Матвей Петрович Бронштейн

Френкель Виктор Яковлевич

М. П. Бронштейн. Эфир и его роль в старой и новой физике [69]

Судьбы физических теорий, как судьбы людей, пестры и разнообразны. Они отличаются друг от друга и продолжительностью жизни, и быстротой, с которой им удается занять в науке прочное положение, и широтой охватываемой ими области физических явлений, и упорством, с которым они отстаивают свое существование под напором новых, настойчиво требующих истолкования фактов. Но из всех теоретических построений физики вряд ли найдется хотя бы одно, которому выпало на долю больше странных и неожиданных превратностей, чем гипотезе эфира — одной из древнейших и важнейших физических гипотез. Эфир, как Протей, принимал всевозможные формы, подчинял своему владычеству все новые и новые области физики, расцветал и снова хирел (один раз

был даже вовсе «упразднен»), одному поколению казался «более реальным, чем вода и воздух», а другому — «старым хламом, который нужно сдать в архив, как сданы туда флогистон и теплород». Каждая эпоха в истории физики имела свой особенный эфир; и от столетия к столетию эфир проносил неизменным только свое мистически звучащее имя и неограниченную претензию быть основным субстратом более или менее всеобъемлющей группы физических явлений.

69

Человек и природа. 1929. № 16, С. 3-9.

Эфир родился в блестящих, хотя и не всегда научных спекуляциях философов античной Греции. В эти дни своей молодости эфир не исполнял никаких специальных обязанностей: не было ни одной конкретной области физических явлений, которую бы он был призван объяснять. Но он был нужен, как «пятая стихия», которую необходимо было добавить к известным четырем (земля, вода, воздух и огонь), чтобы иметь возможность производить их от общего корня и тем самым внести мнимую простоту в подавляющую сложность явлений внешнего мира.

Таким «философским эфиром» античный эфир оставался очень долго, и даже еще для Ньютона существование эфира было скорее философской аксиомой, чем физической теорией. Пресловутое «действие на расстоянии», т. е. возможность для тела вызывать своим присутствием, без помощи промежуточной среды, действие сил в точках пространства, в которых само тело не находится, претило здравому смыслу Ньютона в такой же мере, как и философскому гению Декарта и Лейбница. Вот почему Ньютон протестовал против такой возможности, столь любезной епископу Беркли, и считал ее философски нелепой, полагая, что все такие мнимые «действия на расстоянии» (тяготение, взаимодействия намагниченных или наэлектризованных тел) должны в конечном счете объясняться действием промежуточной среды, которую он называл эфиром. Но, по мнению Ньютона, было еще слишком рано заниматься рассмотрением механизма такой передачи действия через эфирную среду, как это делал, например, Декарт, объяснявший движение планет увлекающим их эфирным вихрем. Поэтому Ньютон ограничивался математическим описанием «действий на расстоянии» и, допуская существование эфира, «не придумывал гипотез» о его физической природе.

Совершенно иначе относился к гипотезе эфира гениальный современник Ньютона Христиан Гюйгенс, который дал эфиру специальную физическую службу, заставив его объяснять оптические явления. Созданная Гюйгенсом гипотеза «светового эфира», мыслившегося в виде упругой материальной среды, через которую могут проноситься волны сжатия и разрежения, воспринимаемые нами, как световые явления, вела больше столетия неравную борьбу с ньютоновской корпускулярной теорией света (гипотезой истечения).

Только во второй четверти XIX в., после того как Юнг и Френель исследовали целый ряд явлений (интерференция, дифракция, поляризация света), легко объясняемых гипотезой о волнах в эфире, но почти не поддающихся истолкованию на почве гипотезы истечения, теория упругого светового эфира восторжествовала над своей соперницей (окончательным торжеством теории волн был опыт Физо, измерившего скорость света в воде и нашедшего, что она, в противность теории истечения, меньше, чем в воздухе). При этом пришлось отказаться от предположения Гюйгенса, что волны света суть продольные волны разрежения и сжатия, вполне аналогичные волнам, распространяющимся в газообразных телах (например, звуковым волнам); явления поляризации света могли быть объяснены лишь допущением, что световые волны являются поперечными волнами, как те поперечные упругие волны, какие могут распространяться лишь в телах, сопротивляющихся изменению своей формы, т. е. в упругих твердых телах.

Так возникла теория «твердого» эфира — чрезвычайно разреженной и вместе с тем необыкновенно упругой твердой среды, заполняющей все пространство Вселенной и пронизывающей все промежутки между атомами тел, оказывая при этом лишь самое ничтожное и не поддающееся измерению сопротивление движению этих тел. Построенная на этих предположениях «механическая теория света» является одним из наиболее глубокомысленных созданий человеческого гения; но и она оказалась бессильной справиться с вставшими перед ней затруднениями.

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.