Ейнштейна; Ефір і відносність; Історія математики MacTutor
Ефір і теорія відносності
Як це виходить так, що поряд з ідеєю вагомої матерії, яка походить від абстракції з повсякденного життя, фізики задають ідею існування іншого виду матерії, ефіру? Пояснення, мабуть, слід шукати в тих явищах, які породили теорію дії на відстань, і у властивостях світла, що призвели до теорії хвилювань. Зупинимось трохи на розгляді цих двох тем.
Лише з небажанням прагнення людини до знань переживає дуалізм такого роду. Як слід було зберегти єдність у його розумінні сил природи? Або намагаючись розглядати контактні сили як самі віддалені сили, які, за загальним визнанням, можна спостерігати лише на дуже невеликій відстані, і це був шлях, яким послідовники Ньютона, які цілком підкорялися чарам його доктрини, переважно віддавали перевагу; або припускаючи, що ньютонівська дія на відстані є лише очевидно безпосередньою дією на відстані, але насправді передається середовищем, що пронизує простір, чи то рухами, чи то пружною деформацією цього середовища. Таким чином, прагнення до єдиного погляду на природу сил веде до гіпотези про ефір. Безперечно, ця гіпотеза спочатку не принесла з собою жодного прогресу ні в теорії гравітації, ні в фізиці загалом, так що стало звичним трактувати закон сили Ньютона як аксіому, що не підлягає подальшому зменшенню. Але ефірна гіпотеза завжди повинна була відігравати певну роль у фізичній науці, навіть якщо спочатку лише приховану.
Коли в першій половині XIX століття було виявлено далекосяжну схожість, яка існує між властивостями світла та властивостями пружних хвиль у важких тілах, ефірна гіпотеза знайшла свіжу підтримку. Безсумнівно, що світло слід інтерпретувати як вібраційний процес в пружному, інертному середовищі, що заповнює універсальний простір. Також здавалося необхідним наслідком того факту, що світло здатне поляризуватися, що це середовище, ефір, повинно мати природу твердого тіла, оскільки поперечні хвилі не можливі в рідині, а лише в твердому тілі. Таким чином, фізики були зобов'язані прийти до теорії "квазіжорсткого" світлового ефіру, частини якого не можуть здійснювати ніяких рухів відносно один одного, крім малих рухів деформації, які відповідають світловим хвилям.
Ця теорія, яку також називають теорією стаціонарного світлового ефіру, до того ж знайшла міцну підтримку в експерименті, який також має принципове значення в спеціальній теорії відносності, експерименті Фізо, з якого потрібно було зробити висновок, що світловий ефір не бере участі в рухах тіл. Явище аберації також сприяло теорії квазітвердого ефіру.
Цей дуалізм досі стикається з нами в незатухаючій формі в теорії Герца, де матерія виступає не лише носієм швидкостей, кінетичної енергії та механічних тисків, а й носієм електромагнітних полів. Оскільки такі поля також виникають у вакуумі - тобто у вільному ефірі, ефір також виступає носієм електромагнітних полів. Ефір за своїми функціями не відрізняється від звичайної речовини. Усередині речовини вона бере участь у русі речовини, а в порожньому просторі скрізь має швидкість; так що ефір має визначену задану швидкість по всьому космосу. Не існує принципової різниці між ефіром Герца та вагомою речовиною (яка частково існує в ефірі) .
Теорія Герца страждала не лише від дефекту приписування речовині та ефіру, з одного боку, механічних станів, а з іншого боку, електричних станів, які не стоять у жодному мислимому відношенні один до одного; вона також суперечила результату важливого експерименту Фізо щодо швидкості поширення світла в рухомих рідинах та іншим встановленим експериментальним результатам.
Такий був стан речей, коли H A Lorentz вийшов на сцену. Він привів теорію в гармонію з досвідом за допомогою чудового спрощення теоретичних принципів. Він досяг цього, найважливішого прогресу в теорії електрики з часів Максвелла, взявши з ефіру його механічні, а з речовини - електромагнітні якості. Як у порожньому просторі, так і у внутрішній частині матеріальних тіл, ефір, а не матерія, розглянута атомістично, був виключно місцем розташування електромагнітних полів. На думку Лоренца, елементарні частинки речовини здатні здійснювати рухи; їхня електромагнітна активність повністю обмежена перенесенням електричних зарядів. Таким чином Лоренцу вдалося звести всі електромагнітні події до рівнянь Максвелла для вільного простору.
Що стосується механічної природи ефіру Лоренціа, можна сказати про нього, у дещо грайливому дусі, що нерухомість є єдиною механічною властивістю, якої він не позбавив H A Lorentz. До цього можна додати, що вся зміна концепції ефіру, яку спричинила спеціальна теорія відносності, полягала в тому, щоб забрати у ефіру останню механічну якість, а саме - його нерухомість. Як це слід розуміти, одразу буде викладено.
Наступною позицією, яку можна було зайняти перед таким станом речей, виявилася наступна. Ефіру взагалі не існує. Електромагнітні поля не є станами середовища і не прив'язані до жодного носія, але це незалежні реальності, які не зводиться ні до чого іншого, точно так само, як атоми важкої матерії. Ця концепція напрошується набагато легше, оскільки, згідно з теорією Лоренца, електромагнітне випромінювання, подібно до важкої речовини, приносить із собою імпульс та енергію, а оскільки, відповідно до спеціальної теорії відносності, речовина і випромінювання є лише особливими формами розподіленої енергії, вагома маса втрачає свою ізоляцію і виступає як особлива форма енергії.
Однак більш ретельні роздуми вчать нас, що спеціальна теорія відносності не змушує нас заперечувати ефір. Можна припустити існування ефіру; лише ми мусимо відмовитися від приписування йому певного стану руху, тобто ми повинні абстракцією взяти з нього останню механічну характеристику, яку ще залишив Лоренц. Пізніше ми побачимо, що ця точка зору, мислимість якої я відразу ж намагатимусь зробити більш зрозумілою шляхом дещо зупиняючого порівняння, виправдана результатами загальної теорії відносності.
Подумайте про хвилі на поверхні води. Тут ми можемо описати дві абсолютно різні речі. Або ми можемо спостерігати, як хвиляста поверхня, що утворює межу між водою та повітрям, змінюється з часом; або ж, наприклад, за допомогою маленьких поплавців - ми можемо спостерігати, як з часом змінюється положення окремих частинок води. Якби існування таких поплавців для відстеження руху частинок рідини було принциповою неможливістю у фізиці - якби насправді нічого, що б не можна було спостерігати, крім форми простору, зайнятого водою, оскільки вона змінюється в часі, нам слід було б не мають підстав для припущення, що вода складається з рухомих частинок. Але все одно ми могли б охарактеризувати це як засіб.