Чтение онлайн

Первое из таких затруднений заключалось в следующем: обычные упругие твердые тела сопротивляются не только изменению своей формы, но также и изменению объема. Поэтому через них могут распространяться не только, поперечные волны, но и продольные волны сжатия и разрежения, как в жидкостях и газах. Возникает вопрос: почему в световом эфире не наблюдаются явления, соответствующие распространению продольных воли? Помешать такому распространению могли бы только два обстоятельства: или эфир не обладает никакой упругостью по отношению к изменениям объема, т. е. при его сжатии или разрежении в нем вовсе не возникают силы, сопротивляющиеся такому сжатию или разрежению; или же в эфире никакие сжатия или разрежения вообще невозможны. Первое предположение соответствует беспредельно сжимаемому эфиру, второе — абсолютно несжимаемому.

Теорией абсолютно несжимаемого эфира занимался английский математик Джордж Грин. Получить наглядное представление об эфире Грина возможно, сравнив его с каким-либо твердым телом, у которого сопротивление изменению объема чрезвычайно велико по сравнению с сопротивлением изменению формы. Таков, например, каучук или в особенности желатина. Несжимаемый эфир Грина соответствует предельному случаю бесконечно большой скорости распространения продольных колебаний. Теория Грина встретила ряд возражений. В частности, оказалось, что эта теория приводит к расходящемуся с опытом результату в вопросе об изменении интенсивности и состояния поляризации в отраженных и преломленных лучах по сравнению с лучами падающими.

Поэтому в 80-х годах прошлого века лорд Кельвин разработал теорию беспредельно сжимаемого эфира (вторую из упомянутых возможностей). И в этой теории встречаются серьезные затруднения. Важнейшим является то, что эфир, не оказывающий никакого сопротивления сжатию, должен быть механически неустойчив. Такая неустойчивость могла бы быть устранена, если предположить, что эфир неподвижно укреплен на каких-то границах. Простейшую модель такого эфира представляла бы пена, заключенная в сосуде, к стенкам которого она прилипает и который не содержит воздуха. Однако трудно предположить, чтобы в природе могло быть нечто вроде гигантского ящика, заключающего всю звездную Вселенную, к стенкам которого неподвижно прикреплен эфир. Поэтому и эфир Кельвина, соответствующий предельному случаю бесконечно малой скорости продольных волн, тоже не может считаться удовлетворительным средством механического объяснения световых явлений. Насколько неопределенными были взгляды самого Кельвина на этот вопрос, показывает то обстоятельство, что наряду с теорией упругого твердого, беспредельно сжимаемого эфира он разрабатывал также вихревую теорию атомов, согласно которой атомы вещества представляют собой вихри в некоторой среде, называемой им эфиром и обладающей свойствами не упругого твердого тела, а идеальной (т. е. лишенной вязкости) жидкости. Свойства вихревых колец в идеальной жидкости были математически исследованы Гельмгольцем, который показал, например, что такие вихри, раз образовавшись, не могут уничтожиться (что, по Кельвину, представляет истинный смысл закона сохранения вещества).

Разумеется, эфиру было очень трудно справляться сразу с таким количеством обязанностей (объяснение световых явлений, объяснение свойств атомов), тем более, что со времен Фарадея (т. е. с середины прошлого века) на обязанности эфира лежало также механическое истолкование обширнейшей области электрических и магнитных явлений. Когда Клерк Максвелл «перевел взгляды Фарадея на математический язык», на основе его математической теории выросла «электромагнитная теория света», трактовавшая свет как переменное электромагнитное поле. Важнейшие свойства световых явлений смогли быть выведены из уравнений электромагнетизма («уравнений Максвелла»), и с тех пор различные задачи объяснения оптических и электромагнитных явлений стали одной и той же задачей. В своем знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме» Максвелл показал, что в известных пределах возможно обойтись и без детальной модели эфира, сделав лишь несколько общих предположений о механической природе электромагнитных явлений. Важнейшим является то, что электрическая энергия считается потенциальной энергией упругих деформаций эфира, а магнитная энергия — кинетической энергией происходящих в эфире движений. Это соответствует и предположению Фарадея, считавшего электрическое поле системой натяжений в эфире, а магнитное поле — системой вихревых движений.

Такой эфир, по мысли Максвелла, может рассматриваться, как механизм со скрытыми частями. Это значит, что не все величины, определяющие собой расположение частей механизма, могут быть наблюдены или измерены. Некоторые из этих величин, называемых условно «координатами» механизма, доступны измерению, другие измерению недоступны, но зато у некоторых из этих последних может быть измерена быстрота их изменения во времени. Максвелл полагал, что механизм эфира обладает свойствами, позволяющими в ряде случаев изучать с помощью обычной механики законы изменения во времени доступных измерению величин (т. е. законы движения явных частей механизма), не зная ничего о скрытых его частях.

Максвелл предлагает такую аналогию: пусть имеется какая-то машина в запертой комнате, соединенная с веревками, концы которых свешиваются через отверстия в полу в другую комнату в нижнем этаже. Человек, вошедший в нижний этаж, не может видеть самой машины, но, дергая за одну из веревок, замечает, что и другие веревки при этом приходят в движение; отсюда он заключает о существовании какого-то соединяющего их механизма. Скрытые части этого механизма недоступны его наблюдению, но он в состоянии прийти к некоторым выводам относительно веревок (которые можно трактовать, как явные части того же самого механизма), если только он допустит, что скрытые части подчиняются законам механики. Так, например, он находит из опыта, что при опускании конца веревки А на один дюйм, конец веревки Б поднимается на два дюйма. Механизм, соединяющий веревки А и Б, может быть различен (это мог бы быть рычаг, или блок, или даже часовой механизм), но если только он подчиняется законам механики, то можно заранее сказать, что груз, подвешенный к веревке А, может быть уравновешен вдвое меньшим грузом, подвешенным к веревке Б (это следствие основного закона статики — так называемого «начала возможных перемещений»).

Уравнения электромагнитного поля также трактовались Максвеллом как результат применения законов механики к эфирному механизму, многие части которого скрыты. Одно время могло казаться, что такой способ трактовки электромагнитных явлений обещает много плодотворных результатов, но через некоторое время разразился кризис, разрешившийся уже только в начале нынешнего столетия.

Этот кризис, из которого эфир вышел потерявшим свою материальную природу (а по мнению некоторых, даже и вовсе не вышел живым), возник в связи с изучением электромагнитных (и в том числе оптических) явлений в движущихся телах. Задача, которая привела к такому кризису, заключалась в определении той скорости, с которой наша планета движется сквозь предполагаемую эфирную среду. Принципиальная возможность определения этой скорости вытекает из того обстоятельства, что если эфир представляет материальную среду, то электромагнитные и оптические свойства тела, движущегося сквозь эту среду, не могут быть по всем направлениям одинаковыми.

Представим себе утку, плывущую по поверхности пруда и периодически ударяющую по поверхности воды лапкой. От лапки во все стороны по воде бегут волны. Эти волны представляют собой бегущие по воде круги, но ясно, что сама утка не будет в центре такого круга. В самом деле, пока вызванное ударом утиной лапки волнение дойдет до окружности круга, утка успеет передвинуться на некоторое расстояние и будет поэтому ближе к одному краю круга, чем к другому. Это значит, что перемещающийся гребень волн будет по одному направлению дальше отстоять от утки, чем по другому, т. е. что скорость распространения волны относительно утки будет по одному направлению иная, чем по другому. Это заключение основано на том, что утка перемещается относительно воды, а не увлекает ее с собою, и на том, что волнение, вызванное движущейся уткой, распространяется по поверхности воды с такой же скоростью, как если бы утка была неподвижна. Если удастся оба эти положения распространить и на световые волны (источник света играет роль утки), то можно было бы утверждать, что скорость света от движущегося источника, измеренная по отношению к этому источнику, должна быть различна по разным направлениям. Посмотрим, можно ли в самом деле распространить эти утверждения на эфир. Увлекается ли эфир движущимися телами? Иными словами, прибавляется ли к скорости света, распространяющегося в движущейся среде, скорость этой среды? Этот вопрос был исследован еще Френелем, который вывел теоретически, что к скорости света, распространяющегося в движущейся среде, прибавляется не вся скорость среды, а часть ее, зависящая от показателя преломления этой среды. Если показатель преломления равен единице, что практически имеет место для воздуха, то прибавляющаяся к скорости света часть скорости среды обращается в нуль, т. е. эфир в этом случае не увлекается вовсе. Справедливость формулы Френеля проверил на опыте Физо, который измерял скорость света в движущейся воде (подразумевается скорость света не по отношению к воде, а по отношению к источнику света, находящемуся вне струи воды, т. е. неподвижному). Вывод Френеля может быть подтвержден также из рассмотрения явления аберрации света, т. е. кажущегося смещения неподвижных звезд к той точке небесного свода, куда в данный момент направлена скорость движения Земли вокруг Солнца. Для телескопа, наполненного воздухом, справедливость формулы Френеля подтверждается астрономами, так сказать, еженощно; для телескопа же, наполненного водой, формула Френеля была подтверждена лишь в 1871 г. английским физиком Эйри. Так как в дальнейшем мы предполагаем распространение света в воздухе, то можем считать, что эфир при движении не увлекается.

Второй вопрос, который нужно решить, чтобы знать, имеем ли мы право применять к оптическим явлениям то, что выше было выведено для случая плывущей утки, состоит в том, зависит ли от движения источника скорость его света, измеренная по отношению к среде, относительно которой источник движется. Волновая теория света отвечает на этот вопрос отрицательно, но окончательным судьей может быть только физический опыт или астрономическое наблюдение. Ведь волновая теория света в конце концов не является обязательным догматом, и еще в этом столетии швейцарский физик В. Ритц предлагал так называемую «баллистическую гипотезу», согласно которой скорость источника прибавляется к скорости света для луча, вышедшего по направлению движения источника, и вычитается в случае обратного направления (баллистической гипотеза называется потому, что таким же точно образом влияет скорость движения артиллерийского орудия на скорость вылетающего из него снаряда). Гипотеза Ритца была опровергнута голландским астрономом де Ситтером, который указал на то, что в случае ее справедливости происходило бы кажущееся вытягивание орбит двойных звезд по направлению к Земле, вследствие чего большие полуоси этих орбит были бы направлены преимущественно к Земле, чего в действительности не наблюдается. Из этой работы де Ситтера и из некоторых других работ можно сделать заключение: скорость источника света не влияет на скорость распространения света в эфире. Таким образом, верно и то заключение, о котором мы сказали выше: скорость света, измеренная на движущейся Земле, должна быть разной по разным направлениям, и изучение этой скорости в различных направлениях позволит решить вопрос о направлении и величине скорости движения Земли сквозь эфир. Это верно в том случае, если эфирная среда представляет материальный океан, так что вообще имеет смысл говорить о перемещении Земли по отношению к такому океану.

Измерение скорости света в различных направлениях было осуществлено в знаменитом опыте Майкельсона (1881 г.). Здесь не место входить в детали описания этого опыта, тем более, что он общеизвестен; для нас важно лишь то, что из этого опыта вытекает равенство скорости света по всем направлениям, что противоречит сделанному выше выводу и делает невозможным обнаружение таким способом скорости Земли по отношению к эфиру. Другие попытки обнаружить эту скорость также кончились неудачей: из них назовем опыт Рэлея и Брэса, в котором нужно было обнаружить вытекавшее из теории двойное лучепреломление в воде, стекле и сероуглероде, вызванное движением Земли сквозь эфир (никакого двойного лучепреломления в действительности не наблюдалось); затем опыт Траутона и Рэнкина, которые так же тщетно пытались обнаружить другой предсказываемый теорией эффект движения Земли сквозь эфир, а именно изменение электрического сопротивления проволоки при изменении ее направления относительно направления предполагаемой скорости Земли; наконец опыт Траутона и Нобля, пытавшихся измерить скорость движения Земли сквозь эфир по тем силам, которые это движение должны вызвать в электрическом конденсаторе.

Все опыты, а также построенный на их основании Эйнштейном специальный принцип относительности приводят к заключению: скорость движения Земли сквозь эфир измерена быть не может, как будто все силы природы вступили между собой в заговор — скрыть от физиков величину и направление этой скорости. Итак тело, покоящееся в эфире, никакими способами не может быть отличено от тела, движущегося в нем. Но это бессмысленно, если эфир представляет материальную среду, части которой могут быть отличены друг от друга; движение относительно материальной среды не может быть эквивалентно покою в ней. Не желая, по-видимому, иметь дело с лишенным общеизвестных свойств материи эфиром, физики сделали вывод (по крайней мере, большинство из них), что эфира не существует вовсе! и что раз он не может быть найден из опыта (точней, не самый эфир, а покой в нем), то нет никакого смысла о нем говорить. По мнению Борна, это было началом того гонения на «принципиально ненаблюдаемые величины», которое в современной физике привело к созданию «матричной механики» Гейзенберга, Борна и Иордана и к тому, что физика теперь не решается говорить о такой, например, величине, как расстояние электрона до ядра в атоме (ибо расстояние для современного физика есть то, что измеряется линейкой, а даже сам тульский левша, который «аглицкую блоху на подковы подковал», не умудрится приготовить линейку для измерения расстояния электрона до ядра в атоме).