Начало: Физика для чайников. Урок 1. Что такое физика и с чем ее "едят"?
Предыдущий урок Физика для чайников. Урок 29. Колебания и волны. Механические волны
На прошлом уроке я писал о механических волна и вскользь затронул тему электромагнитных волн и эфира. А сейчас мы эту тему разберем более подробно. Итак, что такое эфир? Эфир - это некая гипотетическая среда, колебания которой якобы проявляться как электромагнитные волны. Подробно разработанная гипотеза эфира была выдвинута Рене Декартом в 1618 году[1]. Он утверждал, что эфир обладает механическими свойствами. Декарт отрицал пустоту и полагал, что вся Вселенная заполнена некой первоматерией. При этом этот самый декартовый эфир не оказывает никакого сопротивления при движении в нем вещественных тел. По словам Рене Декарта, эфир состоит из мелких твердых частиц, которые плотно прилегают друг к другу, что способствует мгновенному распространению изменений в них. Когда импульсы эфира достигают Земли, мы ощущаем их как свет и тепло. Такую систему Декарт использовал для объяснения не только световых, но и других явлений. В частности, он считал, что причина тяготения состоит в том, что окружающие Землю эфирные частицы движутся быстрее, чем Земля, поэтому давят на предметы, которые от этого падают на Землю. Так же через эфир Декарт объяснял и магнетизм: по его представлению через магнит движутся мельчайшие вихреобразные частицы. У этих частиц может быть встречная резьба, поэтому магниты могут не только притягиваться, но и отталкиваться.
Учение Декарта об эфире развил Гюйгенс. Он рассматривал свет как волны эфира и разработал математический аппарат волновой оптики. Однако в XVII веке были открыты некоторые явления, которые требовали серьезного согласования с теорией светоносного эфира. Во-первых, это дифракция - явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн[2]. Во-вторых, это интерференция - перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление обычно характеризуется чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности света. Конкретный вид такого распределения интенсивности света в пространстве или на экране, куда падает свет, называется интерференционной картиной[3]. Наметились две возможные модели, объясняющие эти явления:
· Эмиссионная теория. Согласно этой теории, свет – это поток частиц, которые излучаются источником. В пользу этой теории говорит прямолинейное распространение света. Однако такая теория плохо объясняет явление дифракции и интерференции.
· Волновая теория. Согласно этой теории, свет – это такой всплеск эфира. Стоит сказать, что под волной в то время понимали именно одиночный импульс, а не бесконечное периодическое колебание, как сейчас.
Вскоре эмиссионная теория стала общепринятой, в основном благодаря авторитету Ньютона. В этой теории эфир рассматривался не как носитель, а как переносчик световых частиц. Явление преломления и дифракции ученые объяснили тем, что эфир вблизи тел, а так же при переходе из одной среды в другую меняет свою плотность.
В XIX-ом веке теория, рассматривающая свет как волны эфира, одержала решительную победу над эмиссионной теорией. Сначала английский ученый Томас Юнг в 1800 году создал волновую теорию интерференции, которая была основана на основе принципа суперпозиции волн. Суть этого принципа состоит в том, что любая волна может быть результатом (суммой) многих других волн. Юнг провел ряд опытов и оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах.
Поначалу теория Юнга не принималась научным сообществом. Но в защиту его волновой теории выступил Огюстен Жан Френель, который на основе различных опытов продемонстрировал чисто волновые эффекты, которые невозможно было объяснить в рамках эмиссионной теории. Время после 1920 года можно назвать триумфальным успехом волновой оптики во всех областях. Но, в то же время, был до сих пор не решен труднейший вопрос: а что, собственно такое, этот самый эфир?
Когда выяснилось, что световые колебания эфира строго поперечны, встал вопрос о том, какими, собственно, свойствами должен обладать эфир. Так, Френель выдвинул гипотезу, что эфир несжимаем, хотя и допускает поперечные сдвиги. Однако, это предположение трудно согласовать с полной проницаемостью эфира по отношению к веществу. Далее, Д. Г. Стокс объяснил это затруднение тем, что эфир подобен смоле. При быстрых деформациях (излучение света) эфир ведёт себя как твёрдое тело, а вот при медленных (например, при движении планет) он пластичен. В 1839 году Коши еще более усовершенствовал модель. Он создал теорию сжимающегося эфира, которую потом доработал У. Томсон.
Позже теорию эфира развивали Максвелл, Менделеев, Лорнец. Максвелл, в частности, использовал гидродинамические и механические модели эфира. При этом он подчеркнул, что это служит только для пояснения наглядной аналогии. Менделеев в одной из своих гипотез утверждал, что сильноразреженный воздух мог оказаться эфиром или неким неизвестным инертным газом с очень малым весом. Лоренц разработал теорию электрон-эфира. В этой теории он ввел строгое разделение между веществом (электронами) и эфиром. В модели Лоренца эфир неподвижен и не приводится в движение материей, имеющей массу. Фундаментальной концепцией в этой теории была «теория соответствующих состояний». В ней утверждается, что наблюдатель, движущийся относительно эфира, делает те же наблюдения, что и покоящийся наблюдатель (после подходящей замены переменных). Лоренц заметил, что необходимо изменить пространственно-временные переменные при смене систем отсчёта и ввести два понятия: это сокращение размеров движущихся тел (так называемое Лоренцово сокращение) и математическое понятие локального времени (то что в разных системах отчета время может идти по разному). Иными словами, основы теории относительности были заложены еще тогда, когда еще не отказались от идеи эфира.
Также было много попыток связать теорию эфира с гравитацией. В частности, ученые полагали, что эфир скапливается внутри материальных тел, поэтому его давление вблизи тел больше, чем в отдалении. Согласно другой модели тяготение рассматривалось как результат распространения через эфир пульсаций атомов. Также была теория, что в эфире есть «источники» и «стоки», и их взаимодействие проявляется как тяготение. Еще выдвигалась гипотеза, что эфир содержит множество беспорядочно движущихся микрочастиц (корпускул), и тяготение двух тел возникает из-за того, что каждое тело «экранирует» другое от этих частиц, тем самым создавая дисбаланс сил (подталкивающих корпускул получается больше, чем расталкивающих). Надо сказать, что все эти модели подвергались аргументированной критике, и по этой причине не получили широкого научного признания.
И так, я рассказал краткую историю о теории эфира. На следующем уроке продолжу эту тему, рассказав о трудностях, с которыми столкнулись приверженцы теории эфира и о причинах, почему идея эфира была отвергнута научным сообществом.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 31. Колебания и волны. Эфир. Часть 2.
1. Эфир (физика) — Википедия (wikipedia.org)