Наука и техника

Доктор философии в области физики К. ЗЛОСЧАСТЬЕВ. (Национальный автономный университет Мексики, Институт ядерных исследований, кафедра гравитации и теории поля).

"Пятый элемент": история и современный взгляд.Противоречит ли эфир теории относительности Эйнштейна? Гипотеза эфира, "пятого элемента" некой невидимой субстанции, наполняющей Вселенную, господствовала в философии и науке более чем две тысячи лет - до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою первую работу по теории относительности (ТО). Из теории, в частности, следовало, что эфир - вещь для электродинамики в принципе необязательная, и лезвие бритвы Оккама неприятно сверкнуло над горлом некогда столь незыблемого "пятого элемента". Эксперименты Майкельсона - Морли и их последователей (кстати, продолжающиеся и в настоящее время) не выявили каких-либо проявлений эфира, и теории, которые на нем базировались, постепенно перекочевали со страниц серьезных научных изданий в труды непризнанных гениев-изобретателей, поэтов, бродячих философов и оккультных служителей лохотрона, где и деградировали окончательно. Но не рано ли зачитан некролог, а что, если пациент скорее жив, чем мертв? Эта статья о направлении в фундаментальной физике, которое стало особенно популярным в последние два-три года, - о гипотезе релятивистского эфира (Einstein Aether) и нарушении Лоренц- и cpt-инвариантности, то есть о теоретических предсказаниях и экспериментальных поисках отклонений от теории относительности и Стандартной модели.

ЕХАЛ ГРЕК А. ЧЕРЕЗ РЕКУ

Первоначально словом эфир (aether) в греческой мифологии обозначали "божественно чистый свежий воздух", находящийся высоко в небе и доступный для дыхания лишь живущим в нем богам, в отличие от обыкновенного воздуха (aer), которым дышат простые смертные. Древние греки ассоциировали эфир с одноименным божеством, сыном богини ночи Никс и ее брата - первобога тьмы Эребуса. Позднее Аристотель (384-322 до н. э.) ввел эфир как пятый элемент (квинтэссенция ) в систему классических элементов (изначально четырех: земля, воздух, вода и огонь), изобретенную Ионической философской школой. Он мотивировал свое нововведение тем, что четыре земных элемента находятся в непрерывном изменении и могут двигаться по прямым линиям, тогда как небесные тела казались ему вечными и неизменными и двигались исключительно по округленным траекториям. Таким образом, эфир в представлении Аристотеля не имел обычных физических свойств и какой-либо внутренней структуры, не был подвержен изменениям и двигался исключительно по окружностям.

[div align=center]
Французский физик и математик Рене Декарт (1596-1650) ввел понятие "тонкой материи", некий аналог эфира древности. Каждое тело, по Декарту, находится внутри вихря "тонкой материи" и окружено другими вихрями, которые прижимают его к центру, создавая вес тела, то есть тяжесть. На рисунке из трактата "Мир" показана Солнечная система (в центре), окруженная вихрями "тонкой материи".[/div]
В Средние века философы-схоласты, Роберт Флудд (1574-1637) и другие, дополнительно наделили эфир плотностью, при этом разумно предположив, что плотность вещества, из которого сделаны небесные тела, должна быть больше плотности эфира. Парадокса, что более плотные тела могут столетиями столь устойчиво "плавать" в менее плотном эфире, похоже, никто не заметил, а может, все списали на божественную силу, понимание которой недоступно простым смертным.

НОЧНОЙ ЗЕФИР СТРУИТ ЭФИР

Скудость эмпирической информации об эфире вкупе с его изначально божественным происхождением сделали эфир своего рода мистическим идолом человеческой цивилизации и "красным словцом" литературы, будоражащим беспокойные умы и поныне. Наиболее поэтически настроенные из них не смирились с отсутстви ем наблюдаемых данных о предмете познания и решительно двинулись вперед. Одни сразу же наделили эфир богатой внутренней структурой, имеющей первостепенное значение для зарождении Вселенной:

И над вами сиять
будет вечно подвижный эфир,
Полный ангельских крыл,
Создающих пространство и пламя.
А. Шохов

Автор, впрочем, не вдавался в разные несущественные детали, например, откуда берется энергия на такого рода спецэффекты и почему мы их на данный момент не видим. Другие занялись вопросами рождения-уничтожения и вообще измерения эфира как такового:

И возрождают вновь эфир
Всевышним посланные бури...
Нет меры и предела нет
Эфиру, коим мир одет...
В. Кюхельбекер

При этом Вильгельм Карлович, естественно, не уточнил, какие именно бури имеются в виду, какое математическое определение меры и предела используется и т. д. Третьи попытались заняться исследованием геометрических характеристик эфира:

И райский свет, и воздух, и эфир,
И текстов Неба ангельские строчки
Оберегают наш с тобою мир
Подобием овальной оболочки.
Л. Никонова

Эти авторы натолкнулись на значительные трудности топологического плана.

Другая группа поэтов-"исследователей" обратилась к изучению физико-химических свойств космического эфира, например, его вибрационных характеристик (сделав при этом ряд правильных выводов, хотя логически не совсем понятным образом):

Горит звезда, дрожит эфир,
Таится ночь в пролеты арок.
Как не любить весь этот мир,
Невероятный Твой подарок?
В. Ходасевич

и его агрегатного состояния:

Таков наш безначальный мир.
Сей конус - наша ночь земная,
За ней - опять, опять эфир
Планета плавит золотая...
А. Блок

Александр Александрович, к сожалению, не уточнил ни температуру плавления, ни прочие параметры фазового перехода предположительно твердого (аморфного? кристаллического?) эфира. Естественно, что эта гипотеза встретила "возражение" других "исследователей", утверждающих, что эфир в нормальных условиях на самом деле находится в жидком состоянии, близком к точке кипения, то есть в состоянии перехода в газ:

Эфир кипит!
Никто не спит!
И. Федина

Автор напоминает о необходимости быть бдительным и не позволять темному облаку непроверенных теорий заслонять солнце истины.

Было также "исследовано" возможное влияние эфира на метеорологические свойства атмосферы и сезонные изменения климата:

Порхает, взлетает, стремится в движенье:
Подвижно-живое чуждается стай.
Пусто, величаво, как диво творенья,
Эфир первородный, рождающий май.
В нем остов не плотный,
но дух без прерывов.
Все сжато снаружи, раздельно внутри.
В нем самобогатство ритмичных порывов,
Без тучки и дымки парит он вдали.
Хуан Юэ

Но сложности с предсказанием погодных явлений были слишком велики, чтобы сделать какие-либо конкретные выводы, что и было замечено одним японским поэтом, имя которого история умалчивает:

Пьянящий аромат травы
После дождя
На луг стрекозы полетели…

Наконец, третья группа "исследователей" оптимистично предположила, что эфир - субстанция по определению здравомыслящая и, возможно, не лишенная музыкального слуха и даже некоторой душевности, ибо

В великий час рождения вселенной,
Когда извлек Всевышний перст
Из тьмы веков эфир одушевленный
Для хора солнцев, лун и звезд…
А. Полежаев (авторская лексика сохранена)

Поэтому лучший способ узнать что-нибудь об эфире - спросить его самого, пойти на прямой контакт, как делают все разумные существа. Начало было многообещающим:

Я дозвонился в эфир,
Эфир наполнен тобой.
Я пью холодный кефир.
Играет нежный гобой.
И. Клиновой

Впоследствии по неизвестным причинам канал связи был безвозвратно утерян, и установить личность существа, наполняющего эфир, и процент самой наполняемости сейчас представляется невозможным. Роли охлажденного кисломолочного продукта и музыкального инструмента в этом процессе также остались невыясненными. Дальнейшие попытки контакта неизменно оканчивались провалом:

Бессловесен эфир меж тобою и мною.
На столе - стеариновый отсвет луны…
А. Габриэль

Но я, затерянный в кудрях
травы летейской,
я, бурей брошенный в эфир глухонемой…
В. Набоков

И разочарованные исследователи даже стали подозревать эфир в подготовке заговора против человечества:

…бесконечный эфир, через который мы несемся […] навстречу неведомому концу, какой-то ужасной катастрофе, подстерегающей нас на последней грани пространства, где мы низвергнемся в какую-нибудь эфирную Ниагару…

Артур К. Дойл. Отравленный пояс

В общем, этот путь не прибавил "исследователям" ни бодрости, ни оптимизма:

Темь-пустота, безликий эфир.
Жизнь - короткая, как доска,
Чего же еще ты хочешь искать?
А. Мансветов

А у некоторых, в конце концов, он даже спровоцировал мысли об уходе из жизни:

Когда же ласточкой взовьюсь я
В тот лучший мир,
Растаю и с тобой сольюсь я
В один эфир…
А. Одоевский

Это не могло не обеспокоить общественность. К счастью, человечество уже приходило к осознанию того, что понимание природы эфира и даже просто само доказательство или опровержение его существования невозможны без предварительного понимания природных явлений, затрагивающих остальные четыре первоэлемента - те, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни:

Что зыблет ясный ночью луч?
Что тонкий пламень в твердь разит?
Как молния без грозных туч
Стремится от земли в зенит?
Как может быть, чтоб мерзлый пар
Среди зимы рождал пожар?..
Иль в море дуть престал зефир,
И гладки волны бьют в эфир.
Сомнений полон ваш ответ
О том, что окрест ближних мест.
Скажите ж, коль пространен свет?
И что малейших дале звезд?
Неведом тварей вам конец?
Скажите ж, сколь велик творец?
М. Ломоносов

Такая постановка вопроса в свою очередь подразумевает необходимость создания четкой и последовательной структуры мироздания. По времени это совпало с появлением физики - науки о природе, которая должна была стать более мощным инструментом познания наблюдаемой Вселенной, чем мифология, религия и философия, вместе взятые.

ЭФИР, ВЕЗДЕ ОДИН ЭФИР

С открытием Ньютоном законов классической механики началась эра теоретической физики - математической науки, которая позволяла предсказать или отвергнуть возможность существования того или иного феномена до начала попыток его наблюдения и/или соответствующего эксперимента. Люди осознали, что получили интеллектуальный инструмент для исследования того, чего могло и не быть. Однако предположение, что эфир все-таки может существовать, толкал их на разработку теорий, объясняющих те или иные явления с помощью эфира.

Эфир Ньютона. Классическая механика Ньютона легко отняла у Аристотелевой теории "вихревого эфира" статус теории, объясняющей планетарное движение, но полностью отвергнуть эфир Ньютон не смог. Во-первых, классическая механика сама по себе содержала концепции абсолютно го пространства и абсолютного времени, и предполагалось, что взаимодействия между телами распространяются мгновенно. В этом случае эфиром можно было назвать как само абсолютное пространство и время (выделенную систему отсчета - СО*), так и механическую среду, по которой распространяются гравитационные и электромагнитные взаимодействия.

Действительно, в выражение для силы Лоренца, действующей на электрически заряженную частицу в магнитном поле, входит скорость этой самой частицы. Вопрос: скорость частицы относительно чего, то есть, в какой системе отсчета? Значит, необходимо либо найти ту единственную "истинно верную" СО, относительно которой надлежало делать все расчеты, либо перестать считать понятие трехмерного вектора силы фундаментальным (Эйнштейн пойдет по второму пути и добьется подлинного понимания, но до этого должно еще пройти двести лет господства нерелятивистской механики и эфира).

Во-вторых, в попытке дать единое описание света, вещества и гравитации Ньютон пишет книгу "Optiks", где эффекты влияния гравитации и вещества на свет объясняются изменениями скорости света (напоминаем, что скорость света постоянна только в вакууме), в свою очередь обусловленными изменениями плотности эфира. Согласно его теории, частицы света (Ньютон уже тогда предполагал, что свет имеет не только волновую, но и корпускулярную природу!) отклоняются в сторону более высокой плотности или в сторону более сильно притягивающей массы.

Как бы то ни было, теория ньютоновского эфира окончательно рухнула после того, как выяснилось следующее. Во-первых, Ньютон ошибочно предполагал, что свет в веществе притягивается к областям, где он имеет более высокую скорость; во-вторых, величина эффекта "красного смещения" (увеличение длины света при прохождении в окрестности массивного тела), посчитанная согласно теории, отличалась от экспериментально измеренной чуть ли не в два раза.

Светоносный эфир. Джеймс Максвелл в 1864 году выводит свои уравнения, объединившие электричество и магнетизм, и утверждает, что свет есть электромагнитная волна, которая может распространяться в вакууме исключительно с фиксированной скоростью - 310 740 км/с. В механике Галилея - Ньютона это могло выполняться только в какой-то одной системе отсчета, и поэтому такая гипотетическая выделенная система отсчета была объявлена сопутствующей эфиру как среде, в которой распространяется свет. Таким образом, эфир должен быть неподвижен и одинаков в любой точке наблюдаемой Вселенной, иначе скорость света должна изменяться в пространстве. Теоретические расчеты и существующие на то время экспериментальные данные уже позволяли сказать, какими свойствами должен обладать светоносный эфир, чтобы удовлетворять всем требованиям теории. Эти свойства оказались совершенно сверхъестественными: он должен быть текучим, как жидкость или газ, чтобы равномерно наполнять пространство, и вместе с тем в миллион раз тверже, чем сталь, чтобы поддерживать высокие частоты электромагнитных волн. Кроме того, эфир должен быть безмассовым и с нулевой вязкостью, чтобы минимизировать собственное влияние на орбиты планет, а также полностью прозрачным, несжимаемым, нерассеивающим и непрерывным вплоть до самых малых масштабов. Такой эфир выходил за все рамки здравого смысла и становился вопросом веры.

КАРЕТА ПОДАНА, СЭР!

Девятнадцатый век поднял технологию на новую ступень и освободил человечество от многих догм прошлого. Физики тоже расширили свои экспериментальные возможности, с успехом использовав новые технологии для получения ответов на вопросы, ранее считавшиеся недоступными для рационального объяснения. Существование глобального светоносного эфира было едва ли не самым важным из них…

Земля движется по орбите со скоростью около 30 км/с; таким образом, она должна ощущать "эфирный ветер", угол падения и величина которого в заданной точке поверхности планеты станут меняться в зависимости от времени года и суток. Влияние эфирного ветра на свет должно быть подобно влиянию обычного ветра на звуковые волны, то есть скорость распространения света в различных направлениях будет различной, согласно нерелятивистскому закону сложения скоростей.

[div align=center]
Эфир и Солнечная система. Угол между осью вращения Земли и направлением эфира должен непрерывно меняться. [/div]
В 1881-1887 годы Альберт Майкельсон (Michelson) и Эдвард Морли (Morley) осуществили один из наиболее важных экспериментов в истории физики, идея которого используется до сих пор из-за достигаемой высокой точности. Луч света из источника попадает на частично посеребренное зеркало, где разделяется на два луча (обозначенные на рисунке зелеными и синими стрелками), которые направляются в разные стороны. Там они отражаются от зеркал (отстоящих от центрального на одинаковом расстоянии) и в конце концов попадают в один детектор - экран. Если скорость света различна в этих двух направлениях, то один из лучей должен прийти с запаздыванием, и в детекторе должна наблюдаться интерференционная картина**.

[div align=center]
Интерферометр Майкельсона - Морли. Если эфир существует, он должен воздействовать на два луча (обозначенные синим и зеленым цветом) по-разному и таким образом создавать анизотропию.[/div]
Эксперимент показал, что никаких сезонных эффектов не наблюдается. И даже если эфир существует, его скорость относительно прибора не может превышать 8 км/с. Последующие эксперименты подобного рода, проведенные в XX веке Миллером (Miller), Томашеком (Tomascheck), Кеннеди (Kennedy), Иллингворсом (Illingworth), Пиккардом (Piccard), Стаелем (Stahel), Джусом (Joos), Таунсом (Townes) и другими, к 1959 году снизили этот порог до 25 мм/с. Наконец, эксперимент Брилле - Холла (Brillet - Hall), проведенный в 1979 году, поставил рекорд: разница между скоростями двух лучей, испущенных гелий-неоновым лазером в противоположных направлениях, не превышала по порядку величины одной тысячной миллиметра в секунду. Но в принципе все было понятно задолго до 1979 года: в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил устранить парадоксы электромагнетизма, отказавшись от гипотезы абсолютного пространства, абсолютного времени и силы, мгновенно передающейся на расстояние. Механику Ньютона и теорию относительности Галилея вобрала в себя релятивистская теория относительности, эфир стал не нужен и был отправлен в изгнание.

(Окончание следует.)

Комментарии к статье

* Системой отсчета называется система линеек (координат) и часов для измерения соответственно пространственных и временных интервалов между событиями.

** Интерференция возникает, когда два монохроматических луча света приходят со сдвигом по фазе. Тогда их накладывающиеся амплитуды (а значит, и светимости) могут то усиливать, то гасить одна другую, что создает чередование темных и светлых полос или кругов на экране.

http://nkj.ru