История теорий и моделей эфираВ. А. Ацюковский |
"Согласно общей теории
относительности
пространство немыслимо без
эфира"
А.Эйнштейн. "Эфир и теория
относительности".
Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.
689.
"Мы не можем в теоретической
физике
обойтись без эфира, т. е.континуума,
наделенного
физическими свойствами".
А. Эйнштейн. "Об эфире". 1924 г.
Собрание
научных трудов. М.: Наука. 1966. Т. 2. С.
160.
Необходимость
критического рассмотрения многочисленных существовавших ранее гипотез, моделей и
теорий эфира вытекает из того обстоятельства, что, несмотря на правильную
исходную предпосылку: взаимодействие между телами должно обусловливаться
какой-то промежуточной средой - эфиром, ни одна из теорий эфира не сумела
удовлетворительно объяснить совокупность всех известных явлений, с одной
стороны, и не позволила предсказать каких-либо новых направлений исследований, с
другой. В результате этого в ходе развития физики были отброшены не только эти
теории, модели и гипотезы, но также и собственно понятие эфира, как
"окончательно себя
дискредитировавшее".
После
появления специальной теории относительности сам вопрос о существовании эфира
был поставлен под сомнение в связи с отсутствием более или менее
удовлетворительной теории эфира. Это обстоятельство привело к тому, что
дальнейшие углубление и развитие теорий эфира были
прекращены.
Однако в 1920 г. в
работе "Эфир и теория относительности" Эйнштейн показал, что в пространстве без
эфира "не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы
существовать масштабы и часы, и не было бы никаких пространственно-временных
расстояний в физическом смысле слова", но это уже ничего не изменило в вопросе
признания эфира как материальной
среды.
Рассмотрим основные
концепции эфира, существовавшие в естествознании, и попытаемся проанализировать
их положительное значение и
недостатки.
Несмотря на то что ряд
исследователей истории эфира и развития физических представлений приписывают
введение в естествознание идеи эфира Рене Декарту (1596-1650 гг.) [7], а идеи
атомизма - Демокриту (470-380 гг. до н.э.) [1-5], следует считать, что и понятие
эфира как мировой среды, и понятие атомов - элементов веществ были известны
задолго до этого и сопровождали практически всю известную ныне историю
человеческой цивилизации.
Есть все
основания полагать, что идеи эфира были, по крайней мере, в VI-IV вв. до н.э., а
вероятнее всего, и значительно ранее распространены достаточно широко. Так,
основные древнеиндийские учения - джайнизм, локаята, вайшешика, ньяя и другие,
такие религии, как брахманизм и буддизм, изначально содержали в себе учение об
эфире (акаша), как о единой, вечной и всепроникающей физической субстанции,
которая непосредственно не воспринимается чувствами. Эфир един и вечен. Материя
вообще (пудгала) состоит из мельчайших частиц (ану), образующих атомы
(параману), обладающих подвижностью (дхармой). Все события происходят в
пространстве и во времени.
Пракрити - материя в учении санхья, созданном мудрецом Канадой (Глукой), - ничем
не порожденная первопричина всех вещей. Она вечна и вездесуща. Это самая тонкая,
таинственная и огромная сила, периодически создающая и разрушающая миры. Ее
элементы (гуны) просты, неделимы и
вечны.
Джайнисты считают, что их
уяение было передано им 24 учителями. Последний, Вардхамана жил в VI в. до н.э"
его предшественник Паршванатха - в IX в. до н.э., остальные - в доисторические
времена.
В древнекитайком даосизме
(IV в. до н.э.) в каноне "Дао да цзин" и трактатах "Чжуан-цзы" и "Лао-цзы"
указывается, что все в мире состоит из частиц грубых ("цу") и тончайших
("цзин"). Они образуют единый "ци" - эфир, изначальный, единый для всех вещей.
"Единый эфир пронизывает всю Вселенную". Он состоит из "инь" (материальное) и
"ян" (огонь, энергия). "Нет ни одной вещи, не связанной с другой, и всюду
проявляются инь и ян" [6].
В
древней Японии философы полагали, что пространство заполнено мукёку -
беспредельной универсальной сверхестественной силой, лишенной качеств и форм,
недоступной восприятию человеком. Мистический абсолют такёку является природой
идеального первоначала "ри", связанного с материальным началом "ки". "Ри" -
энергия, которая вечно связана с "ки" - материей и без него не
существует.
Есть все основания
предположить, что все мировые религии - буддизм, христианство, конфуцианство,
синтоизм, индуизм, иудаизм и др. - в том или ином виде на ранней стадии
заимствовали материалистические идеи древней эфиродинамики, а на более поздней
стадии развития выхолостили учение, отказавшись от материализма в пользу
мистицизма в угоду пришедшим к власти господствующим классам. В Древней Греции
это произошло, вероятнее всего, после революции VII-VI вв. до н.э., положившей
конец родовому строю и приведшей к победе
рабовладельчества.
Однако
передовые мыслители пытались сохранить древние материалистические знания.
Фалесом Милетским (625-547 гг. до н.э.) - древнегреческим философом,
родоначальником античной и вообще европейской философии и науки, основателем
милетской философской школы - был поставлен вопрос о необходимости сведения
всего многообразия явлений и вещей к единой основе (первостихии или
первоначалу), которой он считал жидкость ("влажную природу") [1,
2].
Анаксимандром (610-546 гг. до
н.э.), учеником Фалеев, было введено в философию понятие первоначала -
"апейрона" - единой вечной неопределенной материи, порождающей бесконечное
многообразие сущего [1,2].
Анаксимен (585-525 гг. до н.э.), ученик Анаксимандра, этим первоначалом считал
газ ("воздух"), путем сгущения и разрежения которого возникают все
вещи.
Развитие идей "первоначала"
было произведено Левкиппом (V в. до н.э.), выдвинувшим идею пустоты, разделяющей
все сущее на множество элементов, свойства которых зависят от их величины,
формы, движения, и далее - учеником Левкиппа Демокритом, являющимся
основоположником атомизма.
По ряду
свидетельств [1-3, 5] Демокрит вначале обучался у халдеев и магов, присланных в
дом его отца для обучения детей, а затем в стране Мидии при посещении магов [3].
Сам Демокрит не приписывал себе авторства атомизма, упоминая, что атомизм
заимствован им у мидян, в частности у магов - жреческой касты (племени, по
свидетельству Геродота), одного из шести племен, населявших Мидию
(северо-западные области Иранского
нагорья).
Господствовавшая идея
магов (могучих) - внутреннее величие и могущество, сила мудрости и знание. По
ряду свидетельств маги заимствовали свои знания у халдеев, которых считали
основателями звездочетства и астрономии. Халдеи, которым в древней Греции и
древнем Риме придавалось большое значение, являлись жрецами-гадателями, а также
натуралистами, математиками, теософами. Маги основали учение (магию),
позволявшее на основе знания тайн природы производить необычайные явления. В
дальнейшем это учение, к сожалению, было дискредитировано многочисленными
псевдомагами - шарлатанами.
Наиболее подробно атомизм древности отражен именно в работах Демокрита, чему
посвящено много литературных исследований. Следует, однако, заметить, что
некоторые положения атомизма Демокрита остались непонятыми до настоящего времени
практически всеми исследователями его творчества. Речь прежде всего идет о
соотношениях атомов и частей атомов
(амеров).
Демокрит указывал, что
атомы - элементы вещества - неделимы физически, неразрезаемы в силу плотности и
отсутствия в них пустоты. Атомы наделены многими свойствами тел видимого мира:
изогнутостью, крючковатостью, пирамидальностью и т.п. В своем бесконечном
многообразии по форме, по величине и порядку атомы образуют все содержимое
реального мира. Однако в основе этих различающихся по величине и форме атомов
лежат амеры - истинно неделимые, лишенные
частей.
Идея о двух видах атомов
была упомянута и последующими исследователями, например Эпикуром (342-271 гг. до
н.э.).
Амеры (по Демокриту) или
"элементы" (по Эпикуру), являясь частями атомов, обладают свойствами, совершенно
отличными от свойств атомов. Например, если атомам присуща тяжесть, то амеры
полностью лишены этого свойства.
Полное непонимание на протяжении многих веков этого кажущегося противоречия
привело к существенному искажению толкования учения Демокрита. Уже Александр
Афродийский упрекает Левкиппа и Демокрита в том, что не имеющие частей
неделимые, постигаемые умом в атомах и являющиеся их частями, невесомы. Это
непонимание продолжается и в настоящее время. Так, С.Я. Лурье упоминает об
амеpax как о математических величинах. М.Д. Ахундов продолжает истолковывать
амеры как абстрактное математическое понятие
[4].
Упомянутое кажущееся
противоречие имеет в своей основе представление о том, что вес (тяжесть,
гравитация) есть врожденное свойство любой материи. Между тем гравитация может
быть объяснена как результат движения и взаимодействия (соударений) амеров.
Тогда атом как совокупность амеров, окруженный амерами же, может испытывать
притяжение со стороны других атомов благодаря импульсам энергии, передаваемым
амерами по-разному в зависимости от того с какой стороны от атома находятся
другие атомы, что и создает эффект взаимного притяжения атомов. Амеры же,
являясь носителями кинетической энергии, никакой тяжестью обладать на будут.
Следовательно, если полагать гравитацию следствием проявления движения
совокупности амеров, а не врожденным свойством материи (явлением, свойственным
комплексу и не принадлежащим его частям), то противоречие легко разрешается. Вся
же совокупность амеров, перемещающихся в пустоте, является общей мировой средой,
апейроном, по выражению Анаксимандра, в позднейшем наименовании по-русски -
эфиром.
Таким образом, эфир имеет
достаточно древнюю историю, восходя к самым началам известной истории
культурного человечества.
Рене
Декарт в существенно более поздние времена вновь поставил вопрос о существовании
материи, сплошь заполняющей все пространство, ответственной, в частности, за
перенос световых волн. Декарт объяснял образование материи вообще и планет, в
частности, свойством вихрей эфира, состоящего из множества круглых частиц. В
некоторых своих работах [7] Декарт пытается конструировать механические модели
физических явлений, иногда
противоречивые.
Ньютон (1643-1727
гг.) несколько раз менял свою точку зрения относительно структуры эфира, а также
о самом факте его существования [8-10]. Однако в конце концов Ньютон высказался
достаточно определенно и в своих последних работах взгляды на эфир
совершенствовал, развивал, но не менял кардинально. Ньютон считал возможным
"вывести из начал механики и все остальные явления природы", полагая, что "все
эти явления обусловливаются и некоторыми силами, с которыми частицы тел
вследствие причин, покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в
правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга". В
работе "Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах
света" [8] Ньютон развивает, в частности, мысль о возможности превращения света
в вещество и обратно.
В 1717 г. на
75-м году жизни во втором английском издании "Оптики" Ньютон в форме вопросов и
ответов излагает свою точку зрения относительно эфира. Так, градиент плотности
эфира при переходе от тела в пространство применяется для объяснения тяготения,
при этом эфир подразумевается состоящим из отдельных частиц. "Такое возрастание
плотности, - пишет Ньютон, - на больших расстояниях может быть чрезвычайно
медленным; однако если упругая сила этой среды чрезвычайно велика, то этого
возрастания может быть достаточно для того, чтобы устремлять тела от более
плотных частей среды к более разреженным со всей той силой, которую мы называем
тяготением".
Ньютон вновь ставит
вопрос об атомистическом строении
эфира:
"Если кто-нибудь
предположит, что эфир (подобно нашему воздуху), может быть, содержит частицы,
которые стремятся отталкиваться одна от другой (я не знаю, что такое этот эфир),
что его частицы крайне малы сравнительно с частицами воздуха и даже света, то
чрезвычайная малость этих частиц может способствовать величине силы, благодаря
которой частицы отталкиваются друг от друга, делая среду необычайно разреженной
и упругой в сравнении с воздухом и, следовательно, в ничтожной степени способной
к сопротивлению движениям брошенных тел и чрезвычайно способной вследствие
стремления к расширению давить на большие
тела".
Таким образом, Ньютон сам
указал возможность обойти затруднение, возникающее вследствие сопротивления
эфира движению небесных тел.
"Если
этот эфир предположить в 700 000 раз более упругим, чем наш воздух, и более чем
в 700 000 раз разреженным, то сопротивление его будет в 600 000 000 раз меньшим,
чем у воды. Столь мало сопротивление едва ли произведет заметное изменение
движений планет за десять тысяч
лет".
В этой же работе Ньютон
спрашивает, не является ли зрение результатом колебаний эфира в сетчатке и
нервах.
Майкл Фарадей (1791-1867
гг.), уверенный в существовании эфире ("мирового эфира"), представлял его как
совокупность неких сило вых линий. Фарадей категорически отрицал возможность
действия на расстоянии (actio in distance) через пустоту - точку зрения многих
физиков того времени. Однако Фарадеем природа и принцип устройства силовых линий
раскрыты не были [11-13].
Джеймс
Клерк Максвелл (1831-1879 гг.) в своих работах, среди которых нужно в первую
очередь отметить [14-18], делает вывод о распространении возмущений от точки к
точке в мировом эфире.
"Действительно, - пишет Максвелл, - если вообще энергия передается от одного
тела к другому не мгновенно, а за конечное время, то должна существовать среда,
в которой она временно пребывает, оставив первое тело и не достигнув второго.
Поэтому эти теории должны привести к понятию среды, в которой и происходит это
распространение".
Приняв полностью
точку зрения Фарадея, Максвелл, как и Фарадей, не дает какой-либо модели эфира и
ограничивается общим представлением о "силовых линиях". Следует, правда, все же
указать, что в [17] Максвелл упоминает об эфире как о жидкости и выводит свои
знаменитые уравнения в работах [16, 18], опираясь ва представления Гельмгольца о
движении вихрей в жидкой среде.
В
течение XIX в. было выдвинуто несколько моделей эфира. Значительная часть их не
отвечала на вопрос об устройстве эфира и характере взаимодействий. Авторы этих
теорий пытались приписать эфиру те или иные свойства, с помощью которых можно
было ожидать хотя бы принципиального объяснения некоторых явлений
[19-21].
Так, для объяснения
годичной аберрации света звезд, открытой Брадлеем в 1728 г. и достигающей 20,5",
Стоксом в 1845 г. была высказана мысль об увлечении Землей окружающего эфира
[22-24]. Более детальные расчеты показали, однако, что принятие идеи Стокса без
каких-либо оговорок означает необходимость наличия потенциала скорости эфира во
всем окружающем Землю пространстве. "Для того чтобы обойти это затруднение, -
пишет Лоренц [19], - можно использовать то обстоятельство, что существование
потенциала скоростей не является необходимым во всем пространстве, окружающем
Землю, так как мы имеем дело только с ограниченной областью. Однако это
предположение повело бы нас к очень искусственным и маловероятным построениям".
Таким образом, идея Стокса не нашла дальнейшего развития вследствие сложности
построения, хотя в ней, безусловно, содержалось рациональное зерно. Кроме того,
никаких предположений о характере взаимодействий эфира с Землей и природе самого
эфира Стоке не высказал.
Планк
показал, что трудности, имевшиеся в гипотезе Стокса, можно избежать, если
предположить, что эфир может сжиматься и подвержен влиянию силы тяжести. Никаких
предположений о возможных причинах такого влияния Планк не высказывал. В своих
речах Планк показал, что это предположение указывает на существенную конденсацию
эфира в поле силы тяжести. Около Земли эта конденсация по сравнению с открытым
пространством составляет 60 000, около Солца - еще в 28 раз больше. Дальнейшего
развития гипотеза Планка не
получила.
Идею о неподвижном эфире
впервые, по-видимому, высказал Френель в 1818 г. в письме к Араго, затем эта
идея была существенно развита и дополнена Лоренцем в работе "Теория электронов"
[28]. По идее Френеля эфир представляет собой сплошную упругую среду, в которой
находится вещество частиц атомов, в общем никак не связанных с этой средой. Роль
эфира - передача механических колебаний и волн. При объяснении аберрации Френель
сначала исходил из простого сложения скоростей Земли и света. Однако некоторые
эксперименты, в частности опыт Араго (1818-1819 гг.) по интерференции
поляризованных пучков света и эксперимент Восковича-Эре с телескопом, наполненым
водой, показали, что дополнительных отклонений света, которые должны были быть,
если бы эфир оставался неподвижным, нет. Для спасения гипотезы Френель предложил
ввести коэффициент увлечения света средой
k = 1 - l/n2
где n - коэффициент оптического преломления среды
[25-27].
Пояснение при этом
сводится к тому, что движущаяся среда своими атомами пытается увлечь за собой
свет, в то время как эфир, оставаясь неподвижным, препятствует этому. Учет
коэффициента увлечения позволил получить хорошее совпадение теории и опыта.
Однако Френель также не пытался раскрыть причину увлечения эфира этой средой.
Получается как бы три независимые физические субстанции: отдельно эфир, отдельно
оптическая среда и, наконец, отдельно свет при полной неясности их физического
взаимодействия.
Численно
коэффициент увлечения Френеля хорошо объяснял результаты опыта Физо,
проведенного последним в 1851 г. и повторенного Зееманом в 1914-1915 гг.
[29].
Герцем была выдвинута идея о
полном захвате эфира материей [30, 31]. Гипотеза Герца, однако, находится в
противоречии с экспериментом Физо, поскольку этот эксперимент показал лишь
частичный захват эфира материей.
Предыдущие гипотезы имели своей целью объяснение частичного увлечения света
рабочим телом, пропорционального первой степени отношения скоростей рабочего
тела и света. В более поздних экспериментах, проведенных Майкельсоном в 1881 г.
и повторяемых другими (Морли, Миллером, Пиккаром, Стазлем, Кеннеди, Илингвортом)
вплоть до 1927 г., основную роль играл квадрат этого
отношения.
В экспериментах
Майкельсона - Морли с интерферометром был сделана попытка подтвердить теорию
Френеля и Лоренца о неподвижном эфире. Эксперимент ставил своей целью обнаружить
"эфирный ветер", который неминуемо был бы, если бы эфир был неподвижен в
пространстве. Наличие эфирного ветра ожидалось обнаружить по изменению скорости
света, пропускаемого вдоль направления эфирного ветра, направление которого, в
свою очередь, определяется движением Земли вокруг Солнца со скоростью 30
км/с.
Считается, что ни в 1881, ни
в 1887 гг. такое движение Майкельсоном и Морли не было обнаружено [32-34].
Работы Миллера, которому удалось обнаружить эфирный ветер, нарастающий с
увеличение высоты, были завершены только к 1927 г. и поэтому во внимание не
принимались (так же, как и в настоящее
время).
Лоренцем было сделано
предположение о возможном сокращении плеч интерферометра, направленных по ходу
движения эфирного ветра. Объяснение Лоренца исходило из того предполагаемого
факта, что молекулярные и атомные силы вещества плеч интерферометра имеют
электромагнитное происхождение, следовательно, перемещаясь в неподвижном эфире,
эти силы начнут создавать дополнительную деформацию
Г351.
Теория Лоренца, однако,
противоречит исходному представлению об эфире как о переносчике взаимодействий.
В самом деле, если эфир не принимает никакого участия в движении вещества, то и
вещество не может взаимодействовать с эфиром. Следовательно, эфир не может
передать веществу энергию. Налицо логическое противоречие, проистекающее из
отсутствия качественной картины строения и взаимодействия эфира и
вещества.
Ритц, введя в уравнения
Максвелла приведенное время и по существу вернувшись к гипотезе Лоренца, получил
удовлетворительное совпадение уравнений Максвелла с результатами оптических
экспериментов. В результате родилась "баллистическая гипотеза" Ритца [36, 37],
из которой следовало, что движущийся источник света испускает свет со скоростью,
равной в абсолютных координатах геометрической сумме скоростей света в вакууме и
скорости источника. Такая постановка, будучи беспредельно распространенной,
приводит к положению, при котором для двойных звезд должны иметь место моменты,
когда звезда, движущаяся по направлению к Земле, должна казаться движущейся
вспять. Наблюдения Де-Ситтера (1913) [38] показали, что такого явления
нет.
В своих рассуждениях Ритц
оперирует только математическими выкладками, и так же как и Лоренц, не указывает
на характер связей меясду веществом и эфиром, не рассматривает природу света и
строение эфира.
Таким образом,
перечисленные гипотезы, модели и теории эфира, возникшие в XIX в., во-первых,
рассматривали эфир как сплошную однородную среду с постоянными свойствами,
одинаковыми для всех точек пространства и любых физических условий, во-вторых,
не делали никаких предположений ни о структуре эфира, ни о характере
взаимодействий между веществом и эфиром. Такое положение привело к невозможности
в рамках этих теорий, фактически опирающихся на какое-либо одно частное свойство
эфира, удовлетворить всему разнообразию известных явлений. Некоторое исключение
все же здесь составляет теория Френеля, поставившая скорость света в зависимости
от свойств среды, в которой свет распространяется. Теория Френеля получила
дальнейшее развитие в работах
Эйнштейна.
Параллельно с
описательными концепциями эфира развивались и некоторые гипотезы, пытавшиеся
нащупать строение эфира. Эти гипотезы получили название "механических",
поскольку они оперируют с механическими представлениями - перемещениями и
силами.
Как уже упоминалось,
первые механические модели были предложены Рене Декартом и Исааком Ньютоном.
Некоторые механические теории и модели эфира были разработаны в XVIII, XIX
столетиях и позже.
Значительный
интерес представляет собой теория Ж.Л. Лесажа, призванная объяснить сущность
тяготения. По Лесажу [39-41] эфир представляет собой нечто, подобное газу ..с
той существенной разницей, что частицы эфира практически не взаимодействуют
между собой, соударяясь чрезвычайно редко. Весомая материя поглощает частицы,
поэтому тела экранируют потоки частиц эфира. Это приводит к тому, что второе
тело испытывает неодинаковое с различных сторон подталкивание со стороны частиц
эфира и начинает притягиваться к первому телу. Теория эфира не встретила
должного внимания в момент появления, но сто лет спустя ей было оказано большое
внимание Шраммом [42,43], Томсоном [44], Тэтом
[45].
Теория эфира как упругой
среды предлагалась Навье (1824 г.), Пуассоном (1828 г.), Коши (1830 г.)
[19].
Навье рассматривал эфир как
несжимаемую жидкость, обладающую вязкостью. Вязкость эфира рассматривалась им
как причина взаимодействий между частицами вещества и эфиром, а также между
эфиром и частицами вещества, следовательно, частиц вещества между
собой.
Коши рассматривал эфир как
сплошную среду и оперировал напряжениями и деформациями в каждой точке
пространства. В работах по оптике Коши дал математическую разработку теории
Френеля и теории дисперсии. В дальнейшем выяснилось, что данное объяснение
приводит фактически к толкованию магнитного поля как перемещения частиц эфира,
что противоречило факту существования диэлектричеcкого смещения. В своих работах
Нейман [46, 47] исходил из предположения о поспоянстве плотности эфира во всех
средах. Рассматривая эфир как упругую среду, Нейман анализировал процессы
поляризации света.
Грин
рассматривал эфир [19] как сплошную упругую среду, на основании чего, исходя из
закона сохранения энергии, применяемого к деформированному упругому телу, он
рассмотрел отражение и преломление света в кристаллических средах. В
перечисленных механических моделях природа эфира и причины того, что эфир ведет
себя как упругое тело, не
выяснились.
В математических
работах Мак-Куллаха (1809-1847 гг.), в которых произведено геометрическое
исследование поверхности световой волны, эфир рассматривался как среда, в
которой потенциальная функция является квадратичной функцией углов вращения
[48]. Эфир Мак-Куллаха сплошной. Хотя теория Мак-Куллаха является теорией
упругой среды и ни о каком электромагнетизме в ней нет ни слов полученные им
уравнения, как отмечает Лоренц, по существу совпадают с уравнениями
электромагнитной теории Максвелла. Сравнение с другими теориями упругого эфира
показывает, что существенная положительная особенность теории Мак-Куллаха
заключается именио в наличии понятия вихревого движения. По выражению Ван-Герина
теория Мак-Куллаха - это вихревая теория
эфира.
В. Томсоном (лордом
Кельвиным, 1824-1907 гг.) было предложено несколько моделей эфира [49-55].
Сначала Кельвин пытался усовершенствовать модель эфира Мак-Куллаха, затем
предложил модель квазилабильного эфира - изотропной однородной среды, в которой
присутствуют вихри. Недостатком модели оказалась неустойчивость равновесия
эфира, поскольку потенциальная энергия в этой модел нигде не имеет минимума.
Модель квазилабильного эфира требует закрепления граничных условий, что
противоречит представлениям о беспредельном и безграничном пространстве
Вселенной.
Кельвиным высказывались
предположения о скорости эфира как о магнитном потоке и о скорости вращения
эфира как величине диэлектрического смещения. Данные гипотезы не получили
должного развития в связи с математическими трудностями. Дальнейшие разработки
привели Кельвина к построению модели эфира из твердых и жидких гиростатов
(гироскопов) для получения системы, оказывающей сопротивление только
деформациям, связанным с вращением Кельвин показал, что в этом случае получаемые
уравнения совпадают с уравнениями электродинамики. Такая модель позволяет также
объяснить распространение световых волн. Кельвин также пытался рассмотреть эфир
как жидкость, находящуюся в турбулентном движении: он показал, что турбулентное
движение сопровождается колебательным
движением.
Дальнейшее развитие
теория получила в работе Кельвина "О вихревых атомах" (1867 г.) [52], где эфир
представлен как совершенная несжимаемая жидкость без трения. Кельвин показал,
что атомы являются тороидальными кольцами Гельмгольца. Эта идея несколько ранее
выдвигалась Раннигом в работе "О молекулярных вихрях" (1849-1850 гг.), где
автором рассматривались некоторые простейшие
взаимодействия.
Школа Дж.Дж.
Томсона (1856-1940 гг.) продолжила эту линию. В работах "Электричество и
материя", "Материя и эфир", "Структура света", "Фарадеевы силовые трубки и
уравнения Максвелла" и других [56-60] Дж.Дж. Томсон последовательно развивает
вихревую теорию материи и взаимодействий. Он показал, что при известных простых
предположениях выражение квантового вихревого кольца совпадает с выражением
закона Планка E = hv. Томсоном, исходя из вихревой теории эфира, показано, что Е
= mc2. Авторство этой формулы
приписывается Эйнштейну, хотя Дж.Дж. Томсон получил ее в 1903 г. задолго до
Эйнштейна, а главное, из совершенно других предпосылок, чем Эйнштейн, исходя, в
частности, из наличия эфира.
Дж.Дж. Томсон создал весьма стройную теорию, изложенную в ряде работ, изданных с
1880 по 1928 г. Единственным, пожалуй, недостатком этой теории является
идеализация свойств эфира, представление о нем как о сплошной идеальной
несжимаемой жидкости, что привело эту теорию к некоторым существенным
противоречиям.
Таким образом, В.
Томсон (лорд Кельвин) и Дж.Дж. Томсон рассматривают единую материю - эфир, а
различные ее проявления обусловливают различными формами его кинетического
движения.
Интересно отметить, что
вихревые теории эфира не прошли мимо внимания Энгельса. В работе "Электричество"
[61] он пишет: "Электричество - это движение частиц эфира, и молекулы тела
принимают участие в этом движении. Различные теории по-разному изображают
характер этого движения. Теории Максвелла, Ханкеля и Ренара, опираясь на
новейшие исследования о вихревых движениях, видят в нем, каждая по-своему, тоже
вихревое движение. И, таким образом, вихри старого Декарта снова находят
почетное место во все новых областях знания". "Эфирная теория", по выражению
Энгельса, "дает надежду выяснить, что является собственно вещественным
субстратом электрического движения, что собственно за вещь вызывает своими
движениями "электрические явления". Здесь интересно еще и то, что Энгельс
большое внимание уделял именно выяснению физической сущности явления, а не
просто описательной абстракции.
Ряд теорий эфира был создан в России. Идеи Эйлера (1707- 1783 гг.) о свойствах
мирового эфира [62-64] оказали влияние на Римана (1826-1866 гг.), который в
своей лекции "О гипотезах, лежащих в основаниях геометрии (1854 г.) изложил
концепцию мирового пространства, разрешив некоторые затруднения, с которыми
встретился Эйлер.
М.В. Ломоносов
(1711-1765 гг.) отвергал все специфические виды материи - теплоту, свет,
признавал лишь эфир, с помощью которого он, в частности, объяснял и тяготение
как результат подталкивания планет частицами за счет разности давлений [65-71].
Эта идея Ломоносова была высказана раньше, чем аналогичная идея
Лесажа почти на сорок
лет.
И.О. Ярковским [72] была
предложена в семидесятых годах XIX столетия теория газоподобного эфира. Элементы
эфира обладали врожденным свойством - при соударении взаимно тормозить друг
друга, при устранении препятствия продолжать свое движение так же, как это было
до остановки. Природа такого поведения частиц эфира Ярковским не
рассматривалась. Опираясь на представление об эфире как о газоподобной среде,
Ярковский рассмотрел некоторые физические явления, в частности сделал попытку
создать модель тяготения. В двадцатые годы XX столетия модель газоподобного
эфира была рассмотрена П.А. Петровским, однако только на уровне качественной
модели некоторых отдельных явлений, главным образом
тяготения.
В более поздние
времена, когда теория относительности была уже широко известна,, некоторые
советские и зарубежные ученые отстаивали механическую теорию эфира, становясь
при этом на точку эрения вихревой модели. Среди этих работ необходимо отметить
работы К.Э. Циолковского [73], З.А. Цейтлина [74, 75], носящие преимущественно
обзорный характер, работу Уайтеккера [76], работы Н.П. Кастерина [77] и В.Ф.
Миткевича [78-80] и др.
В работе
Кастерина [77] просматривается глубокая аналогия между вихревыми движениями
воздушных потоков и электромагнитными явлениями, указывается на недостаточность
представлений матемагических видов Эйлера относительно вихревых движений,
поскольку выводы Эйлера исходили из представлений о сплошной среде, в то время
как газ состоит из отдельных частиц и не является сплошным. Кастериным проведено
уточнение как уравнений аэродинамики преимущественно применительно к вихревым
движениям, так и уравнений электромагнитного поля, а также показана их глубокая
аналогия.
В работах академика
Миткевича "Работы В. Томсона" (1930 г.), "Основные воззрения современной физики"
(1933 г.), "Основные физические воззрения" (1934 г.), [78-80] и других не только
отстаивается необходимость признания факта существования эфира, но и
предлагается модель, в которую фактически заложены идеи Дж. Дж. Томсона, о чем
Миткевич прямо говорит.
Миткевич
отстаивал механическую точку зрения на эфир. В одной из своих работ он
рассматривал "кольцевой электрон, который можно вычислить как элементарный
магнитный вихрь, движущийся по жесткой орбите и вмещающийся в объем, нормально
приписываемый электрону". Переносчиком энергии Миткевич считал "замкнутую
магнитную линию, оторвавшуюся от источника и сокращающуюся по мере отдачи
энергии", и указывал на подобие магнитного потока вихрям Гельмгольца. Все же
главным в работах Миткевича являлась не эта модель, достаточно несовершенная, а
убеждение в существовании в природе
эфира.
В работе "Основные
физические воззрения" Миткевич пишет: "Абсолютно пустое пространство, лишенное
всякого физического содержания, не может служить ареной распространения каких бы
то ни было волн. ... Признание эфира, в котором могут иметь место механические
движения, т.е. пространственные перемещения элементарных объемов этой
первоматерии, непрерывно заполняющей все наше трехмерное пространство, само по
себе не является признаком механистической точки зрения. ... Необходимо,
наконец, вполне определенно реабилитировать "механическое движение", надлежащим
образом моцернизировав, конечно, содержание этого термина, и раскрепостить
физическую мысль, признав за ней законное право оперировать пространственными
перемещениями соответствующих физических реальностей во всех случаях, когда мы
стремимся познать конечную структуру того или иного физического процесса. ...
Борьба с ошибочной научно-философской установкой, которая именуется
механистической точкой зрения, не должна быть подменена в современной физике
совершенно необоснованным гонением на законные попытки рассмотрения тех
механических движений, которые, несомненно, составляют основу структуры всякого
физического процесса, хотя никоим образом сами по себе не исчерпывают его
сущности. Следует, наконец, перестать отождествлять термины "механический" и
"механистический", как это, к сожалению, нередко имеет место в современной
научно-философской и физической
литературе".
Няряду с разработками
теорий и моделей эфира развивалась точка зрения об отсутствии эфира как такового
в природе.
В 1910 г в работе
"Принцип относительности и его следствия" [81] Эйнштейн писал что, "нельзя
создать удовлетворительную теорию, не отказавшись от существования некой среды,
заполняющей все пространство". Позже в работах "Эфир и теория oтнocитeльнocти"
(1920 г.) [82] и "Об эфире" (1924 г.) Эйнштейн изменил свою точку зрения
относительно существования эфира, однако это обстоятельство известно и не
повлияло на отношение к эфиру со стороны большинства
физиков-теоретиков.
Академик
Я.И. Френкель в некоторых работах категорически отрицал
существование мирового эфира, сравнивая поиск свойств эфира с "богоискательством
и богостроительством" [84], и отстаивал принцип
дальнодействия.
В настоящее время
идеи, связанные с "действием на расстоянии", продолжают развиваться, однако
наряду с этим во многих работах все чаще используется представление о
"физическом вакууме" , "вакуумной жидкости" и т.
п." что фактически восстанавливает представление о мировой среде
под другим названием. Обнаружен ряд вакуумных эффектов - нулевой уровень энергии
полей, виртуальные состояния частиц, поляризация вакуума и т.п., что заставляет
отказаться от представления о вакууме как о пустоте и вновь поставить вопрос о
его структуре.
Несмотря на обилие и разнообразие различных гипотез, моделей и теорий эфира, их
авторам не удалось создать сколько-нибудь законченную и непротиворечивую картину
мира, охватывающую хотя бы основные формы вещества и виды взаимодействий. Всем
этим гипотезам, моделям и теориям свойственны те или иные принципиальные
недостатки, не позволяющие им развиваться в должной мере.
Основных недостатков
было три. Все гипотезы, модели и теории эфира, начиная от самых первых и кончая
последними, рассматривали определенный узкий круг явления, не затрагивая
остальных.
Модели Декарта и
Ньютона, естественно, никак не могли учесть электромагнитных явлений, тем более
внутриатомных взаимодействий. В работах Фарадея, Максвелла, Лоренца, Герца и
других исследователей не учитывалась гравитация и не рассматривались вопросы
строения вещества. В своих работах Стоке и Френель пытались объяснить фактически
лишь явления аберрации. В механических моделях Навье, Мак-Куллаха и далее
В.Томсона и Дж. Томсона рассматриваются главным образом круг электромагнитных
явлений, правда, В. Томсон и Дж. Томсон пытались все же в какой-то степени
проникнуть в суть строения вещества.
Таким образом, ни одна
теория эфира не пыталась дать ответ, по существу, и на основные вопросы строения
вещества, и на основные виды взаимодействий, тем самым оторвав их друг от
друга.
Вторым крупным недостатком практически всех без исключения теорий и
моделей эфира, кроме модели Ньютона, является то, что эфир рассматривался как
сплошная среда. Кроме того, большинством авторов эфир рассматривался как
идеальная жидкость или идеально твердое тело. Такая метафизическая идеализация
свойств эфира, допустимая для одних физических условий или явлений,
распространялась автоматически на все мыслимые физические условия и явления, что
неминуемо вело к противоречиям.
Третьим недостатком
многих теорий, кроме последних — В. Томсона и Дж. Томсона, является отрыв
материи вещества атомов и частиц от материи эфира. Эфир выступает как
самостоятельная субстанция совершенно непонятным образом воспринимающая энергию
от частиц вещества и передающая энергию частицам вещества, В работах Френеля и
Лоренца фактически три независимые субстанции: вещество, не зависящее от эфира;
эфир, свободно проникающий сквозь вещество, и свет, непонятным образом
создаваемый веществом, передаваемый веществом эфиру и вновь воспринимаемый
веществом совершенно без какого бы то ни было раскрытия механизма всех этих
передач и превращений.
Хотя авторами
перечисленных выше гипотез, моделей и теорий сам факт существования среды —
переносчика энергии взаимодействий и основы строения вещества утверждался
правильно, перечисленные недостатки сделали практически невозможным
использование этих теорий и их развитие в рамках исходных
предпосылок.
Специальная теория
относительности (СТО) Эйнштейна в отличие от общей теории относительности
принципиально отвергла эфир. К этой мысли Эйнштейн пришел на основе
сопоставления результатов экспериментов Физо (1851 г.) [86] и Майкельсона (1881
и 1587 гг.) [87], [88], поскольку введение эфира препятствовало принципу
относительности пространства — времени.
Как известно, в
результате проведения эксперимента Физо нашел, что свет частично увлекается
движущейся средой (водой). В результате же экспериментов по обнаружению эфирного
ветра, проведенных в 1881 г. Майкельсоном и в 1887 г. Майкельсоном и Морли,
оказалось, что, по крайней мере, на поверхности Земли эфирный ветер отсутствует.
Это находилось в противоречии с теорией Лоренца об абсолютно неподвижном
эфире.
В работе "Принцип
относительности и его следствия" (1910 г.) [81] Эйнштейн приходит к выводу о
том, что частичное увлечение света Движущейся жидкостью (эксперимент Физо)
"отвергает гипотезу полного увлечения эфира. Следовательно, остаются две
возможности:
1) эфир полностью неподвижен, т.е. он не принимает абсолютно никакого
участия в движении материи;
2) эфир увлекается движущейся материей, но он движется со
скоростью, отличной от скорости движения материи.
Развитие второй
гипотезы требует введения каких-либо предположений относительно связи между
эфиром и движущейся материей. Первая же возможность очень проста, и для ее
развития на основе теории Максвелла не требуется никакой дополнительной
гипотезы, могущей осложнить основы теории".
Указав далее, что
теория Лоренца о неподвижном эфире не подтверждается результатами эксперимента
и, таким образом, налицо противоречие, Эйнштейн сделал вывод о необходимости
отказаться от среды, заполняющей мировое
пространство.
Отказ от среды дал
автору специальной теории относительности возможность сформулировать два
постулата, на которых базируется СТО — постулат о невозможности каким-либо
физическим экспериментом, проводимым внутри лаборатории (системы отсчета),
установить, находится эта лаборатория в покое или движется равномерно и
прямолинейно, и постулат о независимости скорости распространения света в
вакууме, отождествляемом с пустотой, от движения источника света и одинаковости
ее во всех направлениях. Следствием второго постулата является утверждение
постоянства скорости света любой инерциальной
системе.
Легко видеть, что
наличие эфира не позволило бы сформулировать ни первый, ни второй постулаты, так
как если эфир всепроникающий, то внутри лаборатории должен наблюдаться эфирный
ветер, следовательно, появляется возможность определить факт движения
лаборатории путем измерения скорости эфирного ветра; наличие эфира заставляет
поставить вопрос и о переходном процессе, имеющем место при генерации света
источником, а также и о величине скорости света относительно источника в момент
выхода из источника в непосредственной от источника близости, о скорости света
относительно эфира, смещении эфира относительно источника и некоторые другие
вопросы. Ответ на все эти вопросы вряд ли оставил бы почву для формулирования
второго постулата.
Не разбирая детально
всех обстоятельств, связанных с критике постулатов СТО и с так называемыми
"экспериментальными подтверждениями" специальной теории относительности, отметим
лишь, что в 1887 г. Майкельсон предложил продолжить работы по обнаружению
эфирного ветра Е. Морли и Д.К. Миллеру. В 1905 г. были получены первые
положительные результаты [89]. Далее работы были продолжены Миллером, который,
потратив на проведение экспериментов около сорока лет, завершил их в 1925 г.
Миллер обнаружил эфирный ветер, который на уровне Земли действительно был близок
к нулю, но увеличивался с ростом высоты. В частности, при подъеме на высоту
около 250 м над уровнем моря скорость эфирного ветра оказалась равной 3 км/с, а
на высоте 1860 м — около 10 км/с. Таким образом, Миллеру удалось показать, что
имеет место захват эфира Землей, образование пограничного слоя, скорости в
котором меняются по мере удаления от поверхности
Земли.
Результаты работ
Миллера были опубликованы [89—92] и обсуждены на специальной конференции в 1927
г. [93]. Присутствовавшие на конференции Лоренц и Майкельсон отнеслись
положительно к результатам, полученным Миллером.
Нужно отметить, что
Миллер провел громадную работу, много лет совершенствуя интерферометр и
отстраиваясь от возможных помех. Им также с помощью сотрудников выполнено
огромное количество отсчетов, в частности только в 1925 г. более ста
тысяч.
В 1929 г. Майкельсоном
были повторены эксперименты по обнаружению эфирного ветра, на этот раз вполне
успешно закончившиеся [94]: на высоте 1860 м им была получена скорость 6
км/с.
Работы аналогичного
направления были позже повторены несколькими исследователями. На той же
конференции Р.Дж. Кеннеди сообщил, что после того, как Миллер опубликовал свои
результаты в 1925 г., им, Кеннеди, был придуман и разработан другой прибор,
болee простой, но обладающий, по его мнению, чрезвычайно высокой
чувствительностыо. Эта чувствительность составляла 0,001 интерференционной
полосы (хотя размытость краев интерференционных полос составляет 10—20 %
значения самой полосы). К началу 1927 г. прибор был отлажен и все эксперименты
уже были проведены. Никаких результатов Кеннеди не получил, о чем и доложил на
конференции, что было им истолковано не как непригодность его прибора, а как
отсутствие в природе эфирного ветра, хотя правильнее было бы поставить под
сомнение добросовестность и корректность проведенного эксперимента. Были и
другие аналогичные попытки, например подъем интерферометра на стратостате над
Брюсселем в 1926 г. Результаты в этом случае были неопределенными [95]. И здесь
авторы не затратили должного времени на отладку и доводку прибора, не говоря уже
о том, что отладить такой прибор можно было лишь на поверхности Земли, где
эфирный ветер почти отсутствует.
Таким образом, нет
оснований считать "твердо установленным" отсутствие в природе эфира на основании
результатов экспериментов, проведенных в 1881 и 1887 гг. Наоборот, работы
Миллера определенно говорят в пользу существования эфира, а неопределенность
кратковременных проверок другими авторами можно, скорее, отнести к нетщательной
подготовке экспериментов, чем к каким-либо доказательствам. Интересно отметить,
что Миллером получено направление эфирного ветра, не совпадающее с ожидаемым в
плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Его результаты отражают движение Земли
вместе с Солнцем и Галактикой в мировом пространстве и движение эфирных потоков
внутри Галактики.
В 1929-1933 гг.
Майкельсоном и его сотрудниками (Майкельсон умер в 1931 г.) был поставлен
эксперимент в частичном вакууме. Скорость света измерялась в железной трубе
длиной 1600, диаметром 1 м, расположенной на Маунт Вилсон. Воздух из трубы был
откачан. Влияния эфирного ветра обнаружено не было, что и неудивительно,
поскольку металлы обладают особенно высоким эфиродинамическим сопротивлением. С
таким же успехом можно пытаться измерить воздушный ветер, дующий на улице,
прибором, расположенным в закупоренной комнате.
В 1958-1962 гг. группа
американского исследователя Таунса, изобретателя мазера, пыталась измерить
эфирный ветер с помощью мазеров. Предполагалось, что эфирный ветер должен,
ускоряя свет, изменять частоту принимаемого излучения. Эффекта получено не было,
что позволило авторам объявить об отсутствии эфирного ветра в
природе.
Указанный эксперимент
содержал две грубейшие ошибки. Во-первых, эксперимент проводился на уровне моря,
где эфирный ветер может отсутствовать. Во-вторых, эфирный ветер мог бы изменить
фазу сигнала, но никак нечего частоту. Доплеровский эффект у взаимно неподвижных
источника колебаний (мазера) и приемника (интерференционная картинка) всегда и
принципиально равен нулю. В [97] описан данный эксперимент и поставлен вопрос о
необходимости возврата к вопросу о существовании в природе "эфирного
ветра".
Игнорирование эфира
сторонниками теории "дальнодействия" может сегодня привести лишь к непоправимой
абсолютизации уже полученных формульных зависимостей. Следование такой позиции
приципиально снимает вопрос о возможности какого бы то ни было уточнения
фундаментальных законов, что в принципе неверно, поскольку любые формулы лишь
приближенно отражают реальную действитеность.
Таким образом, к
вопросу о существовании эфира, его роли и структуре необходимо вернуться вновь
[96—98].
В работах [19-21, 74,
75, 79, 97, 98, 100-104] приведены обзоры по истории развития эфирных концепций
и современных взглядов на природу "физического вакуума".
1. Концепция
эфира сопровождает развитие естествознания от древнейших времен до настоящего
времени. Разработанные различными авторами картины мира и различные физические
теории до начала XX столетия правильно предполагали существование в природе
мировой среды - эфира, являющегося основой строения вещества и носителем энергии
полей и взаимодействий.
2. Неудачи
многочисленных авторов теорий, моделей и гипотез эфира были предопределены
методическим подходом этих авторов к проблеме эфира. В соответствии с этим
подходом свойства эфира не выводились из результатов обобщения наблюдений
реальной действительности, а постулировались и идеализировались.
3. Укоренившийся
в XX столетии феноменологический подход к физическим явлениям, связанный, в
частности, с внедрением в теоретическую физику теории относительности и
квантовой механики, привел к отказу от концепции эфира и, как следствие, к
игнорированию внутренних механизмов явлений, к пренебрежению внутренними
движениями материи. Физические явления стали объсияться как результат
пространственно-временных искажений, при этом отдельные свойства
электромагнитных взаимодействий, в частности квантованность электромагнитной
энергии, скорость света, искусственно и неоправданно были распространены на все
без исключения физические взаимодействия, включая ядерные и гравитационные.
Такой подход положил предел в познавательных возможностях человеком
природы.
4. Современная
теоретическая физика вынуждена косвенно вводить понятие мировой среды под
названиями "физический вакуум", "поле" и т.п., избегая названия "эфир", как,
якобы, дискредитировавшее себя, проявляя тем самым непоследовательность своей
философской основы.
5. Совпадение
полученных экспериментальных результатов с расчетными по формулам теории
относительности и квантовой механики не означает справедливость указанных
теорий, тем более их философской основы, так как подобные же численные
результаты могут быть получены на совершенно иных основах, например на основе
зависимостей газовой механики, вытекающих из представлений о существовании в
природе эфира, обладающей свойствами обычного реального газа.
6. Эксперименты
по обнаружению "эфирного ветра", давшие отрицательный результат и явившиеся
основой для утверждения об отсутствии в природе эфира, были поставлены либо
методически неверно (Майкельсон, 1880-1881 гг., Майкепьсон и Морли, 1886-1887
гг., Ч. Таунс, 1958-1962 гг.), либо некорректно (Кеннеди 1925-1927 гг., Пикар и
Стаэли 1926 г., Иллингворт 1926-1927 гг.). Результаты этих экспериментов не дают
основания для однозначного вывода об отсутствии в природе эфира.
7. Имеются
прямые экспериментальные доказательства, свидетельствующие о наличии в
околоземном пространстве "эфирного ветра" и тем самым о существовании в природе
эфира. Эти данные получены Морли (1901-1905 гг.), Миллером (1921-1925 гг.) и
Майкельсоном (1929 г.). Полученные характеристики свидетельствуют не только о
факте существования в природе эфира, но и об его газоподобной
структуре.
|
|