеялись. Но этого сражения не произошло бы вовсе, если бы не случайная серия фотографий кошки, принадлежавшей садовнику Этьен-Жюля Марея. В этом случае, по крайней мере, кошки оправдали свою давнюю репутацию бедокуров и сеятелей раздора.

7. Кошачий рефлекс переворачивания

Сделанные Мареем фотографии падающей кошки потрясли физиков и вынудили их заново осмыслить давние предубеждения о том, как объекты движутся и поворачиваются в пространстве. Но это было пустяком в сравнении с тем поистине сейсмическим шоком, который потряс все ученое сообщество в 1905 г. и навсегда изменил наши представления о физике. В этом году никому не известный служащий патентного ведомства по имени Альберт Эйнштейн опубликовал в немецком журнале «Анналы физики» (Annalen der Physik) три статьи, каждой из которых суждено было заложить фундамент для новой отрасли физики. Это трио статей сегодня часто называют статьями annus mirabilis (чудесного года).

Первая из этих статей — «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» — вышла 9 июня. В ней Эйнштейн попытался объяснить так называемый фотоэлектрический эффект: почему под действием света, падающего на металлическую пластинку, может возникать испускание этой пластинкой электронов. Эйнштейн утверждал, что данный эффект возможно объяснить только при условии, что свет будет рассматриваться как поток частиц, несмотря на то что к тому времени уже было продемонстрировано, что свет ведет себя как волна. Сегодня корпускулярно-волновой дуализм — один из фундаментальных аспектов квантовой физики. В 1921 г. за работу над этой проблемой Эйнштейну предстояло получить Нобелевскую премию по физике.

Вторая из статей 1905 г. — «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» — появилась 18 июля и объяснила феномен броуновского движения — случайного, на первый взгляд, метания мелких частиц в горячей воде. Эйнштейн показал, что это забавное движение можно объяснить как результат столкновений между частицами и окружающими их неразличимыми глазом молекулами воды. Такое объяснение привело к окончательному подтверждению того факта, что вещество состоит из отдельных атомов и молекул; как ни удивительно, сомнения в этом были еще живы даже в начале XX в.

Третья из Эйнштейновых статей 1905 г. — «К электродинамике движущихся тел» — вышла 26 сентября. Это самая знаменитая из трех статей, поскольку именно она стала первым заявлением специальной теории относительности Эйнштейна, которой суждено было кардинально изменить наши представления о пространстве и времени. Чтобы получить представление о значимости этой работы, нам потребуется небольшое введение.

Одним из главных принципов физики, восходящим еще к Галилео Галилею, является принцип относительности, который можно сформулировать очень просто: «Законы физики одинаковы для любого наблюдателя, независимо от движения этого наблюдателя». В работе 1632 г. «Диалог о двух главнейших системах мира» Галилей объясняет его таким образом:

Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля и запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. Прыгая, вы переместитесь по полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать бóльших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, как вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку, и, бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей.