Text
                    Л. Эйнштейн
Эфир и принцип
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.
1921 г.

ФИЗИЧЕСКАЯ БИБЛИОТЕКА. А. Эйнштейн. ЭФИР И ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. Перевод с немецкого А. II. АФАНАСЬЕВА. ПЕТРОГРАД. 1921.
ATHER UND RELAT1V1TATS-THE0RIE REDE GEHALTEN AM 5. MAI 191.0 AN DER REICHS UNIVERS1TAT ZU LEIDEN VON ALBERT EINSTEIN BERLIN VERLAG VON JULIUS SPRINGER 1920
От переводчика. Предлагаемая в русском переводе вниманию читателей речь проф. А. Эйн- штейна, произнесенная им на торже- ственном собрании Лейденского уни- верситета по поводу его избрания особым профессором этого универси- тета, содержит мастерское сжатое и, насколько возможно в таком трудном вопросе, общепонятное изложение развития воззрений физиков на при- роду мирового эфира и на возможность его существования. Эта речь являет- ся как бы необходимым дополне- нием книги Эйнштейна „Принцип
IV относительности", одновременно вы- пускаемой в русском переводе „Науч- ным Книгоиздательством". Читателям совершенно незнакомым или мало знакомым с принципом относитель- ности можно рекомендовать по проч- тении речи Эйнштейна прочесть его книжку и затем вновь прочесть речь. Очень хорошими пособиями при чте- нии книг Эйнштейна могут служить: глава V второй части четвертого тома курса физики проф. О. Д. Хвольсона; статья Хвольсона: „Принцип относи- тельности" в журнале Природа, ноябрь 1912 г.; выпуски 1 и 3 „Но- вых идей в физике"; выпуски 2, 3 и 5 „Новых идей в математике".
Эфир и принцип относительности. Речь Альберта Эйнштейна, произнесенная 5 мая 1920 года въ Лейден- ском Университете. Гг. Кураторы, Профес- соры, Доктора и студенты этого университета! А также все дамы и господа, почтившие сво- им присутствием настоя- щий праздник! Как создалась у физиков на ряду с идеей о весомой материи, возникшей путем аб- стракции повседневного опыта, идея о суще- ствовании некоторой другой материи, эфира? Конечно, в основу ее легли те явления, ко-
6 торые дали толчеи теории сил, действующих на расстоянии, и те свойства света, которые привели к волновой теории света. Остано- вимся несколько внимательнее на обоих пред- метах. Не физическое мышление ничего не знает о силах действующих на расстоянии. Желая установить причинную связь между явле- ниями, наблюдаемыми нами над телами, мы невидимому встречаемся только с взаимодей- ствиями, обнаруживающимися при непосред- ственном соприкосновении, например, пере- дача движения толчком, давлением или тя- гой, нагревание или воспламенение пламе- нем и т. д. Однако, и в повседневной жизни одну из главных ролей играет тяжесть, т. е. сила, действующая на расстоянии. Но так как в повседневной жизни тяжесть тел является для нас чем то постоянным, не меняю- щимся ни в пространстве, ни во времени, то мы не задумываемся над причиной тяжести тел, и поэтому для нас остается неосознанной и природа силы, действующей на расстоянии. Впервые только Ньютонова теория тяготения
7 поставила вопрос о причине силы тяжести, определив эту силу как силу, действующую на расстоянии и зависящую от масс. Дей- ствительно, теория Ньютона сделала са- мый большой шаг, который когда либо был сделан на пути попыток установить при- чинную связь явлений природы, и тем не менее современники Ньютона встретили эту теорию весьма неприязненно. Им каза- лось, что она противоречит принципу дей- ствия тел друг на друга через прикоснове- ние, а не через действие на расстоянии вытекавшему из всех других опытов. Стремление человека к познанию весьма неохотно допускает такую двойственность. Каким образом можно спасти единство в по- нимании сил природы? Можно, например, попытаться представить себе силы, действую- щие через прикосновение, как силы, дей- ствующие на расстоянии,—только такие, ко- торые становятся заметными лишь на очень маленьких расстояниях; такой путь избрали последователи Ньютона, всецело ставшие под знамена его учения. Но можно сделать и дру-
8 гое предположение, а именно, что Ньюто- нова сила только кажется нам силой, действующей на расстоянии, но что в дей- ствительности она передается или посред- ством движений, или через деформации в среде, наполняющей пространство. Таким образом стремление к единству нашего по- нимания природы сил приводит к гипотезе об эфире. Впрочем непосредственно эта ги- потеза не имела влияния на развитие теории тяготения, и физики, вообще, привыкли даже смотреть на закон тяготения Ньютона, как на аксиому, не требующую дальнейшего раскрытия. Но в мышлении физиков гипо- теза об эфире все время играла некоторую роль, хотя первое время может быть и в скры- той форме. Гипотеза об эфире приобрела новую опору в первой половине 19-го столетия, когда стало очевидным глубокое сходство между свойствами света и свойствами упругих волн в весомых телах. Стало несомненным, что свет можно представить себе как колеба- тельный процесс в упругой инертной массе,
9 наполняющей вселенную. Далее из явлений поляризации света с необходимостью выте- кало, что эта среда—эфир—должна быть по- добна твердому телу, так как только в твер- дом теле, а не в жидкости, возможны попе- речные колебания. Таким образом пришли к теории „квазиупрутого“ светового эфира, частицы которого могут совершать исклю- чительно только небольшие деформационные движения, соответствующие световым волнам. Эта теория—называемая также теориею покоющегося эфира — в дальнейшем нашла важную опору в опыте Физ о, из которого можно было заключить, что эфир не прини- мает участия в движении тел. Опыт Ф и з о является основным и для специальной теории относительности. Явление аберрации света точно также говорило в пользу теории ква- зитвердого эфира. Развитие теории электричества по пути, указанному Максвэллом и Лоренцом, привело к своеобразному и неожиданному повороту в развитии наших представлений об эфире. Правда, для самого Максвэлла
— 10 — эфир является еще образованием с чисто механическими, хотя и более сложными, чем у твердого тела, свойствами. Но ни самому Максвэллу, ни его последователям не уда- лось построить такую механическую модель для эфира, которая давала бы удовлетвори- тельное истолкование Максвэлловых законов электромагнитного поля. Законы ясны и про- сты, механическое истолкование их неуклюже и противоречиво. Почти незаметно для себя физики теоретики примирились с такими за- путанным с точки зрения их механической программы положением дела, особенно спо- собствовали этому электродинамические ис- следования Генриха Герца. Действи- тельно, в начале они требовали от всякой за- конченной теории, чтобы она исключительно исходила из механических понятий (напри- мер плотность, скорость, деформация, да- вление), а затем постепенно привыкли на- ряду с механическими понятиями допускать в качестве основных понятий электрическое и магнитное напряжения, не требуя от них механического истолкования. Таким образом
11 мало л о малу расстались с чисто механи- ческим воззрением на природу. Однако, та- кой поворот привел к невыносимой двой- ственности в основных положениях. Желая избежать этого, пытались обратным образом свести основные механические понятия на электрические, в частности опыты с лучами- бэта и быстрыми катодными лучами поколе- бали веру в непреложную справедливость уравнений механика Ньютона. Еще у Г е р ц а эта двойственность ничем не была смягчена. У него материя являлась носительницей не только скоростей, кине- тических энергий и давлений, но и носи- тельницей электромагнитных полей. Так как эти поля могут существовать также и в пустоте, т. е. в свободном эфире—то и эфир оказывался также носителем электро- магнитных полей. Он оказывался совершенно подобным и родственным весомой материи. Эфир, находящийся среди материи, прини- мает участие в ее движениях, эфир в пу- стоте везде имеет скорость такого рода, чтобы эта скорость во всем пространстве
12 распределялась непрерывно. Герцевский эфир ничем существенно не отличается от весомой материи, (частью состоящей из эфира). Теория Герца не только страдала тем недостатком, что приписывала материи и эфиру с одной стороны механические, с дру- гой стороны электрические состояния, ко- торые немыслимо связать между собою,— она кроме того противоречила данным важ- ного опыта Физо относительно скорости распространения света в движущихся жид- костях, а также и другим несомненным опыт- ным данным. Таково было положение дела, когда вы- ступил Г. А. Лоренц. Он привел теорию к совпадению с опытом и достиг этого уди- вительным упрощением теоретических основ- ных положений. Он достиг этого важней- шего со времени Максвэлла успеха тем, что лишил эфир его механических, а материю ее электрических свойств. Как в пустоте, так и внутри матерьяльных тел исключительно только эфир является носителем электро- магнитных полей, а отнюдь не материя, ко-
— 13 — торую мы представляем раздробленном на атомы. По Лоренцу только одни эле- ментарные частицы материи способны со- вершать движения; их электромагнитное дей- ствие заключается только в том, что они несут электрические заряды. Таким образом Лоренцу удалось свести все электромаг- нитные явления к уравнениям поля, уста- новленным Максвэллом для пустоты. Что касается механической природы Ло- ренцева эфира, то, позволяя себе шутку, можно сказать, что Г. А. Лоренц оставил ему только одно механическое свойство— неподвижность. К этому можно прибавить, что все изменение, которое произвела спе- циальная теория относительности в понятии об эфире, состояло в отнятии у эфира и этого последнего его механического свой- ства неподвижности. Сейчас будет объяснено, как это следует понимать. Теория пространства и времени и ки- нематика специальной теории относительно • сти воспользовалась как моделью теориею электромагнитного поля Максвэлл-Лоренца,
14 Таким образом эта теория удовлетворяет условиям специальной теории относитель- ности; но она получает с точки зрения последней новый вид. Пусть К будет неко- торая координатная система, по отношению к которой эфир Лоренца находится в покое; тогда по отношению к А уравнения Максвэлла - Лоренца будут справедливы прежде всего. Но на основании специальной теории относительности те же самые урав- нения в совершенно неизмененном виде бу- дут справедливы и относительно всякой новой координатной системы движущейся равномерно и прямолинейно относительно системы А. Теперь невольно возникает во- прос: почему я должен приписать системе А*, в отличие от физически совершенно подоб- ной ей системы 1\ то свойство, что эфир относительно ее неподвижен? Такая асим- метрия теоретического построения, совер- шенно не опирающаяся ни на какую асим- метрию опытных данных, недопустима для теоретика. Мне кажется неприемлемой, хотя с логической точки зренияи не совсем
15 — неверной, физическая равноценность си- стем Л’ и К' при допущении, что эфир покоится относительно системы Л’, и дви- жется относительно системы Л”. Ближайшей точкой зрения, на которую можно встать в этом вопросе, является такая. Эфира вообще не существует. Электромаг- нитные поля не суть состояния некоторой среды, а самостоятельно существующие реаль- ности, которые нельзя свести к чему нибудь другому и которые, подобно атомам весомой материи, не связаны ни с какими носите- лями. Такое воззрение является тем более естественным, что согласно Лоренцовой тео- рии электромагнитное излучение, подобно весомой материи, несет с собой импульс и энергию, и что материя и излучение со- гласно специальной теории относительности являются только особыми формами энергии, распределенной в пространстве, таким обра- зом весомая масса теряет свое особое положе- ние и является только особой формой энергии. Между тем ближайшее рассмотрение по- казывает, что специальная теория относи-
16 тельности не требует безусловного отрицания эфира. Можно принять существование эфира, не следует только заботиться о том, чтобы приписывать ему определенное состояние дви- жения, иначе говоря, нужно путем абстраги- рования отнять от него последний механи- ческий признак, который ему еще оставил Лоренц. Позднее мы увидим, что данныя все- общей теории относительности оправдывают такое представление, мыслимость же этого представления я выясню сейчас же на одном несколько хромающем примере. Представим себе волны на поверхности воды. Можно различать в этом явлении две стороны. Прежде всего можно исследовать, как с течением времени меняется волно- образная поверхность, разделяющая воду и воздух. Но можно также—например при помощи маленьких плавающих тел—иссле довать, как изменяется с течением времени положение отдельных частиц воды. Предпо- ложим, однако, что мы принципиально отказы- ваемся от применения таких плавающих те- лец для исследования движения частиц воды,
17 тогда мы сможем во всем явлении заметить только пространственное изменение во вре- мени положения поверхности воды; в таком случае у нас нет никаких оснований пред- полагать, что вода состоит из подвижных частиц. Тем не менее мы можем спокойно считать воду средой. Нечто подобное существует в электро- магнитном поле. Именно, можно представить себе поле состоящим из силовых линий. Если смотреть на эти силовые линии как на нечто матерьяльное в обыкновенном смысле слова, то можно попытаться представить себе ди- намические явления, как явления движения этих силовых линий и исследовать таким образом каждую силовую линию с течением времени. Однако^ хорошо известно, что такой способ рассмотрения приводит к противо- речиям. Обобщая мы можем сказать. Мыслимо, расширяя понятие физического предмета, представить себе такие предметы, к которым нельзя применить понятие движения. Их нельзя мыслить состоящими из частиц под-
18 — дающихся каждая в отдельности исследова- нию во времени. На языке Минковского надо сказать так: не всякое образование, заполняющее четырехмерное пространство, можно представить себе состоящим из ми- ровых нитей. Специальная теория относи- тельности запрещает нам принимать эфир состоящим из частиц, поддающихся исследо- ванию во времени, но гипотеза о существо- вании эфира не противоречит специальной теории относительности. Нужно только осте- регаться приписывать эфиру состояние дви- жения. Конечно, с точки зрения специальной теории относительности гипотеза об эфире является гипотезой, лишенной содержания. В уравнения электромагнитного поля входят кроме электрических плотностей только напряжения поля. Протекание электромаг- нитных явлений в пустоте вполне опреде- ляется заключающимся в этих уравнениях внутренним законом, независимо от других физических величин. Электромагнитные поля являются конечными, ни к чему не своди-
19 — мыми реальностями, и поэтому совершенно лишне постулировать существование одно- родного изотропного эфира и представлять себе поля, как состояние этого эфира. С другой стороны можно привести неко- торый важный аргумент в пользу гипотезы об эфире. Отрицать эфир—это в конечном счете значит принимать, что пустое про- странство не имеет никаких физических свойств. С таким воззрением не согласуются основные факты механики. В самом деле механическое поведение некоторой свободно парящей в пустом пространстве системы тел зависит не только от относительных поло- жений (расстояний) и относительных скоро- стей этих тел, но и от состояний вращения которое невозможно характеризовать каким- либо признаком, связанным с системой. Чтобы можно было смотреть на вращение системы по крайней мере формально, как на нечто реальное, Ньютон об’ективирует пространство. Тем, что он причисляет свое абсолютное пространство к реальным вещам, он принимает и вращение относительно абсо- *
20 — лютно существующего пространства, как не- что реальное. Ньютон мог бы с полным правом свое абсолютно существующее про- странство назвать „эфиром"; ведь для того, чтобы смотреть на ускорение или вращение, как на нечто реальное, существенно только на ряду с наблюдаемыми об'ектами считать еще реальной некоторую другую чувственно невоспринимаемую вещь. Правда были попытки избегнуть необхо- димости принимать за реально существую щее нечто недоступное наблюдению, при- нимая в механике вместо ускорения отно- сительно абсолютного пространства среднее ускорение относительно всей совокупности масс, находящихся в мире. Но сопротивле- ние инерции в случае ускорения относи- тельно далеких масс предполагает прямое действие на расстоянии. Так как современ- ный физик уверен в возможности обойтись без него, то он при подобном способе рас- смотрения вновь приходит к эфиру, который должен явиться передатчиком действий инер- ции. Но такое представление об эфире, при-
21 водящее к Маховскому способу рассмотре- ния, существенным образом отличается от представлений об эфире Ньютона, Фре- неля и Г. А. Лоренца. Эфир Маха не только обусловливает поведение инерт- ных масс, но и сам в своем состоянии зави- сит от инертных масс. Мысль Маха находит свое полное разви- тие в эфире всеобщей теории относитель- ности. Согласно этой теории метрические свойства пространственно-временной непре- рывности около отдельных пространственно временных точек различны и зависят от материи, расположенной вне рассматривае- мой области. Представление о физически пустом пространстве окончательно устра- няется такой пространственно - временной изменяемостью взаимных соотношений мас- штабов и часов; сюда присоединяется еще то обстоятельство, что „пустое простран- ство “ в физическом отношении ни одно- родно, ни изотропно, мы вынуждены его состояние описать при помощи десяти функ- ций—-гравитационных потенциалов g . По
— 22 таким образом и понятие эфира снова при- обретает определенное содержание, которое совершенно отлично от содержания понятия эфира механической колебательной теории. Эфир всеобщей теории относительности есть среда, сама по себе лишенная всех механи- ческих и кинематических свойств, но в то же время определяющая механические (и электро- магнитные) события. Принципиально новое в эфире всеобщей теории относительности по сравнению с Лоренцевым эфиром заключается в том, что его состояние во всяком месте определяется закономерной зависимостью, в форме диффе- ренциальных уравнений, от материи и со- стояния эфира в соседних местах, в то время как состояние эфира Лоренца в случае отсут- ствия электромагнитных полей ни от чего кроме самого эфира не зависит и повсюду одно и то же. Мысленно можно превратить эфир всеобщей теории относительности в эфир Лоренца, если заменить все описы- вающие его функции пространства постоян- ными и не обращать внимания на причины,
— 23 — обусловливающие его состояние. Можно ска- зать еще и так,—эфир всеобщей теории относительности мы получаеам из эфира Ло- ренца, делая последний относительным (durch Kelativierung). Нам пока еще не ясно, какую роль но- вый эфир призван играть в картине мира будущего. Мы знаем, что он определяет размерные (метрические) соотношения в про- странственно-временной непрерывности, на- пример, возможные конфигурации твердых тел или различные поля тяготения; но мы не знаем, участвует ли он в построении образующих материю элементарных электри- ческих частиц. Мы не знаем также, только ли вблизи весомых масс его строение суще- ственным образом отличается от строения эфира Лоренца, применима ли Эвклидова геометрия к пространствам космических раз- меров. Но мы можем, основываясь на уравне- ниях тяготения теории относительности, утверждать, что в пространстве космических размеров только тогда могут быть откло- нения от Эвклидовой геометрии, когда в
24 — мире существует хотя бы весьма мало поло- жительная средняя плотность материи. В этом случае мир необходимо должен быть пространственно замкнут и быть конечных размеров, определяемых величиной выше упомянутой средней плотности. Если мы будем с точки зрения гипотезы о существовании эфира рассматривать поле тяготения и электромагнитное поле, то мы заметим между ними замечательную принци- пиальную разницу. Не может быть простран- ства, а также и части пространства без потенциалов тяготения; последние сообщают ему его размерные (метрические) свойства;— без них оно вообще не мыслимо. Существо- вание поля тяготения непосредственно свя- зано с существованием пространства. Напро- тив, очень легко представить себе любую часть пространства без электромагнитного поля; в противоположность полю тяготения электромагнитное поле некоторым образом только вторично связано с эфиром, при чем внешняя природа электромагнитного поля совершенно не определяется природой поля
25 — тяготения. По современному состоянию тео- рии выходит так, как будто бы электро- магнитное поле в противоположность полю тяготения покоилось на совершенно новой формальной причине, как будто бы природа может наделить эфир тяготения наряду с полями типа электромагнитного поля, еще полями совершенно другого типа, напри- мер, полями скаларного потенциала. Так как по нашим современным воззре- ниям и элементарные частицы материи по своей природе представляют не что иное, как сгущение электромагнитного поля, то значит наша современная картина мира знает две совершенно различные по содер- жанию реальности, хотя причинно и свя- занные между собою,—именно эфир тяго- тения и электромагнитное поле, или про- странство и материю (можно и так еще на- звать эти реальности). Конечно, было бы большим шагом впе- ред, если бы удалось соединить в одну общую картину поле тяготения и электромагнитное поле. Таким образом была бы удовлетвори-
16 тельным образом завершена эпоха теорети- ческой физики, начатая Фарадэем и Максвэллом. Тогда бы стушевалось про- тивоположение эфира и материи и вся физика была бы замкнутой системой мысли подоб- ной всеобщей теории относительности, охва- тывающей геометрию, кинематику и теорию тяготения. Исключительно остроумная по- пытка в этом направлении сделана матема- тиком Г. В э й л е м; однако, я не думаю, что бы его теория могла устоять против действительности. Размышляя о ближайшем будущем теоретической физики мы не мо- жем безусловно отрицать возможности встречи с непреодолимыми границами, которые мо- гут поставить теории поля факты, охваты- ваемые теорией квант. Резюмируя мы можем сказать: всеобщая теория относительности наделяет простран- ство физическими свойствами; таким обра- зом в этом смысле эфир существует. Со- гласно всеобщей теории относительности пространство не мыслимо без эфира; дей- ствительно, в таком пространстве не только
— 2/ — не было бы распространения света, но не могли бы существовать масштабы и часы, и не было бы никаких пространственно вре- менных расстояний в физическом смысле слова. Но нельзя представить себе этот эфир состоящим из частей, которые можно исследовать во времени; таким свойством обладает только весомая материя; точно так же нельзя применять к нему понятие движения.
ИЗДАНИЯ НАУЧНОГО КНИГОИЗДАТЕЛЬСТВА Петроград, Литейный 25. С. ГаЛЬПерСОН. Am.inc .Нуны. Атлас содержит 24 таблицы снимков лунной поверхности, исполненных по фотогра- фиям Парижской Обсерватории, снаб- женных кальками с нумерацией кра- теров, названиями горных цепей и мо- рей и богато иллюстрированным объяс- нительным текстом, в папке. Готовится 2-ое дополненное издание. А. Р. Хинкс. Jm/дено.иы и их обсер- ватории. Пер. с английского В. Е. Му- рашкинского с 13 рис. А. А. Иванов. Профессор, Директор Пулковской Обсерватории. Теория оши- бок и енособ наименьших квадратов.
К. Л. Бае в. проф. Об эволюции небесных тел. С 5 рис. А. В. Васильев. Заслуж. проф. Целое число. Истории, очерк с 24-мя портре- тами, чертежами в тексте и отдельной таблицей на меловой бумаге. Лицман И Трир. Где ошибка? Перевод с немецкого с 23 рисунками. Ф. Ауэрбах, проф. Йенского Универси- тета. Семь аномалии воды. Перев. с. нем. с 12 рис. Ф. Ауэрбах, проф. Царица мира и ее тень. Общедоступное изложение осно- ваний учения об энергии и энтропии. С 10-ью рисунками. А. Царт. Кирпичи миролдання. Перевод с немецкого с 44 рисунками. А. Зильберштей н. Квинтала я теория спектров. Обзор. Переводе английского.
А. Эйнштейн. Принцип относитель- ности. Пер. с немецкого С. И. Вавилова. Ч. БОЙС, проф. Мыльные пузыри. Лекции о волосности и капиллярных явлениях, читанные перед молодой аудиторией. Перевод с поел. англ, издания. С 80 рис. и цветной таблицей. А. Келер, проф. Атмосферное электри- чество, Перевод А. Бианки, под ред. П. Н. Тверского, физика Константи- новской Обсерватории. С 35 рис. О. Хвольеон, проф. вы.е лучей и теория тежами. Спектр ренппено- Бора. С 9-ью чер- Э. Резерфорд. Бомбардировка атомов и ращепление азота. С рис.
КУРС АСТРОФИЗИКИ Академика Л. А. Белопольского, Почетного Доктора Астрономии Московского Универе. С. К. Кост и некого, Проф. Петроградского Универе. В. В. Серафимова, Астрофизика Пулковской Обсерватории Г. Л. Тихона. С дополнительными главами проф. Петро- градского Увиверситета О. Д. Хвольсона. Том I-й: Г. Т и х о в. Астрофотометрия Том Н-й: С. Костинский. Астрофотография Том 111-й: А. Белопольский. Астроспектроскопия
Том 1¥-й: В. Серафимов. Звездная статистика Том У-й: О. Хвольсон. Дополнения Том I и Ill-й печатаются и вскоре выйдут в свет. Все тома будут богато иллюстрированы. 2 Госуд. типография. Галерная, 1, Р. В. Ц.