Принцип эквивалентности

В работе 1907 г., о которой мы говорили в своем месте, Эйнштейн впервые поставил вопрос о распространении принципа относительности на ускоренные системы отсчета. В связи с этим вопросом Эйнштейн пишет: "Рассмотрим две системы отсчета ∑₁ и ∑₂. Пусть ∑₁ движется с ускорением в направлении своей оси х, и пусть ее ускорение (постоянное во времени) равно γ. Предположим, что ∑₂ покоится, но находится в однородном гравитационном поле, которое сообщает всем телам ускорение -γ в направлении оси х.

Как известно, физические законы относительно ∑₁ не отличаются от законов, отнесенных к ∑₂, это связано с тем, что в гравитационном ноле все тела ускоряются одинаково. Поэтому при современном состоянии наших знаний нет никаких оснований полагать, что системы отсчета ∑₁ и ∑₂ в каком-либо отношении отличаются друг от друга, и в дальнейшем мы будем предполагать полную физическую равноценность гравитационного поля и соответствующего ускорения системы отсчета". Так впервые появился в науке этот знаменитый принцип, пока в качестве гипотезы. Эйнштейн сразу отмечает большую эвристическую ценность гипотезы эквивалентности. Он пишет: "Эвристическая ценность этого предположения состоит в том, что оно позволяет заменить однородное поле тяжести равномерно ускоренной системой отсчета, которая до известной степени поддается теоретическому рассмотрению".

Сам Эйнштейн применяет найденный им принцип к рассмотрению поведения часов в гравитационном поле и поведению световых лучей в этом поле. Полученный им результат для искривления светового луча в поле тяжести неверен, поскольку Эйнштейн не учитывает кривизны пространства. Однако самый факт влияния поля тяжести на распространение света был установлен им в этой статье 1907 г.

С точки зрения истории происхождения идей, приведенных Эйнштейном в их развитии и общей теории относительности, следует отметить несомненное влияние "Механики" Маха. Статья Эйнштейна датирована 4 декабря 1907 г. Прошло немногим более полутора лет, в течение которых Эйнштейн опубликовал ряд работ по специальной теории относительности, световым квантам и статистической физике, и вот 9 августа 1909 г. он пишет письмо Маху. В этом письме он благодарит Маха за присылку его работы о законе сохранения энергии и сообщает, что эту работу он прочитал "со всем вниманием". Далее Эйнштейн пишет: "В остальном я, естественно, знаю достаточно хорошо Ваши главные труды, из которых я особенно восхищаюсь Вашей "Механикой". Она оказала на теоретико-познавательное воззрение молодого поколения физиков такое влияние, что даже Ваших сегодняшних противников, таких, например, как г. Планк, любой из физиков, какими они были несколько десятилетий назад, без сомнения считал бы "махистами".

На письмо Эйнштейна от 9 августа Мах, по-видимому, ответил сразу. Он прислал Эйнштейну какую-то статью и сообщил, что получил "удовольствие" от теории относительности. Вероятно, он сообщил также о постигшем его недуге (паралич). Все это вытекает из ответной открытки Эйнштейна от 17 августа 1909 г. Гернек, опубликовавший письма Эйнштейна к Маху, совершенно справедливо констатирует, что Мах вовсе не был вначале противником теории относительности, как это нередко утверждалось.

Тем временем Эйнштейн продолжает размышлять над вопросами тяготения. В 1911 г. он опубликовал статью "О влиянии силы тяготения на распространение света". В этой работе Эйнштейн вновь формулирует принцип эквивалентности однородного гравитационного поля и равномерно ускоренной системы отсчета. Рассматривая две системы К и К', из которых первая К' покоится в однородном поле тяжести, направленном вдоль отрицательной оси z, а другая К движется в свободном пространстве вдоль положительной оси z с постоянным ускорением γ, Эйнштейн указывает, что в обеих системах справедливы уравнения движения свободной материальной точки вида

"Для ускоренной системы отсчета К',- пишет Эйнштейн,- это следует прямо из принципа Галилея; для покоящейся же в однородном гравитационном поле системы отсчета К это следует из того опытного факта, что все тела в таком поле ускоряются равномерно и одинаково сильно. Этот опытный факт об одинаковом ускорении падения всех падающих в гравитационном поле тел является одним из наиболее общих фактов, установленных нами из наблюдений; несмотря на это, закон этот не нашел еще отражения в основах нашей физической картины мира" (курсив мой.- П. К.).

Л. Эйнштейн

Прошло триста лет с тех пор, как Галилей прямым опытом опроверг утверждение Аристотеля о зависимости скорости падения тяжелых тел от их массы. Галилей установил, что в отсутствии сопротивления воздуха все тела падают одинаково. С этого наблюдения Галилея датируется новая физика - физика опыта и математической теории. Наблюдение Галилея о равенстве гравитационной и инертной масс неоднократно проверялось многими физиками, начиная с Ньютона. В 1890 г. венгерский физик Лоранд Этвеш опытом с крутильными весами доказал равенство инертной и тяжелой масс с точностью до ¹/_2*10⁷. В 1909 г. Д. Пекар и Э. Фекете подтвердили результат Этвеша с точностью до 10^-8.

Таким образом, к моменту появления статьи Эйнштейна равенство инертной и гравитационной масс было одним из наиболее точно установленных фактов физики. Из этого факта и вытекает отмеченная Эйнштейном эквивалентность систем отсчета К и К' в отношении описания механических явлений. Но в работе 1911 г. Эйнштейн идет дальше и постулирует эквивалентность обеих систем для любых физических явлений. "Однако,- пишет Эйнштейн,- представление наше будет достаточно глубоким только в том случае, если системы К и К' окажутся равноценными относительно всех физических явлений, т. е. если законы природы по отношению к системе К полностью совпадут с законами природы по отношению к системе К'. Приняв это, мы получаем принцип, имеющий большое эвристическое значение, если он действительно справедлив"".

В работе 1912 г. "Скорость света и статическое гравитационное поле" впервые появляется термин "принцип эквивалентности" для "гипотезы о физической эквивалентности ускоренной системы координат полю тяжести". Это название вновь появляется в следующей статье "К теории статического гравитационного поля". После опубликования в 1912 г. двух заметок, посвященных гравитации, Эйнштейн в 1913 г. дает (в сотрудничестве с М. Гроссманом) первый очерк общей теории относительности под названием "Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения". Статья начинается формулировкой принципа эквивалентности, которую мы приведем целиком.

"Излагаемая теория возникла на основе убеждения, что пропорциональность инертной и тяжелой масс является точным законом природы, который должен находить свое отражение уже в самых основах теоретической физики. Это убеждение я стремился отразить в ряде предыдущих работ (здесь Эйнштейн ссылается на статью 1911 г. "О влиянии тяжести на распространение света" и статью 1912 г. "Скорость света и статическое гравитационное поле"), в которых делалась попытка свести тяжелую массу к инертной; это стремление привело меня к гипотезе о том, что поле тяжести (однородное в бесконечно малом объеме) физически можно полностью заменить ускоренной системой отсчета. Наглядно эту гипотезу можно сформулировать так: наблюдатель, находящийся в закрытом ящике, никаким способом не сможет установить, покоится ящик в статическом гравитационном поле или же находится в пространстве, свободном от гравитационных полей, но движется с ускорением, вызываемым приложенными к ящику силами (гипотеза эквивалентности)". Теперь принцип эквивалентности получил законченную формулировку, предусматривающую возможность расширения его на любые движения: любое поле тяготения (однородное в бесконечно малом объеме) можно заменить ускоренным движением. Появился и знаменитый "ящик Эйнштейна", наглядно поясняющий сущность принципа.

Показательно, что Эйнштейн считает необходимым информировать Маха о развитии своих идей. В письме к нему он пишет:

Меня очень радует дружеский интерес, который Вы проявляете к новой теории. Математические трудности, на которые наталкивается эта идея при ее развитии, к сожалению, и для меня очень велики. Меня чрезвычайно радует, что в развитии теории становится очевидной глубина и важность Ваших исследований по основаниям классической механики. Я никак не могу понять, как Планк, которого я, впрочем, так высоко ценю, как едва ли кого другого, мог проявить так мало понимания Ваших устремлений. Он, впрочем, так же отрицательно относится к моей новой теории.

Я не могу поставить это ему в вину. Потому что до сих пор такой теоретико-познавательный аргумент есть единственное, что я могу выдвинуть в пользу моей новой идеи. Для меня является абсурдом приписывать "пространству" физические свойства. Совокупность масс порождает некоторое G_uv - поле (поле тяготения), которое со своей стороны управляет течением всех процессов, включая распространение света и поведение масштабов и часов. Все сущее будет сначала относиться к четырем совершенно произвольным переменным. Они должны затем, если выполняются законы сохранения импульса и энергии, быть специализированы таким образом, что только (полностью) линейные подстановки приводят от одной правильной системы отсчета к другой. Система отсчета, так сказать, измеряет существующий мир с помощью принципа энергии и теряет свою туманную априористическую сущность.

В скором времени я пошлю Вам одно изложение предмета, в котором формальное насколько возможно отходит на задний план, а существенное возможно более подчеркнуто. Но мне не удалось в этих абстрактных вещах полностью отделить существенное от формы.

C наилучшими новогодними 
пожеланиями преданный Вам

А. Эйнштейн".

То, что письмо заканчивается новогодним пожеланием, показывает, что письмо написано в канун или самом начале нового, 1913 г. 25 июня 1913 г. Эйнштейн направил Маху письмо, в котором писал: "На этих днях Вы уже получите мою новую работу об относительности и гравитации, которая после бесконечных мук и мучительных сомнений теперь, наконец, готова. В ближайшем году во время солнечного затмения должно обнаружиться, будут ли искривляться Солнцем световые лучи, или, другими словами, соответствует ли действительности основополагающее допущение об эквивалентности ускорения системы отсчета, с одной стороны, и поля тяжести - с другой.

Если это так, то Ваши гениальные исследования об основах механики получат - несмотря на несправедливую критику Планка - блестящее подтверждение. Ибо с несомненностью обнаружится, что инерция имеет своим источником род взаимодействия тел, совершенно в духе Ваших соображений об опыте Ньютона с ведром".

И далее Эйнштейн пишет: "Это - моя большая радость. Я могу это Вам сообщить в особенности потому, что критика Планка мне всегда казалась в высшей степени несправедливой".

Как видим из этих цитат, Эйнштейн настолько тесно связал свои идеи с идеями Маха, что даже экспериментальное доказательство искривления световых лучей в поле тяготения Солнца рассматривал как "блестящее подтверждение" принципа Маха и его критики основ ньютоновской механики. Вместе с тем Эйнштейн неоднократно подчеркивал, что в теоретико-познавательной дискуссии между Планком и Махом он, Эйнштейн, принимает сторону последнего и считает критику Планка несправедливой. В дальнейшем, однако, Эйнштейн и Мах разошлись, тогда как позиции Эйнштейна и Планка сблизились. Но это не должно заслонить того основного исторического факта, что в возникновении идей общей теории относительности "Механика" Маха, как мы это уже отмечали, сыграла существенную роль.