1905
рік увійшов в історію фізики як «Рік чудес» (лат. Annus Mirabilis). У
цьому році «Аннали фізики», провідний фізичний журнал Німеччини,
опублікував три видатні статті Ейнштейна, що поклали початок нової
наукової революції:
1. «До електродинаміки рухомих тіл» (нім. Zur Elektrodynamik bewegter Körper). З цієї статті починається теорія відносності.
2. «Про одну евристичну точку
зору, що стосується виникнення та перетворення світла» (нім. Über einen
die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen
Gesichtspunkt). Одна з робіт, що заклала фундамент квантової теорії.
3. «Про рух завислих у спокійній
рідині частинок» (нім. Über die von der molekularkinetischen Theorie
der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten
suspendierten Teilchen) - робота, присвячена броунівському руху, що
суттєво вплинула на статистичну фізику.
Спеціальна теорія відносності
Протягом усього XIX століття
матеріальним носієм електромагнітних явищ вважалося гіпотетичне
середовище - ефір. Однак, до початку XX століття з’ясувалося, що
властивості цього середовища важко узгодити з класичної фізикою. З
одного боку, аберація світла наштовхує на думку, що ефір абсолютно
нерухомий, з іншого - дослід Фізо свідчив на користь гіпотези, що ефір
частково урухомлюється рухом матерії. Експеременти Майкельсона (1881),
однак, показали, що ніякого «ефірного вітру» взагалі не існує.
У 1892 році Лоренц і (незалежно
від нього) Джордж Фітцджеральд припустили, що ефір нерухомий, а довжина
будь-якого тіла скорочується в напрямку його руху. Залишалось, однак,
відкритим питання, чому довжина скорочується саме в таких пропорціях,
аби компенсувати «ефірний вітер» і не дати виявити існування ефіру.
Одночасно вивчалося питання, за яких перетворень координат рівняння
Максвелла стають інваріантними. Правильні формули вперше розробили
Лармор (1900) та Пуанкаре (1905), останній довів їх групові властивості
та запропонував назвати перетвореннями Лоренца.
Пуанкаре також дав узагальнене
формулювання принципу відносності, що охоплювало також електродинаміку.
Однак, він продовжував визнавати ефір, хоча дотримувався думки, що його
ніколи не вдасться знайти. У доповіді на фізичному конгресі (1900)
Пуанкаре вперше висловлює думку, що одночасність подій не абсолютна, а
являє собою умовну угоду ( «конвенцію» ). Було висловлено також
припущення про граничну швидкість світла. Таким чином, на початку XX
століття існували дві несумісні кінематики: класична, з перетвореннями
Галілея, та електромагнітна, з перетвореннями Лоренца.
Ейнштейн, міркуючи на ці теми в
значній мірі незалежно, припустив, що перша є наближеним випадком
другої для малих швидкостей, а те, що вважалося властивостями ефіру, є
насправді проявом об’єктивних властивостей простору та часу. Ейнштейн
прийшов до висновку, що безглуздо залучати поняття ефіру тільки для
того, щоб довести неможливість його спостереження, і що корінь проблеми
лежить не в динаміці, а глибше - в кінематиці. У згаданій вище статті
«До електродинаміки рухомих тіл» він запропонував два постулати:
загальний принцип відносності та сталість швидкості світла, з них легко
виводяться лоренцеве скорочення, формули перетворення Лоренца,
відносність одночасності, непотрібність ефіру, нова формула додавання
швидкостей, зростання інерції зі швидкістю і т. д. В іншій його статті,
яка вийшла в кінці року, з’явилася формула E = mc2, яка визначає
зв’язок маси та енергії.
Частина вчених одразу визнала цю
теорію, яка пізніше отримала назву «спеціальна теорія відносності»
(СТВ); Планк (1906) і сам Ейнштейн (1907) побудували релятивістську
динаміку та термодинаміку. Колишній учитель Ейнштейна, Мінковскій, в
1907 році представив математичну модель кінематики теорії відносності у
вигляді геометрії чотиривимірного неевклідового світу та розробив
теорію інваріантів цього світу (перші результати в цьому напрямку
опублікував Пуанкаре в 1905 році).
Однак чимало вчених вважали
«нову фізику» надто революційною. Вона заперечувала існування ефіру,
абсолютний простір та абсолютний час, переглядала механіку Ньютона, яка
200 років слугувала опорою фізики та незмінно підтверджувалася
спостереженнями. Час за теорією відносності тече по-різному в різних
системах відліку, інерція та довжина залежать від швидкості, рух
швидший за швидкість світла неможливий, виникає «парадокс близнюків» -
всі ці незвичні наслідки були неприйнятними для консервативної частини
наукового співтовариства. Справа ускладнювалося також тим, що
спеціальна теорія відносності не передбачувала спочатку ніяких нових
ефектів, які можна було б спостерігати, а досліди Вальтера Кауфманна
(1905 - 1909) багато тлумачили як спростування головного принципу СТВ -
принципу відносності (цей аспект остаточно прояснили на користь
спеціальної теорії відносності лише в 1914 - 1916 роках). Деякі фізики
вже після 1905 року намагалися розробити альтернативні теорії
(наприклад, Рітц в 1908 році), однак пізніше з’ясувалася фатальна
розбіжність цих теорій із експериментами.
Багато видатних фізиків
залишилися вірними класичній механіці та концепції ефіру, серед них
Лоренц, Дж. Дж. Томсон, Ленард, Лодж, Нернст, Він. При цьому, деякі з
них (наприклад, сам Лоренц) не відкидали результатів спеціальної теорії
відносності, однак, інтерпретували їх у дусі теорії Лоренца, вважаючи
за краще дивитися на просторово-тимчасову концепцію
Ейнштейна-Мінковского як на суто математичний прийом.
Вирішальним аргументом на
користь істинності спеціальної теорії відносності стали досліди з її
перевірки. Згодом поступово накопичувалися і лабораторні підтвердження
самої спеціальної теорії відносності. На ній базується квантова теорія
поля, теорія прискорювачів, вона враховується при проектуванні та
роботі супутникових систем навігації і т. д.
