Один из наших подписчиков прислал следующий вопрос:
В дорелятивистской физике существовал термин «эфир», который являлся средой, в которой распространяется свет. Насколько я знаю современная официальная наука отрицает существование эфира. Почему так? Какие есть доказательства в пользу отсутствия существования эфира?
Что же, давайте разбираться. По мере развития физики объектом изучения нередко становились различные волны и колебания, такие как например:
- волны на поверхности воды;
- рябь возникающая на поверхности материи (например паруса) под действием ветра;
- ударные волны распространяющиеся через землю при землетрясении;
- звуковые волны и др.
Во всех этих случаях в распространение волн вовлечено вещество, которое предоставляет среду для распространения волн. По мере того, как среда сжимается и растягивается (в случае с продольными волнами) или колеблется (в случае поперечных волн) происходит распространение волны. Это примеры механических колебаний при которых энергия переносится из одной точки в другую через механическую среду.
Является свет волной или потоком частиц вначале было не вполне ясно. Так Ньютон считал свет потоком частиц, а например Кристиан Гюйгенс — считал свет волной. Только в 19-м веке экспериментально была доказано, что свет обладает волновыми свойствами (хотя сейчас мы уже знаем, что свет проявляет как свойства волны, так и частиц).
Более того, дальнейшее развитие такого направления в физике, как электромагнетизм, позволило установить, что свет является электромагнитной волной, которая распространяется с конечной, очень большой, но вполне измеримой скоростью. Сейчас эта скорость известна как скорость света в вакууме.
По аналогии с механическими колебаниями физики предположили наличие среды, в которой распространяются электромагнитные волны и назвали её эфиром (на самом деле сам термин эфир появился гораздо раньше, но это не суть важно). Возник закономерный вопрос, что если средой распространения электромагнитных волн является эфир, то каковы его свойства?
Довольно скоро учёные установили, что эфир не может иметь молекулярную природу, состоять из отдельных частиц, участвовать в термодинамических взаимодействиях и т.п. По сути единственным свойством эфира оказалось то, что он служит средой для распространения света.
Это привело к серии экспериментов по обнаружению эфира, наиболее известны из которых эксперименты Майкельсона-Морли. Если эфир действительно является средой распространения света, то наша планета — Земля движется сквозь эфир по мере вращения вокруг своей оси и вокруг Солнца.
Идея эксперимента Майкельсона-Морли. Если разделить свет на две перпендикулярных компоненты, а затем собрать их воедино, то мы получим интерференционный узор, который, в случае если предположение о существовании эфира верно, должен зависеть от ориентации интерферометра в пространстве.
И хотя скорость Земли относительно Солнца невелика — всего 30 км/c, что составляет около 0.01% скорости света, с помощью чувствительного интерферометра мы должны обнаружить сдвиг интерференционного узора, в зависимости от того, под каким углом находится интерферометр к направлению движения.
Майкельсон провёл первый эксперимент в 1881-м году, но его результаты были сомнительны из-за низкой чувствительности интерферометра. Шесть лет спустя вместе с Морли ему удалось достичь высокой чувствительности на новом интерферометре (погрешность не более 2.5% от величины сдвига, которую они ожидали получить, однако эксперимент дал отрицательный результат. Никакой разницы в интерференционных узорах в зависимости от направления движения Земли и ориентации интерферометра в пространстве обнаружено не было.
Энтузиасты эфира пытались по разному объяснить отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли, в частности одни из них предполагали, что эфир увлекается проходящими сквозь него массивными телами (такими как Земля) или что эфир является стационарным и неподвижным, а объекты движущиеся сквозь него испытывают сокращение длины и замедление времени, что объясняет отрицательный результат. С появлением теории относительности идея эфира стала избыточной и этот термин стал практически исчез из научного обихода.
Отрицательный результат экспериментов Майкельсона-Морли, впрочем не означает, что отсутствие эфира доказано. Из экспериментов Майкельсона-Морли (и других) следует только то, что если эфир и существует, то у него нет свойств, которые можно обнаружить экспериментально.
Эфир, даже если он существует, никак не влияет на движение света или гравитационных волн, не взаимодействует с веществом и не проявляет себя каким-либо иным способом. То есть можно сказать, что всё что мы знаем на данный момент согласуется с предположением, что эфира не существует.