И? истории научных исследований эфира

На протяжении тысячелетий человечество связывало с понятием эфира мировую среду, которая заполняет космическое пространство, пронизывает всё материальные тела, обладает огромной энергией и оказывает прямое влияние на все живое на Земле.

Еще Исаак Ньютон в своей работе «Principia» высказал мнение, что “существует тончайший дух, силою и действием которого определяются все движения материи”. В своем стремлении познать природу света, он сначала склонялся к мысли о том, что свет представляет собой волны, которые распространяются во всепроникающем эфире, но затем отказался от этой идеи. Внешней причиной изменения взгляда Ньютона на природу света явилось то, что, по его мнению, эфир должен заметным образом тормозить движение небесных тел, чего не наблюдается в природе.

Открыв закон всемирного тяготения, Ньютон, для обеспечения его “свободного действия” в пространстве, затем уничтожил “тончайший дух” между телами, т.е. установил между ними пустоту (вакуум), хотя внутренне он был убежден, что такой “тончайший дух” существует и им является Эфир. Внешней причиной подобной двойственности взглядов Ньютона явилось и то, что он стал сторонником корпускулярной теории света. В своем сочинении “Математические принципы натуральной философии”, вышедшем в Лондоне в 1687 году, Ньютон рассматривал свет как поток частиц (корпускул), испускаемых источником света и распространяющимися прямолинейно в однородной среде.

Спустя три года голландский физик Христиан Гюйгенс (1629-1695) в своей работе «Трактат о свете» разработал волновую теорию света.

Таким образом, в конце XVII века появились две теории света: корпускулярная и волновая. Первая из них не признает существование эфира, а вторая — признает. Пространство в механике Ньютона считается пустым, поскольку в нем нет ничего, кроме материальных тел. Пространство Гюйгенса в оптике заполнено средой под названием эфир, который рассматривается как некоторого рода материя, имеющая определенную массу, плотность и упругость. Предполагалось, что свойства эфира в пустоте и объеме, занимаемом телами, различны. По данной гипотезе Вселенная целиком заполнена тонкой, но упругой средой (эфиром), в которой «плавают» планетные тела. Эфир и материя действуют друг на друга посредством механических сил и двигаются в соответствии с законом классической механики (Ньютона). Это была механическая гипотеза эфира. Перед учеными встал вопрос: соответствует ли такая модель Вселенной наблюдаемым фактам? Ответить на него с помощью прямых экспериментов невозможно, поскольку не известны ни характер взаимодействия между движениями эфира и материи, ни строение и свойства эфира. Поэтому для определения характера взаимодействия эфира и материи ученые пошли по пути исследования оптических явлений.

Согласно принципу относительности в классической механике (принципу Галилея), все инерциальные системы равноправны, и каждую из них можно считать йокоящейся в некотором пространстве.

Данная гипотеза формально удовлетворяла принципу относительности, поскольку эфир можно считать материальным телом, и любое поступательное движение других тел относительно эфира является таким же поступательным движением эфира относительно этих тел. В этом случае общее поступательное движение эфира и всей материи нельзя обнаружить ни механическими, ни оптическими средствами. Ho если происходит общее поступательное движение всей материи относительно неподвижного эфира (эфир в движении не участвует), та его можно обнаружить с помощью оптических экспериментов. В этом случае эфир фактически определял бы абсолютную систему отсчета, пребывающую в покое. Начались оптические эксперименты по установлению существования эфира и определению его физических свойств.

В течение более 100 лет шло развитие теории эфира. Выдвигались разные гипотезы. В частности, была выдвинута гипотеза существования не одного вида эфира, а целого ряда: электрического, магнитного, оптического, термического и других, т.е. для каждого явления, происходящего в пространстве, принимался в качестве носителя свой, специальный эфир. Возникновение электрического поля и его распространение представлялось как изменение состояния эфира, его способность передавать электрическое поле от точки к точке с определенной скоростью. Сначала все эти виды эфира были независимы друг от друга и существовали рядом друг с другом в одном и том же пространстве. Эта гипотеза.просуществовала не долго. Вскоре в физике были установлены связи между явлениями, относящимися к ее различным разделам. В частности, идея Максвелла об электромагнитной природе света позволила объединить светоносный и электромагнитный эфир, сделав его носителем всех этих явлений.

Гипотеза универсального эфира обеспечила сильную поддержку развитию теории эфира. Эфир стал отождествляться с ньютоновским пространством. Он представлялся в виде среды, находящейся в абсолютном покое и переносящей в пространстве не только электромагнитные колебания, но также и порождающей ньютоновские инерциальные и центробежные силы. Как в суде, эфир стал играть роль универсального ответчика за все то, что происходит в пространстве.

В разработке теории эфира принимали участие многие видные ученые. Отметим лишь некоторых из них.

Леонард Эйлер (1711-1765), также как и Гюйгенс, свет представлял в виде колебаний эфира, подобно тому, как звук является колебаниями

воздуха, причем различным цветам света соответствуют разные частоты колебаний эфира. Сравнение скорости света со скоростью звука позволило Эйлеру сделать вывод,что эфир есть субстанция «значительно более тонкая и упругая, чем обыкновенный воздух», Эйлер, подобно М.В. Ломоносову (1711-1765), высказал мысль, что источником всех электрических явлений служит тот же эфир. По Эйлеру электричество есть не что иное, как нарушение равновесия эфира в телах: тела, в которых плотность эфира становится выше, чем в окружающих телах, оказывается заряженным положительно, и наоборот. Динамика эфира в работах Эйлера не затрагивалась.

Эфир Огюстена Жана Френеля (1788-1827) и Томаса Юнга (1773— 1829), в отличие от эфира Эйлера-Ломоносова, был связан только с истолкованием оптических явлений. Френель разработал теорию (1818 г.), согласно которой эфир в астрономическом пространстве покоился в специальной инерциальной системе, которую можно рассматривать как пребывающую в абсолютном покое.

(2.1.1)

где: п — показатель преломления, v — скорость тела.

Таким образом, по Френелю эфир не увлекается при движении тел, а происходит его перемещение внутри тел со скоростью V1, V1 lt; v. Если свет распространяется в направлении движения тела, то его скорость внутри тела (по отношении к этому телу) есть C1 - V1, а по отношению приборов вне тела

Если свет распространяется навстречу направления движения тела, то наблюдаемая скорость будет равна с I + v(l - 1/п2). Следовательно, явление внутри тел при их движении протекает так, как если бы имело место частичное увлечение эфира, а коэффициент увлечения равен X = (I - I/ п2). Для воды х~ 0,438.

Теория Френеля столкнулась с большими трудностями при попытке объяснить цветовую дисперсию. В самом деле, если коэффициент преломления п зависит от частоты (цвета светового луча), то и коэффициент увлечения % также будет завесить от нее. Ho эфир может переноситься в веществе лишь одним, определенным образом, а не по каждому цвету в отдельности.

Немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894) создал теорию, в которой эфир полностью увлекается движущими телами, т.е. оптические явления в движущейся среде происходят в эфире, движущемся без отставания вместе с этой средой. В связи с этим, наблюдения над явлениями в движущихся средах не позволяют фиксировать эти движения. Теория Герца переносит механический принцип относительности в электродинамику.

Голландский физик Гендрик Антон Лоренц (1853-1928) разработал электронную теорию, которая явилась вершиной и последним шагом в физике материального эфира. Он решительно утверждал: эфир покоится в абсолютном пространстве! По теории Лоренца абсолютное пространство является не вакуумом, а некой средой (эфиром), имеющей определенные свойства. Эфир полностью неподвижен и не принимает участие в движении материальных сред, т.е. в данном случае принцип относительности не выполняется. Состояние абсолютного пространства можно описать с помощью двух направленных величин — электрического поля E и магнитного поля Н. Это предположение заходит значительно дальше, чем в теории Френеля. Лоренц отбросил даже френелевское частичное увлечение эфира материальными телами, но в своей теории пришел к тем же результатам.

В случае оптических явлений теория Лоренца совпадает с теорией Френеля, т.е. также приводит к представлению о частичном увлечении световых волн, хорошо согласующейся с результатами опытов.

По теории Лоренца движение вещества есть движение молекул и атомов и связанных с ними зарядов в неподвижном эфире, и учет этого движения показывает, что в среде, движущейся со скоростью v, свет распространяется со скоростью C1 + v(l - 1/п2), где с, — скорость света в неподвижной среде. В электронной теории Лоренца цветовая дисперсия объясняется следующим образом. Поскольку эфир считается покоящимся, то в веществе переносятся только электроны, а цветовая дисперсия обусловлена тем, что свет «заставляет» колебаться с определенными частотами электроны, а они в свою очередь оказывают обратное влияние на скорость света. Теория Лоренца объясняет все известные явления и прежде всего тот факт, что абсолютное движение Земли относительно эфира невозможно обнаружить с помощью земных экспериментов, результаты которых содержат только величины первого порядка (в том числе электромагнитный принцип относительности).

В своей теории Лоренц показал, что если луч света проходит замкнутый путь в системе, движущейся со скоростью v, а точность опытов порядка v/c, то никакими опытами со светом невозможно доказать движение системы относительно эфира. Ho если опыты позволяют произ- . водить измерения с точностью порядка (v/c)2, то они позволят определить движение системы относительно эфира по «эфирному ветру».

Для подтверждения теории неподвижного эфира эксперимент должен быть достаточно точным, чтобы учесть величины порядка (v/c)2. Лишь в этом случае можно с достаточной долей уверенности судить о том, что действительно ли всякое быстро дйижущееся тело встречает «эфирный ветер», смещающий на нем световые волны. Такой эксперимент по определению скорости «эфирного ветра» относительно Земли провели Майкельсон и Морли (1881 г.). Он имел принципиальное значение, т.к. являлся одним из надежнейших экспериментов, подвергающих проверке не только вопрос об увлечении эфира движущимися телами, но и исходных положений теории Лоренца. Отрицательный результат ею противоречил бы гипотезе неподвижного эфира и мог быть истолкован, как доказательство полного увлечения эфира. Опыт показал, что с точностью до второго порядка по v/c, можно утверждать: «эфирного ветра» нет или его скорость равна нулю.

Майкельсон и Морли из этого опыта сделали вывод,' что эфир полностью увлекается движущейся Землей, как утверждала электромагнитная теория Герца. Однако он противоречил результатам многочисленных экспериментов, подтверждающих гипотезу частичного увлечения эфира материальными телами. Тогда Майкельсон выдвинул гипотезу, что движение эфира, переносимого вместе с Землей, относительно неподвижного эфира, должно осуществляться на больших высотах над земной поверхностью. Из нее следовало, что неподвижный эфир должен испытывать влияние движущихся тел на значительных расстояниях от их траекторий. Ho противники теории неподвижного эфира не могли с'этим согласиться, т.к., по их мнению, вся электродинамика и оптика движущихся тел свидетельствовала в пользу гипотезы частичного увлечения эфира движущимися телами.

Данный опыт поставил теорию Лоренца в трудное положение, ибо сам постулат неподвижного эфира требует объяснения динамики

взаимодействий между движущимися телами и неподвижным эфиром, в частности, наличия «эфирного ветра» над земной поверхностью. Несмотря на отрицательные результаты опыта Майкельсона и Морли, теория Лоренца продолжала отстаивать свою правоту, что свидетельствовало о ее силе, основанной на внутренней согласованности и полноте показа физической картины мира. Ho Лоренц преодолел и эту трудность, поддержав выдвинутую Фицджеральдом (1892 г.) очень странную гипотезу: каждое тело, имеющее скорость v относительно эфира, сокращается в направлении движения на долю

(2.1.2)

Исходя из данной гипотезы, опыт Майкельсона и Морли должен дать отрицательный результат (отсутствие «эфирного ветра»). Из этой гипотезы также вытекало еще более странное обстоятельство — подобное сокращения невозможно установить никакими опытами (измерениями), т.к. любая земная «линейка» сокращается в той же самой пропорции. Гипотеза сокращений кажется настолько невероятной и абсурдной, ибо само сокращение не является воздействием на тела каких- то сил. В эту абсурдную гипотезу можно только поверить, но ее никак нельзя проверить. Однако, несмотря на это, Лоренц, для спасения гипотезы неподвижного эфира, включил в свою теорию электромагнетизма и гипотезу сокращения. После этого стало ясно, что никакими экспериментами невозможно обнаружить поступательное движение Земли относительно эфира.

Затем Лоренц в гипотезу сокращений ввел столь же удивительное и странное добавление: в системе, движущейся равномерно, необходима новая мера времени. Он назвал время, изменяющееся при переходе от системы к системе «локальным временем». После такого шага обе гипотезы совместно стали утверждать, что пространство и время следует измерять в движущихся системах и покоящемся эфире различными способами. Для этого Лоренц разработал формулы преобразования («преобразования Лоренца») при переходе от системы к системе, которые оставляют неизменными уравнения электродинамики в его электронной теории. Тем самым Лоренц показал, что каждая система независима от других и все системы имеют равные права на свое существование. Ho из этого утверждения одновременно вытекало, что абсолютной системы, связанной с неподвижным эфиром, не существует, и поэтому само понятие эфира, в физическом смысле, ничего не представляет, а эфир сам по себе теряет свойства реального вещества.

Таким образом, Лоренц, развивая теорию эфира и внося в нее наибольший вклад, сам, не до конца осознавая глубины последствий, похоронил и свою теорию, и само понятие эфир. И хотя он продолжал верить в существование эфира, но джин был выпущен из бутылки. И этот джин вот уже более ста лет определяет развитие современной физики.

После отказа от эфира, как механического переносчика всех явлений, естественно встала задача — создать заново теорию физической картины мира на новой, более абстрактной, но имперически обоснованной базе. И это сделал Альберт Эйнштейн в своих общей и специальной (частной) теориях относительности. Релятивистская электродинамика, пришедшая на смену электродинамики Лоренца, вообще отказалась от представления об эфире, как материальном носителе электромагнитных процессов.

Итак, конец XIX века явился завершающим этапом в истории развития теории эфира. Он привел к развенчанию роли эфира, как фундаментального понятия. Эфир был порожден для того, чтобы служить “переносчиком» сначала света, а затем и всех электромагнитных колебаний в межпланетном пространстве. С этого времени пространство становится пустым {вакуумом). Вот, например, как рассуждает по этому поводу известный физик Макс Борн: «Колебания без какого-то «нечто», которое колеблется, кажутся немыслимыми. С другой стороны, утверждения о том, что в пустом пространстве существуют наблюдаемые колебания, выходит за рамки всякого возможного опыта. Свет или электромагнитные силы не могут быть наблюдаемыми нигде иначе, как в связи с другими телами. Пустое пространство, свободное от всякой материи, не представляет собой объекта наблюдения вообще... (выделено мною — Н.М.)» [5]. В результате наука, как страус, зарыла свою голову в песок. Ho проблема осталась.

После возобладания подобных взглядов в науке эфир, как материя, исчезает из физики. Ho если эфир не существует, то что же обеспечивает передачу во Вселенной различных видов энергии? Оказалось — поле. Что такое поле? Теория поля, как математическая категория, развита достаточно хорошо. Это часть пространства, ограниченная или неограниченная, точкам которого отнесены по некоторому закону числовые значения какой-либо (скалярной или векторной) величины, а функция, определяющая это отнесение, называется функцией поля. Теория поля позволяет удобно описывать процессы, происходящие в пространстве (веществе), и соотношения между их характеристиками, но при одном условии: функция поля должна однозначно описывать и соответствовать физической природе поля. Вместе с тем, физическая природа силовых —1212

полей (электромагнитных, гравитационных) до сих пор практически не раскрыта.

Даже после начала триумфального шествия теории относительности еще продолжались, скорее по инерции, поиски «эфирного ветра», но ощутимых результатов они не принесли. И об эфире постепенно забыли.

Прошло более ста лет со времени «ликвидации» эфира, но не только это понятие, а даже само слово «эфир» в современной науке находится под негласным запретом. Так в Большой энциклопедии Кирилла и Мефодия 2003 года статья «Эфир» состоит всего из одной фразы — «в греческой мифологии верхний лучезарный слой воздуха и его персонификации». Таким оказался финал научных исследований сущности и физических свойств эфира.

Ho время лечит. Растет количество ученых с мировым именем, которые отвергают вакуумную концепцию межзвездного пространства, говоря, что оно заполнено некой средой, подразумевая под ней эфир, эфирную среду.

В качестве примера приведем отрывок из интервью астрофизика, члена Международного комитета по исследованию космического пространства Альберта Чечельницкого, данного корреспонденту «Калининградской правды» в сентябре 2004 года. Обсуждая Концепцию , Волновой Вселенной, Чечельницкий сказал: «Если Солнечная система — динамическая и волновая, причем мегаволновая, это означает, что там есть среда — медиум. Это принципиальный момент, потому что в небесной механике среда отсутствует. А мы говорим — она есть!

И можно назвать скорость распространения в ней, например, звука.

В одной из оболочек, в районе 8 радиусов Солнца, эта скорость равна 154 км/с. Она совпадает со скоростью выброса плазмы — солнечного ветра». На вопрос корреспондента: «Среда — это то, что называют эфиром?» он ответил: «Это интуитивное понятие было бессодержательным, но философский смысл правильный. Пространство Вселенной заполнено средой».