Размещено на http: //www. allbest. ru/

Ритц, Эйнштейн и эмиссионная гипотеза

Альберто А. Мартинез

Аннотация

Physics in Perspective"

Статья из журнала "Перспективы физики" 2004 г., №6, с. 4-28.

(Издательство Биркхаузера, Базель, Швейцария)

(Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis, Alberto A. Martнnez)

перевод на русский - С.Семиков, 2006 г.

В районе 1908-го года, когда специальная теория относительности Альберта Эйнштейна только-только начала получать признание, молодой швейцарский физик Вальтер Ритц выдвинул альтернативную ей идею, изначально названную эмиссионной теорией, которая искала объяснения явлениям электродинамики из условия, что скорость света зависит от движения его источника. Я рассматриваю незаконченную работу Ритца в этой области и обсуждаю причины, по которым Эйнштейн и другие физики отклонили теорию Ритца и другие эмиссионные теории. В связи с тем, что эмиссионная теория Ритца снова привлекла внимание в 1960-х, я рассмотрю, каким образом ранее обнаруженные свидетельства были истолкованы как говорящие против неё с той чрезмерной категоричностью, которая реально не могла иметь места. Наконец, я определю роль, сыгранную свидетельствами против теории Ритца и другими факторами, которые привели к преждевременному отказу от его подхода.

Ключевые слова: Эмиссионные теории света; относительность; Вальтер Ритц; Альберт Эйнштейн; Г. А. Лоренц; Пауль Эренфест; Джон Г. Фокс.

Введение

Чтобы решить теоретические проблемы оптики, возникшие при слиянии нескольких разделов физической науки, физики попытались около 1900 г. модифицировать принципы механики и теорию электромагнетизма посредством различных новых схем. Одной из них была теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 г., ставшая общепринятым решением проблем этого и многих других разделов физики. Эйнштейн установил новый фундамент физики, такой, что законы электродинамики сохраняли свою форму, но зато законы механики были изменены. Противоположный подход применил швейцарский физик-теоретик Вальтер Ритц, который считал корнем проблемы уравнения электродинамики и потому приводил доводы в пользу их радикального пересмотра. В 1908 г. Ритц опубликовал эмиссионную теорию света, которая объединялась с классической механикой в попытке разработать новую электродинамику движущихся тел. В то время как Эйнштейн постулировал, что все световые лучи путешествуют в вакууме с одной и той же скоростью, Ритц высказал мнение, что их скорость может быть различной в зависимости от движения их источника в момент испускания, как у любого другого выпущенного снаряда. Его подход был вскоре отвергнут, главным образом физическим сообществом, поскольку физики заявили, что экспериментальные и астрономические свидетельства находились в расхождении с его основополагающей предпосылкой. Но ещё до того как появилось хоть какое-то экспериментальное свидетельство против его работы, теория Ритца была отклонена большинством физиков. Историк Пауль Форман комментирует: «Точка зрения, которую он выдвинул, так никогда и не получила критического рассмотрения или соответствующего развития, которого заслуживала».1

История вторжения Вальтера Ритца в электродинамику поучительна по нескольким причинам. Ритц (фото 1) не был одним из физиков старого поколения, возразивших против теории Эйнштейна в пользу более традиционных подходов. Он был молод и расценил свой подход к электродинамике как куда более радикальный, чем у Эйнштейна. Кроме того, поначалу Ритц получил более высокую оценку и поддержку со стороны сложившегося физического сообщества, чем Эйнштейн. Но плодотворная работа Ритца была внезапно прервана, когда он скончался в 1909 г. в возрасте 31-го года. Его незавершённая электродинамическая теория была отклонена. Однако к 1965 г. все экспериментальные свидетельства, которые, как считалось, опровергали подход Ритца, были исследованы повторно и было доказано, что они настолько же совместимы с его эмиссионной гипотезой, насколько и с теорией Эйнштейна. Таким образом, детище Ритца, его работа по электродинамике не только открывает окно в то время, когда физики ещё сражались в попытках решить фундаментальные проблемы, но также и говорящий пример того, как экспериментальные свидетельства иногда получают иное толкование вследствие их преждевременного научного осмысления. Я прослежу основные выводы эмиссионной теории света в варианте Эйнштейна, Ритца и других.

Фото 1 Вальтер Ритц (1878-1909). Источник: Sociйtй Suisse de Physique, Ritz, Gesammelte Werke (ссылка 5), фронтиспис

1. Критический взгляд Ритца на электродинамику

Вальтер Ритц родился в Сионе, Швейцария, 22 февраля 1878 г. Уже в юности он обнаружил способности к науке и математике. Однако всё также с раннего возраста его учёба осложнялась хроническим заболеванием. Впервые он начал страдать от дыхательной болезни в возрасте девятнадцати лет, в результате травматического инцидента в сентябре 1897 г.: «Поднимаясь на Мон-Плюе с друзьями, он оглянулся назад и увидел как часть их группы, поскользнувшись на свежем снегу, упала с утёса; эмоциональное потрясение усугубилось физическим перенапряжением и чрезмерной продолжительностью спасательных усилий».2 Но несмотря на то падение он держал и сдал вступительный экзамен в Цюрихский Политехникум (позже Высшую Техническую Школу Швейцарии), дабы учиться на инженера. Но вскоре он вернулся к «чистой науке», то есть к теоретической физике.

Альберт Эйнштейн, на год моложе Ритца, также был студентом Цюрихского Политехникума. Эйнштейн учился на том же самом отделении, что и Ритц, но поступил туда годом ранее, в 1896 г. Эти двое были записаны на некоторые курсы нередко к одним и тем же профессорам, включая Германа Минковского и Генриха Ф. Вебера. Эйнштейн окончил институт в 1900 г., в то время как Ритц покинул его в 1901 г., после серьёзной болезни, с целью учиться далее в университете Гёттингена. Ритц оставил о себе в Цюрихе лучшее впечатление, чем Эйнштейн. К примеру, в то время как Эйнштейн описывался по отзывам Минковского как «лентяй»3, Ритц поехал к Дэвиду Гильберту в Гёттинген с дружественными словами от него.4 Там Ритц также учился у Макса Абрахама, Теодора Де Кудре, Вальтера Кауфмана и Феликса Клейна, но особенно у Вальдемара Войгта, под руководством которого он написал свою диссертацию. Так началась пионерская работа Ритца по теоретической спектроскопии, области, в которой он стал наиболее известен как автор «комбинационного принципа» и благодаря которой обрела известность теория возмущений Релея-Ритца. Эта работа послужила стимулом не только для других экспериментаторов и теоретиков атомной спектроскопии, таких как Карл Рунге, Фридрих Пашен и Арнольд Зоммерфельд, но также и для математиков, которые развили методы Ритца. Ритц подготовил свою диссертацию для печати уже в начале 1903 г., после чего уехал в университет Лейдена в компании своего близкого друга Пауля Эренфеста (фото 2), чтобы посетить лекции Г.A. Лоренца по электронной теории.

Фото 2 Пауль Эренфест (1880-1933). Надпись гласит: «Если Вы взволнованы - бабушка!» и датирована 15-м октября, 1901 г. Заимствовано: В.Я. Френкель, Ленинградский физико-технический Институт; любезно предоставлено Американским Институтом Физики, Эмилио Серже, Фотоархив

В отличие от многих теоретиков того времени, Ритц не был впечатлён подходом Лоренца к решению задач электродинамики. В Гёттингене Ритц познакомился с электронной теорией через работы Абрахама, Кауфмана и Эмиля Вихерта, и в своей диссертации он бился над проблемой объединения электродинамики с механикой в попытке установить законы спектральных серий. Находясь в Лейдене и позднее, он стал всё более и более неприязненно относиться к теории Максвелла в целом и к электродинамике Лоренца в частности. В 1908 г. он начал публиковать свои возражения на господствующие подходы в электродинамике и оптике. Между тем, в 1903-1904 гг., он продолжал свою работу по спектроскопии в университете Бонны, в институте Генриха Кайзера, и в Высшей Нормальной Школе (Йcole Normale Supйrieure) в Париже, в лаборатории Эйма Коттона и Генри Абрахама. Но в это время Ритц серьёзно заболел и должен был полностью отойти от дел на два года. В 1906 г., всё ещё имея ослабленное здоровье, он принял решение продолжить свои исследования. Его труды по спектроскопии и его ослабленное здоровье объясняют задержку его занятий электродинамикой, интенсивных прежде.

Ритц изложил свою исследовательскую программу, состоящую из двух частей. Сначала он предпринял критический анализ современных теорий электродинамики и указал на их существенные недостатки и несоответствия. В то же время он стремился разработать альтернативный синтез оптики с новой электродинамикой, который позволил бы лучше объяснить экспериментальные факты и дал опору для дальнейшего продвижения. Он опубликовал свои исследования в 130-страничной статье, озаглавленной «Recherches critiques sur l'йlectrodynamique gйnйrale» (Критический анализ общей электродинамики), которая вышла в Annales de Chimie et de Physique (Анналы Химии и Физики) в 1908 г.5 Он развил эту работу в ряде статей, в которых он резюмировал и развивал свои аргументы.

Согласно Ритцу, существенные трудности в электродинамику были внесены полевыми уравнениями электромагнетизма. Он делал упор на то, что уравнения Максвелла допускают слишком много возможных решений, которых в принципе бесконечное число, и что эти избыточные решения приводили к физически абсурдным следствиям. Он показал, что опережающие потенциалы лишены физического смысла; он отрицал возможность сходящихся сферических волн; и он был недоволен тем, что уравнения Максвелла допускали возможность существования вечного двигателя.6 Чтобы избежать неоднозначной множественности решений уравнений Максвелла, Ритц требовал принять в качестве основополагающей идеи запаздывающие потенциалы. Их уравнения вводили задержку во времени, затрачиваемого на прохождение электромагнитными воздействиями расстояний в пространстве. При допущении одних только запаздывающих потенциалов лишь прошлые состояния системы смогли бы задавать её настоящее состояние, и энергия могла бы излучаться только веществом, а не, скажем, бесконечно исходить от эфирного окружения.

Ритцу не нравилось, что фундаментальные электрические и магнитные поля не были обнаружены непосредственно, и он показал, подобно Анри Пуанкаре до него, что их физическая интерпретация, привлекающая гипотезу неподвижного эфира нарушает закон действия и противодействия. Он пренебрежительно называл эфир «математическим фантомом», не обнаруживаемым и не заслуживающим широкого приёма, который он получил.7 Точно так же он считал, что электрический и магнитный вектора силы выполняют роль лишь математических конструкций, полезных только в частных случаях, и он подвергал сомнению их конкретный физический смысл. Подобно Генриху Герцу и другим, Ритц считал фундаментальными только соотношения пространства, времени и материи, и потому был недоволен тем, что электродинамика была основана исключительно на силах. Он пришёл к выводу, что полевые уравнения Максвелла и вообще уравнения в частных производных совершенно неадекватно описывали конкретные законы распространения физических воздействий.

Ритц направил свою критику главным образом на электродинамику Лоренца, хотя он был хорошо осведомлён о вкладе в эту область Пуанкаре и теории Эйнштейна. Подобно большинству других физиков первого десятилетия двадцатого века, Ритц расценивал теорию Эйнштейна по сути как обобщённую переформулировку Лоренцевой. Он различал эти две теории, но считал, что обе они вели к одинаковым следствиям. Статьи Ритца говорят о том, что он в чём-то отдал должное теории Эйнштейна, хотя бы потому, что неоднократно возвращался к ней при попытках опровергнуть Лоренца. Например, хотя теория Максвелла-Лоренца и вводила неподвижный эфир, Ритц ссылался на Эйнштейна, показавшего, что уравнения Лоренца были независимы от концепции абсолютного движения, и, следовательно, от эфира. Ритц также показал, что доказанное Эйнштейном сокращение Лоренца-Фитцджеральда было не реальным физическим эффектом, но просто проявлением последствий произвольного определения, а именно процедуры определения одновременности событий.8 Тем не менее, согласно Ритцу, работа Эйнштейна в целом была усовершенствованием в корне ошибочной теоретической программы. Отказываясь от классической механики, Эйнштейн платил слишком высокую цену за решение проблем; и несмотря на это коренное изменение его теория оставила без изменений уравнения Максвелла. В целом, Ритц даже не интересовался теорией Эйнштейна. Ибо она не только сохраняла основу электродинамики Максвелла-Лоренца, но и производила впечатление сохранения рудимента эфира, когда постулировала постоянство скорости света. По Ритцу Эйнштейн слишком поспешил отказаться от ключевых разделов классической механики, которая, очевидно, была куда менее проблематична, чем электродинамика и оптика. Ритц также утверждал, что теория Эйнштейна не соответствовала действительности, поскольку находилась в противоречии с принципом Даламбера, и вообще в целом противоречила теории динамики в применении к системам отсчёта (как допускал Эйнштейн). Принцип Даламбера - правило классической механики, с помощью которого задачи динамики сводятся к задачам статики, например, путём добавления фиктивной "инерционной" силы, равной по величине, но противоположной по направлению результирующему вектору движущих и связывающих сил, действующих на систему.

Ритц упрекал Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна в том, что они решали проблемы электродинамики, привлекая слишком много сложных гипотез, и оставляя во многом проблематичные уравнения электромагнетизма нетронутыми. Лоренц принял уравнения Максвелла в качестве фундаментальных и использовал их, наряду со вспомогательными условиями, дабы вывести уравнения электродинамики и оптики. Поступая таким образом, как казалось Ритцу, Лоренц и точно так же Пуанкаре с Эйнштейном выражали чрезмерное доверие уравнениям Максвелла.10 Ритц же, напротив, попытался заменить фундаментальные полевые уравнения электродинамики. Подобно Пуанкаре и Эйнштейну, Ритц особенно подчёркивал несогласие между принципом относительности классической механики и гипотезой Лоренца о неподвижном, немеханическом электромагнитном эфире. Но вместо того, чтобы пересматривать классическую кинематику и динамику, расширяя применимость уравнений преобразований Лоренца, как это сделал Эйнштейн, Ритц попытался сохранить классическую механику и преобразовать уравнения электромагнетизма.

2. Эмиссионная теория Ритца

Ритц утверждал, что электромагнитные, а следовательно, и оптические явления согласуются с принципом относительности, подобно механическим явлениям. Следовательно, испускание света должно быть механически идентично другим материальным испусканьям: скорость света относительно данной системы отсчёта должна зависеть от движения источника света в момент испускания, подобно тому как скорость снаряда зависит от движения испустившего его орудия. В таком случае свет должен распространяться в виде концентрических сфер, окружающих источник, если тот не станет ускоряться. Чтобы сделать световые процессы наглядными, Ритц использовал для описания движения света термин «метание» («projection» - англ. бросание, метание, выстреливание - С.С.) вместо слова «распространение» («propagation»), поскольку последнее рождало представление о волнах, движущихся в среде.11 Он стремился избавиться от всех выражений и принципов, имеющих отношение к абсолютному движению и эфиру. Он показал, что свет или излучаемую энергию проще представлять как состоящую из бесконечно малых частиц, находящихся в движении, о которых он говорил как о «фиктивных» частицах.12 Эйнштейн выдвинул свою «эвристическую» концепцию световых квантов несколько ранее, в 1905 г., однако в том же году в его теории относительности он оставил открытым вопрос о строении света, когда писал о «лучах» света, которые одинаково применимы в концепциях частиц (корпускулярной - С.С.) и волн.

Ритц считал теорию относительности Эйнштейна не слишком отличающейся от теории Лоренца, и рассматривал свою собственную «Теорию относительности» («Relativtheorie») как производящую более радикальную ломку представлений.13 Ещё до 1905 г. Эйнштейн рассмотрел идею эмиссионной теории света и отказался от неё. Оглядываясь в прошлое, он упомянул «концепцию Ритца, которая, между прочим, была также и у меня, ещё до теории относительности».14 Но Эйнштейн отказался от эмиссионной гипотезы, поскольку он не смог найти никакого способа применить её для решения всех интересующих его проблем, а также поскольку она вводила дополнительные трудности, которых можно было бы избежать, следуя другим путём. Как он объяснил: «Я вовремя отклонил эту гипотезу, поскольку она вела к огромным теоретическим трудностям (к примеру, при объяснении формирования тени экраном, который перемещается относительно источника света)».15 Эйнштейн «был убеждён, что любой свет определяется исключительно частотой и интенсивностью, совершенно независящими от того, испущен ли свет движущимся или покоящимся источником».16 То есть, он принял «гипотезу независимости скорости света» от движения его источника только из-за «её простоты и легкоприменимости». Он утверждал, что в противном случае «для объяснения формирования тени придётся ввести уродливое предположение о том, что свет, испускаемый резонатором, зависит от вида возбуждения (возбуждения движущимся излучателем или возбуждения иного типа)».17 Другим тонким местом было то, что по эмиссионной гипотезе цепочка световых сигналов могла полностью поменять свою последовательность:

Если соответствующим образом ускоренный источник света испускает свет в одном направлении (например, в направление ускорения), то плоскости равной фазы (фронты световых волн - С.С.) будут двигаться с разными скоростями, и, таким образом, может получиться так, что все волновые фронты прибудут в заданную точку одновременно, так что длина волны в этом месте станет бесконечно малой. После чего свет перевернётся, так что его тыловая часть опередит фронтовую.18

Не имелось никакого известного свидетельства, подтверждавшего этот эффект. Эйнштейн также предполагал, что если скорость света зависит от скорости его источника, то распространение света, даже сквозь тонкую плёнку, преобразовывало бы его скорость «таким образом, что интерференция … вызвала бы совершенно невероятные явления». Кроме того, по Эйнштейну, «самым сильным аргументом» против эмиссионной гипотезы был следующий: «если не имеется никакой фиксированной скорости света вообще, то почему в таком случае весь свет, испускаемый 'неподвижными' телами, имеет скорость совершенно независимую от цвета? Это мне казалось абсурдным. Поэтому я отклонил эту возможность как априорно невероятную».19

Возражения подобные этим не опирались на свидетельства, которые бы находилось в прямом противоречии с эмиссионной гипотезой; они привлекали такие её сложности, которые делали гипотезу неправдоподобной по Эйнштейну. Так, к примеру, он ожидал, что свет, приближающийся к зеркалу по нормали со скоростью c+v, должен быть отражён со скоростью c-v, вместо того чтобы сохранить ту же самую скорость. Согласно Эйнштейну эти математические трудности казались неразрешимыми. «Эти осложнения позволяют понять, почему до сих пор не доказана возможность установить дифференциальные уравнения и граничные условия, которые сделали бы эту концепцию правомочной».20 Точно так же объяснял это Эйнштейн и в конце жизни, в черновике письма: «Невозможно построить электромагнитную теорию», если требуется, чтобы в любом направлении световые волны могли распространяться с различными скоростями. В этом состояла «принципиальная причина, по которой, ещё перед формулировкой специальной теории относительности, я отклонил этот предполагаемый путь.»21 И он сообщил репортеру, что к 1905 г. он оставил эмиссионную гипотезу,

поскольку не смог придумать такую форму дифференциального уравнения, которое могло иметь решения, описывающие волны, скорость которых зависела бы от движения источника. В таком случае эмиссионная теория вводила бы такие фазовые соотношения, что распространяющаяся волна могла бы совершенно ужасным образом «перемешиваться» и могла бы даже «обогнать саму себя».22

В целом, Эйнштейн отклонил эмиссионную гипотезу до 1905 г. не из-за какого-то конкретного экспериментального свидетельства против неё, но потому что, как ему казалась, она приводила к слишком большому числу теоретических и математических осложнений.

И напротив, Ритц отмечал отсутствие экспериментальных свидетельств, говорящих против эмиссионной гипотезы, и его уже не могли остановить математические трудности, к которым она приводила. Похоже, что для Ритца казалось куда более разумным принять, в интересах «экономии и простоты» научных принципов (гипотез), что скорость света зависит от скорости его источника, как у любого другого снаряда, чем допускать или верить, вместе с Эйнштейном, что скорость света не зависит от движения его источника, даже если не считать свет волной в среде; что ничто не может двигаться быстрее света; что длина и масса любого тела изменяются с его скоростью; что не может существовать никаких твёрдых тел; что время и одновременность - относительные понятия; что основное правило параллелограмма для сложения скоростей не всегда применимо; и так далее. Ритц комментирует: «Любопытно заметить, что всего несколько лет назад даже одно или другое следствие этой теории любой считал бы достаточным для её опровержения...».23

Поскольку эти «осложнения», очевидно, противоречили концепции эфира, Ритц был уверен, что его эмиссионная гипотеза дала бы лучший способ объяснения передачи электромагнитных воздействий. Он выдвинул гипотезу о том, что любой источник, например, электрически заряженная частица или электрон, постоянно испускает во всех направлениях мельчайшие частицы, обладающие одной и той же равномерной скоростью относительно заряда. Основываясь на этой взаимосвязи между электроном и частицами света, Ритц сформулировал «закон элементарных воздействий», объясняющий появление силы между электрическими зарядами. Его основополагающее уравнение было функцией пространственного взаиморасположения и относительных скоростей электрических зарядов и светоносных частиц, и отсюда следовала, как он утверждал, невозможность мгновенного действия на расстоянии (дальнодействия - С.С.).24 Другим предполагаемым преимуществом уравнения было то, что оно включало несколько неопределённых коэффициентов, которые означали, что описываемое им элементарное взаимодействие могло проявляться в различных формах; оно позволяло объяснять даже гравитационное притяжение и, в частности, необъяснимое смещение перигелия Меркурия.

Ритц исключил в своём выражении для силы какую-либо связь с абсолютным движением, когда выводил уравнения, описывающие электродинамические взаимодействия. Позднее он сравнил их с уравнениями электродинамики Лоренца, которые, как известно, экспериментально обоснованны. Он показал, например, что действие магнитов или замкнутых электрических токов на ионы правильно описывается и его расчётами и расчётами Лоренца. Аналогично, физические эффекты в замкнутых цепях при их относительном движении, явления индукции, выводы электростатики и задачи, относящиеся к генераторам Герца, одинаково хорошо описывались обеими теориями. Схема Ритца также давала правильную формулу для реакции излучения ускоряемых электронов. Короче говоря, его подход, очевидно, не приводил ни к каким противоречиям с известными фактами электродинамики, но находился с ними в таком же хорошем согласии, как и теория Лоренца.

Пока всё хорошо, но как же у схемы Ритца обстояли дела с оптикой движущихся тел? Его интересовала прежде всего электродинамика, в большей степени чем оптика, но он обсуждал свою эмиссионную гипотезу и на стыке с оптическими экспериментами - экспериментами по обнаружению эфирного дрейфа (ветра - С.С.), которые выявили глубокие теоретические сложности. Он показал, что его теория давала предельно правильные выводы для этих экспериментов. Например, печально известный отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли естественно объяснялся его эмиссионной гипотезой, поскольку в этом эксперименте источник света был соединён с интерферометром и, следовательно, скорость света была постоянной в системе аппаратуры. Аналогично, отрицательный результат сложного эксперимента «вращательной машины» Оливера Лоджа мог быть легко объяснён, поскольку теория Ритца не вводила гипотезы эфира, а в отсутствие его вращающиеся металлические диски, поставленные в аппарате под лучи света, не могли воздействовать на скорость света эффектом увлекаемого эфира. Точно так же эмиссионная гипотеза Ритца согласовывалась с экспериментами Лорда Рэлея, Фредерика Троутона и Генри Р. Нобля, а также согласовывалась с наблюдениями астрономической аберрации, элементарно обращаясь к векторному сложению скоростей частицы. Основным экспериментальным фактом, который схема Ритца не объяснила, были явления, затрагивающие распространение света в движущихся средах. Таким образом, Ритц не объяснял происхождения коэффициента увлечения эфира Огюста Френеля, и при том не давал объяснения эксперименту 1850 г. Арманда Ипполита Физо с движущейся водой. И напротив, эти вопросы были основными целями и успехами теории Лоренца. Однако Ритц не считал эти и другие недостатки его теории непреодолимыми препятствиями, поскольку соответствующие объяснения для них могли бы при необходимости быть должным образом изобретены.

Хотя Ритц неоднократно использовал термин «теория» в отношении своей схемы, он подчеркнул, что он рассматривает её не как «истинную теорию», но как пример теории «противоположной» теории Лоренца.25 Таким образом, его главной целью было показать, что преобразования Лоренца ни в коем случае не являются обязательными. Следовательно, даже несмотря на то, что он так и не построил законченной, всесторонней теории, он показал, что проблемы электродинамики могли быть решены путём преобразования основ электродинамики, вместо того чтоб обращаться к теории Лоренца или пересматривать кинематику и динамику, как в теории относительности Эйнштейна.

Взгляды Ритца на природу электромагнитного излучения относились не только к электродинамике и тяготению, но также и к термодинамике и энергетическому квантованию. Используя свою основную гипотезу направленного вовне потока частиц энергии, Ритц надеялся установить микроскопические основы второго начала термодинамики. Он считал идею обратимости, по которой сферическая волна света могла бы сходиться назад к его источнику, физически невозможной. Согласно Ритцу, необратимость имела фундаментальное значение в электродинамике, поскольку никогда ещё не наблюдалось электромагнитное излучение, текущее назад. Эйнштейн, напротив, к 1909 г. был уже уверен, что наблюдаемая в природе необратимость электромагнитных процессов не может опираться на отсутствие экспериментальных свидетельств этого или на второе начало термодинамики. Согласно Эйнштейну, теория излучения должна допускать обратимые процессы, также как молекулярно-кинетическая теория допускает обратимость любого процесса.

Ритц и Эйнштейн обменялись мнениями по этому вопросу в Physikalische Zeitschrift (в "Журнале физики"). В 1908 г. Ритц опубликовал критический анализ электродинамики и проблемы абсолютно чёрного тела в ответ на статью Лоренца (фото 3) и более раннюю статью Джеймса Джинса.26 Ритц показал, что «ультрафиолетовая катастрофа», связанная с законом Релея-Джинса, затягивается, по сути, от неправомерного использования опережающих потенциалов в уравнениях Максвелла. Он говорил, что использование исключительно запаздывающих потенциалов ограничит равнораспределённость энергии и, таким образом, решит проблему бесконечной полной энергии излучения.27 Эйнштейн присоединился к дискуссии в 1909 г., комментируя взгляды Ритца, Джинса и Лоренца, и высказывая свои собственные.28 Он защищал использование уравнений Максвелла-Лоренца, поскольку они давали выражение для энергии и импульса системы в любой момент времени, в то время как использование исключительно запаздывающих потенциалов позволяло при знании более ранних состояний системы определить любое будущее состояние. Он отрицал, что запаздывающие потенциалы имеют некое фундаментальное значение; он рассматривал их просто как вспомогательные математические формулировки. Ритц ответил Эйнштейну и в печати и лично, когда посетил его в Цюрихе.29 Это привело их к решению опубликовать краткую совместную формулировку их основных расхождений во мнениях в 1909 г.30 В то время как Ритц придавал физическое значение только запаздывающим потенциалам в обеспечении необратимости, Эйнштейн считал, что наблюдаемая необратимость излучательных явлений основывается исключительно на вероятностных соображениях.

Фото 3 Гендрик A. Лоренц (1853-1928). Заимствовано: Algemeen Rijkarcheif, Гаага; с любезного разрешения Американского Института Физики, Эмилио Серже, Фотоархив

3. Последний год Ритца

Это был активный период в жизни Ритца. Ему был тридцать один год, и несмотря на серьёзную хроническую болезнь, он сделал существенный вклад в спектроскопию, он развивал свою теорию электродинамики и оптики, а также он начал работу над проблемой тяготения.31 В феврале 1909 г. он завершил в Геттингене свою диссертацию, и в начале марта прочёл в качестве приват-доцента свою вступительную лекцию по принципу относительности в оптике.32 В это время его репутация была такой, что комитет факультета в Цюрихском Университете счёл Ритца наилучшим из девяти кандидатов, желавших занять место первого профессора теоретической физики, отметив, что по мнению цюрихского физика Альфреда Клейнера, Ритц выказал «исключительный талант, граничащий с гением».33 Однако кандидатура Ритца должна была быть исключена из рассмотрения, поскольку его здоровье было слишком ослаблено, чтобы нести преподавательскую нагрузку, так что вместо него эта должность перешла к Эйнштейну.34 Позднее, между апрелем и маем, Ритц выдвинул свой спектральный комбинационный принцип. В апреле Анри Пуанкаре посетил Ритца, дабы лично преподнести ему извинения от лица Парижской Академии Наук, не наградившей его своей Prix Vaillant (фр. - Премией за храбрость - С.С.) за статью, представленную им на математический конкурс, а после эта несправедливость была исправлена. И также именно в это время, как отмечалось выше, Ритц связался с Эйнштейном для обсуждения проблемы излучения абсолютно чёрного тела и принципов, лежащих в основе теории излучения. Всё это происходило в то время, когда Ритц был безнадёжно болен туберкулёзом.

Чтобы получить дальнейшее представление об этом периоде жизни Ритца, рассмотрим следующий отчёт физика Макса Борна, который познакомился с Ритцем через Леонарда Нельсона, лектора философии в Геттингене. Борн вспоминал, что порой он встречался с Нельсоном, чтобы побеседовать о философии и физике.

В одну из таких встреч он [Нельсон] поведал мне историю Вальтера Ритца. Он был молодым швейцарским математическим физиком (четырьмя годами старше меня), который считался восходящей звездой и недавно признанный «Habilitation» (то есть лектором), но который был ужасно болен, страдая туберкулёзом легких, сильно запущенным, поскольку он не имел средств для поездки в санаторий в Альпах. Нельсон был глубоко впечатлён гением этого человека и был взволнован относительно его судьбы; он убеждал меня повидать его, и я сделал это. Я нашёл Ритца в маленькой, простой комнате старого дома; его лицо было лицом мученика, тонким и бледным, с кожей, отчётливо очерчивающей кости черепа, и с прекрасными, добрыми глазами. Он сидел за своим столом, кашляя и напряжённо работая над его обширной статьёй о колебаниях прямоугольной упругой пластины, статьёй, которая включала метод приближений, известный сегодня на континенте как метод Ритца. (В Англии его обычно называют методом Релея-Ритца, и фактически он уже содержался в теории звука лорда Рэлея, но без строгого доказательства сходимости, данного Ритцем.) Он принял меня очень любезно и пожертвовал своим драгоценным временем, чтобы обсудить со мной проблемы физики. Он был одним из первых, кто пытался теоретически установить происхождение законов спектральных серий и открыл комбинационный принцип для спектральных линий, который стал одной из основ квантовой теории. Он также глубоко интересовался электродинамикой движущихся тел и разработал всеобъемлющую теорию, основанную на гипотезе о том, что скорость света, несмотря на волновой характер распространения, зависит от скорости источника. Я был в то время заинтригован первыми статьями Эйнштейна по теории относительности, которая рассматривала те же проблемы с диаметрально противоположной точки зрения, поэтому у нас было несколько интересных дискуссий.

Но не в этом суть истории, которую я хотел поведать: она касается человеческой стороны встречи. Я разделял, конечно, чувства Нельсона относительно ситуации, в которой находился Ритц, и мы решили, что необходимо что-то предпринять. Нельсон предлагал, чтоб мы собрали сумму, которая позволила бы Ритцу поехать на лечение в Арозу. Мы оценили сумму на расходы в несколько тысяч марок. Я написал письма к некоторым из своих зажиточных родственников, из семей Кауфманов и Липштейнов, и их реакция была вполне удовлетворительной ввиду того, что ни один из этих людей ничего не знал ни о Ритце, ни о математической физике в целом. Но когда Нельсон и я снова встретились, оказалось, что он уже полностью собрал свою долю (он был в родстве с одним большим семейством банкиров в Берлине), в то время как я - едва ли половину своей. Так что я просто добавил недостающее из своего собственного кармана, в целом значительную сумму, почти с моё годовое жалование. Тогда мы обратились к профессору Войгту и попросили, чтобы он вручил деньги Ритцу в качестве награды, данной анонимным жертвователем за его научные достижения, с прилагаемыми инструкциями по её использованию. Но эта помощь прибыла слишком поздно. Ритц умер в 1909-м году, в возрасте тридцати одного года. Нельсон был подавлен и выражал свои чувства, яростно браня наше общество в целом и Гёттингенских профессоров в частности.35

Так, вскоре после того, как его статья, написанная в соавторстве с Эйнштейном, появилась в Physikalische Zeitschrift, Вальтер Ритц умер 7 июля 1909 г., после семи недель в Гёттингенской Медицинской клинике. В свои последние полтора года жизни он опубликовал в целом приблизительно четыре сотни страниц в виде статей в области теоретической спектроскопии, основ электродинамики, проблемы тяготения и метода численного решения граничных задач. После смерти незаконченные результаты его трудов были переданы в руки физического сообщества.

Два месяца спустя после смерти Ритца, в сентябре 1909 г., его обмен мнениями с Эйнштейном был просто повторен на встрече Deutsche Naturforscher und Дrzte (немецких естествоиспытателей и врачей - С.С.) в Зальцбурге, где Эйнштейн прочёл лекцию, развивавшую его взгляды на проблему излучения, однако не было сделано никакой явной ссылки на взгляды Ритца. Однако, двумя годами позже, в ноябре 1911 г., Пауль Эренфест написал статью, сравнивающую взгляды Эйнштейна на распространение света со взглядами Ритца.36 Эренфест отметил, что, хотя оба подхода вводили корпускулярное описание света, теория Ритца составляла «реальную» эмиссионную теорию (в ньютоновском понимании), в то время как теория Эйнштейна была ближе к концепции эфира, поскольку постулировала, что скорость света не зависит от скорости его источника. Эренфест предложил тогда возможные эксперименты, позволяющие выбрать между этими двумя теориями и отметил необходимость проведения некоторых из таких экспериментальных тестов.

4. Другие эмиссионные теории

Эмиссионные гипотезы также были независимо выдвинуты Даниэлем Фростом Комстоком, Ричардом Чейзом Толменом и другими в 1910 г., очевидно не знакомыми с работой Ритца. Их общей идеей было то, что, если отклонить концепцию эфира и принять эмиссионную гипотезу, то загадочные результаты оптических экспериментов могли быть объяснены без введения радикально новой идеи Эйнштейна о времени и без усложнения простой системы классической механики. Комсток допустил, что астрономические данные могли бы позволить сделать выбор между эмиссионной гипотезой и постулатом Эйнштейна о том, что скорость света не зависит от его источника. Он указал, что если скорости света от звёзд, приближающихся и удаляющихся от Земли различны, то должны наблюдаться отклонения в орбитальных движениях внутри двойных звёздных систем.37 В то же время Толмен утверждал, что независимость скорости света от скорости его источника не имела достаточного экспериментального обоснования и исходно принималась просто как следствие эфирной теории света. Поэтому он предложил эксперимент по сравнению скоростей света от приближающихся и удаляющихся частей Солнца.38 Но он не обнаружил никакого свидетельства тому, что эти скорости различны. Кроме того, он вывел эйнштейновский постулат постоянства скорости света из результатов экспериментов Вальтера Кауфмана и Альфреда Х. Бухерера по измерению массы движущихся электронов, но здесь «доказательство» выглядело не достаточно очевидным: можно было допустить, что электромагнитная сила, действующая на быстро движущиеся электроны могла не подчиняться закону для силы Лоренца, так что увеличение массы, которую они измеряли, могло быть только видимостью. Ритц выдвигал подобный же аргумент.39

Примерно в то же самое время несколько других физиков также пытались объединить эмиссионную гипотезу с механикой эфира. В 1910 г. Дж. Дж. Томсон предложил теорию, описывающую структуру электрического поля, как состоящую из дискретных «трубок сил», приложенных к электронам, таких, что скорость света (поперечные колебания в этих трубках) зависели бы от скорости электронов.40 Якоб Кунц назвал её «электромагнитной эмиссионной теорией света» и показал её преимущества перед волновой эфирной теорией при истолковании экспериментов Майкельсона, Джорджа Биделла Айри и других.41 Эта теория была также поддержана Оскаром М. Стюартом в 1911 г. как «менее революционный» вариант постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света и его следствий.42 Их взгляды не нашли общественной поддержки, но они привлекли некоторое внимание к эмиссионной гипотезе. Например, Роберт Д. Кармичел, математик из Университета Штата Индиана, признавался в книге по теории относительности, что благодаря работам Томсона и Стюарта, и несмотря на предположения Толмана, «в настоящее время не имеется никакого бесспорного экспериментального свидетельства, говорящего за или против постулата» независимости скорости света от скорости источника.43

К 1912 г. Толман узнал о работе Ритца и, подобно Эренфесту, он подчеркнул тогда роль однозначного экспериментального решения в выборе между «теорией относительности» Эйнштейна и Ритца.44 Толман, также как Михель Ла Роза, считал, что эксперимент Майкельсона-Морли мог предоставить критическое, решающее свидетельство, если вместо источника света, соединённого с интерферометром использовать свет, идущий от Солнца.45 Но ещё до того как такой модифицированный вариант эксперимента Майкельсона-Морли мог быть поставлен, голландский астроном Виллем де Ситтер проанализировал в 1913 г. спектральные наблюдения и представил их убедительный количественный анализ, показывающий, что орбитальное движение двойных звёзд не обнаруживает заметных эксцентриситетов, как того следовало бы ожидать по эмиссионной теории.46 Тем не менее, в 1924 г. был наконец выполнен модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли со светом от внеземных источников. Рудольф Томашек в Хейдельберге использовал звёздный свет, в то время как Дэйтон C. Миль в Кливленде использовал солнечный свет. Результаты обоих экспериментов, казалось, ясно согласовывались с теорией Эйнштейна и не согласовывались с теорией Ритца.

Когда двадцатилетний Вольфганг Паули написал статью о «Теории относительности» для Энциклопедии математической науки (Encyklopadie der mathematischen Wissenschaften, изданной в 1921 г.), он посвятил третий раздел Части первой обсуждению постулата Эйнштейна о свете и выводам об экспериментальном опровержении эмиссионной гипотезы Ритца - по всей видимости наиболее объёмного рассмотрения последней до настоящего времени. Паули отверг эмиссионные теории по нескольким причинам. Он показал, что такие теории требовали искусственных вспомогательных гипотез для объяснения эксперимента Физо с движущейся водой; что они не объясняли атомистические эффекты преломления и интерференции; и что они серьёзно противоречили наблюдениям двойных звёзд. Паули пришёл к выводу, что постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света «доказал свою справедливость», в то время как эмиссионная теория Ритца была «необоснованной».47 В своём предисловии к статье Паули, Арнольд Зоммерфельд похвалил Ритца за выбор нестандартного пути, указывая, что эмиссионная теория «критиковалась в свете экспериментальных свидетельств с тщательностью, которая сопоставима с уровнем её создателя».48 После отрицательного результата Томашека 1924 г., Паули дополнил примечанием о нём более позднее издание своей работы,49 и в последующие годы физики обычно приписывали основную роль в опровержении эмиссионной гипотезы отрицательным наблюдениям двойных звёзд и отрицательным результатам модифицированного эксперимента Майкельсона-Морли, где использовались внеземные источники света. Сам Эйнштейн расценивал эксперимент Томашека со светом звёзд как самое решающее свидетельство против эмиссионной гипотезы.50 Он также часто приводил анализ Ситтера спектральных наблюдений над двойными звёздами в качестве доказательства постоянства скорости света и её независимости от скорости источника.51 Итак, к концу первой четверти двадцатого столетия эмиссионная теория Ритца, казалось бы, была уже мертва.

5. Более поздние исследования

Интерес к эмиссионной гипотезе, однако, не пропал окончательно в последующие десятилетия, особенно в 1960-ые годы. Некоторые физики всё ещё рассматривают её как возможную альтернативу постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света. Январский выпуск 1965 г. American Journal of Physics (Американского Журнала Физики) открывался статьёй, озаглавленной «Свидетельства против эмиссионных теорий», Джона Г. Фокса (фото 4) из технологического института Карнеги в Питсбурге.52 Фокс критически пересмотрел теорию Ритца в свете новых экспериментов и гипотезы рассеянного излучения, которая возвращала к идеям Ритца. Так, в его второй статье по электродинамике, Ритц указал, что для того чтобы обеспечить близкое согласие между выводами его теории и теории Лоренца, следует предположить, что когда световые волны приводят ионы вещества в колебание и повторно испускаются в виде вторичных световых волн, их центры движутся с той же скоростью, что у падающих световых волн.53 Ритц использовал эту идею, но допустил, что по эмиссионной гипотезе вместо этого следовало бы ожидать, что центры вторичных световых волн будут иметь ту же самую скорость, как у ионов, раз уж они испускались именно ими. Фокс в то время принял эту гипотезу и указал, что та, что использовалась Ритцем, была основным источником проблем эмиссионной теории, поскольку она приводила к тому, что скорость света при пропускании через любую среду, даже если свет поглощался и повторно излучался ею, окажется неизменной.

Тогда Фокс повторно проанализировал теорию Ритца в свете экспериментальных свидетельств и показал, что все возражения Паули против эмиссионных теорий имели недостатки. Паули утверждал, что зависимые от источника рассеянные волны не могли интерферировать, как того требует электронная теория дисперсии, так как их скорости менялись бы от одной волны к другой, но тут он ошибался, считая, что для интерференции необходимо равенство скоростей, вместо равенства частот. По эмиссионной гипотезе в применении к теории дисперсии, свет, входящий в среду, был бы поглощён и повторно испускался заряженными ионами и его скорость менялась бы постепенно, в соответствии с теоремой Пауля П. Эвалда и Карла В. Оссина.54 Излучение, таким образом, приобрело бы постоянную скорость c относительно среды после прохождения одной «длины поглощения» и, к примеру, свет, проходящий сквозь атмосферу Земли, приобрёл бы ту же скорость, какую он имел при испускании источником. Поэтому интерферометрические эксперименты, подобные экспериментам Томашека или Миллера, или, наконец, использующие прибор Толмена, были «не способны» решить вопрос о зависимости скорости света от скорости его источника. Точно так же наблюдения Ситтера над двойными звёздными системами не давали свидетельств, говорящих против эмиссионной теории, поскольку их общая атмосфера также как и межзвездная материя могла бы создать поглощение. Кроме того, Паули указал, что проблема эмиссионной теории была в том, что в ней было неясно, следует ли у звёзд доплеровский эффект первого порядка интерпретировать как сдвиг в длине волны или в частоте. Фокс доказал, что фактически «имеется изменение и в длине волны и в частоте, и проблема Паули исчезает».55 Фокс также доказывал, что лабораторные опыты с движущимися зеркалами также давали результаты, одинаково ожидаемые и по эмиссионной теории и по эйнштейновской теории относительности. Что касается экспериментов, исследующих скорость света в движущихся средах (к примеру в опытах Физо, Майкельсона и Питера Зеемана), то их исходы следуют из эмиссионной теории, если принять квантовое выражение для энергии и импульса световых частиц, как он показал при выводе выражения для френелевского коэффициента увлечения. Эмиссионная теория также казалась совместимой с экспериментами Ф. Гаррисса, Джоржа Саньяка и Майкельсона, а также с опытами Уоррена M. Машека и Д.Т. М. Дэвиса, изучавших поведение света во вращающихся средах, что устраняло качественную двусмысленность от несоответствия скорости излучения в движущихся средах классической кинематике.

ритц эйнштейн эмиссионный свет

Фото 4 Джон Г. Фокс (1916-1980). Любезно предоставлено отделением физики Университета Карнеги Меллоуна

Фокс не ограничился своим обзором свидетельств в пользу эмиссионной теории и аргументов Паули против неё. Он также указал, что эмиссионная гипотеза согласуется с аберрацией света, включая наблюдение Эйри звёздной аберрации с его заполненным водой телескопом; с доплеровскими эффектами второго порядка, включая сюда новые эксперименты, использующие эффект Рудольфа Мёссбауэра с гамма-лучами; и с инерцией излучения, поскольку испускание материальных частиц вводило передачу импульса. Также Фокс обсуждал изменение массы заряженных частиц в зависимости от их скорости и баланс масс-энергий в ядерных реакциях, не дающих никакого уверенного свидетельства против эмиссионной теории Ритца.

Однако Фокс нашёл важное свидетельство против эмиссионной теории. Вместе с Т.А. Филиппасом он произвёл эксперименты с движущимися источниками гамма-лучей (р0 мезонами), которые казались в достаточной мере избавленными от трудностей, связанных с поглощением и которые были квалифицированы как свидетельство против эмиссионной теории.56 Ещё он рассмотрел эксперимент Г.К. Бабкока и Т.Г. Бергмана по интерференции световых лучей, пропущенных через движущиеся стеклянные пластины,57 а также как давние, хорошо известные эксперименты, в которых измерялось растяжение времени жизни быстродвижущихся мезонов,58 так и новые свидетельства против теории Ритца. Кроме того, в то время когда статья Фокса готовилась к печати, в распоряжении появилось более точное отрицательное свидетельство, а именно, эксперимент Торстена Альвагера, Ф.Дж.М. Фарлея, Дж. Кжелмана и И. Вэйллина 1964 года с гамма-лучами от быстро движущихся мезонов.59 Фокс пришёл к выводу, что, «несмотря на различные недоразумения в интерпретации прошлых экспериментов, мы всё ещё имеем серьёзные основания для отклонения эмиссионной теории».60 Таким образом, свидетельства против теории Ритца «отличны и заметно меньше тех, что были приняты».61 В 1977 г. дополнительное свидетельство против эмиссионной теории было опубликовано Кеннетом Бречером из массачусетского технологического института в Письмах в физическое обозрение (Physical Review Letters).62 Бречер проанализировал последние наблюдения регулярно пульсирующих рентгеновских источников в двойных звёздных системах и нашёл сильное свидетельство в пользу того, что скорость света не зависит от скорости его источника, поскольку распространение X-лучей сверхвысокой энергии, как считалось, было мало подвержено критике теоремы поглощения. Выводы Бречера, наряду с выводами Фокса, Альвагера и его коллег, стали считать основным свидетельством против эмиссионной гипотезы.

6. Преждевременность отклонения подхода Ритца

В свете вышеперечисленного мы можем снова поразмыслить, почему идеи Ритца были с самого начала отклонены. Фокс отметил, что «необычен тот исторический факт, что новые эксперименты с движущимися источниками и даже первые данные о растяжении времени не были получены в течении ещё долгого времени после того как специальная теория относительности полностью вытеснила из физики эмиссионную теорию».63 Фактически, эмиссионные теории стали считать ненадёжными даже до отрицательных интерферометрических экспериментов Томашека и Миллера со светом от внеземных источников, выполненных в 1924 г. В итоге могло показаться, что теория Ритца была отклонена физическим сообществом, поскольку имеющиеся экспериментальные свидетельства, казалось, ясно говорили против неё. Но повлияли также и другие факторы, поскольку даже до появления какого-либо явно однозначного отрицательного свидетельства (например, аргументов, представленных против неё Ситтером в 1913 г.), теория Ритца была отклонена. Теория Ритца сразу же встретилась с сильным противостоянием. В статье 1908 года Ритц жаловался, что хотя никто не представил ему ни одного стоящего возражения, его идеи по электродинамике считали «чудовищными [scheusslich]».64 То же самое Зоммерфельд говорил и про спектральный комбинационный принцип Ритца.65 Эмиссионная теория Ритца с трудом приобретала сторонников, по крайней мере не нашла ни одного, кто развил бы её или выразил ей поддержку в печати. Как было отмечено выше, в 1911 г., два года спустя после смерти Ритца, Эренфест написал статью, противопоставляющую теорию Ритца теории Эйнштейна,66 на которую Эйнштейн откликнулся в нескольких письмах,67 тщетно пытаясь убедить его в том, что эмиссионная гипотеза должна быть отклонена. Позднее Эренфест стал преемником Лоренца в Лейдене, и в своей вступительной лекции в декабре 1912 г.,68 он эффектно указал на необходимость выбора между теориями Лоренца и Эйнштейна, с одной стороны, и теорией Ритца с другой. Однако после 1913 г. Эренфест больше уже не защищал теорию Ритца. Эренфест и Ритц были близкими друзьями ещё со студенческих лет, Эренфест безмерно восхищался Ритцем, его превосходством в физике и математике. Но после смерти Ритца эту роль стал выполнять Эйнштейн, поскольку они с Эренфестом стали близкими друзьями.