Светоносный эфир

Эфир (Светоносный эфир) — термин, обозначавший в истории физики гипотетическую всепроникающую среду, колебания которой обнаруживают себя как свет или электромагнитные волны.

История

В античные времена эфир понимался как «заполнитель пустоты», см. Эфир (стихия). Гипотеза о существовании светоносного эфира была выдвинута в 1618 году Рене Декартом.

После создания теории относительности стало ясно, что предположение о существовании эфира вовсе не обязательно, поскольку никаких разумных физических атрибутов приписать эфиру не удавалось. Эйнштейн предложил изменить смысл термина и понимать под эфиром физическое пространство Общей теории относительности, но большинство физиков предпочли просто упразднить этот термин. Часть учёных продолжали поддерживать концепцию светоносного эфира, выдвигали различные теории и пытались доказать их экспериментально. Однако неизменно оказывалось, что теория относительности и теории, на ней основанные, находятся в согласии с результатами всех наблюдений и экспериментов, в то время как многие эфирные теории не могли описать всю эту совокупность фактов.

В дальнейшем, при создании квантовой теории вещества и электромагнетизма (квантовой электродинамики) ситуация с практически исключительным применением абстрактно-полевого подхода не изменилась, и особой необходимости в привлечении понятия физического эфира не возникало, хотя некоторые предпосылки для возможного «возвращения эфира на новом уровне понимания», о котором говорил Эйнштейн, при этом незаметно и появились (не отразившись на терминологии). В частности, были сняты многие проблемы старой теории эфира XIX века в процессе понимания того, что вещество гораздо меньше отличается от электромагнитного поля, чем это казалось раньше, что сняло как вопросы о «сопротивлении эфира» движущимся в нём телам (ведь «тела» теперь можно стало считать такими же возбуждениями полей «вещества», как электромагнитные волны — возбуждениями электромагнитного поля), так и проблему различного преобразования для электромагнитного поля и вещества при смене системы отсчёта, бывшую камнем преткновения дорелятивистской физики (теперь уравнения движения того и другого очень похожи и соответствующие величины, естественно, преобразуются одинаково, о чём трудно было даже подумать в XIX веке, так как тогда считалось надёжно установленным, что «вещество» и «частицы» подчиняются совсем другим уравнениям, чем «поле» и «излучение»). С другой стороны, до настоящего времени каких-то наблюдаемых физических следствий применения концепции эфира, отличающихся от следствий обычных («не-эфирных») теорий, насколько известно, не обнаружено (по крайней мере, с надёжностью, внушающей хоть сколько-то заметную надежду по общепринятым в физике критериям). Однако полезность эфирных концепций (то есть использования более конкретных моделей, чем это было принято раньше) в новейшей физике, быть может, действительно в заметно изменившемся смысле, уже сейчас (пусть иногда и в довольно своеобразном и абстрактном контексте) утверждают такие вполне признанные теоретики, как Александр Поляков, и в этом смысле предсказание Эйнштейна уже в какой-то, пусть пока не в очень большой степени, начало сбываться.

Более подробно с историей эфира можно ознакомиться по приведённому ниже списку литературы.

Попытки построить не противоречающую эксперименту теорию эфира не только не утихают, но и испытывают в последние годы бурный всплеск, причём встречаются работы, очень различающиеся по качеству (см. например эфирную теорию Ацюковского). Подавляющее большинство эфирных теорий, подразумевающих явные наблюдаемые отличия от обычных квантово-полевых теорий, пытается объяснить лишь небольшой набор экспериментальных фактов, игнорируя противоречие со многими другими фактами. Множество примеров современных эфирных теорий можно найти в Интернете. В рецензируемых научных журналах они практически не появляются в связи с тем, что изъяны теорий обнаруживаются на стадии рецензирования. Те же варианты эфирных моделей или концепций, которые удовлетворяют обычным академическим критериям, видимо, как указано выше, не имеют на данный момент подтверждённых наблюдаемых отличий от обычого («не-эфирного») подхода.

Стоит отметить такую особенность многих эфирных теорий: видя их научную неконкурентоспособность (в описании экспериментальных фактов и математической непротиворечивости), их авторы пытаются вообще выходить из области науки, научного метода (см. подробнее статью Теоретическая физика), однако ценность их и там часто проблематична, особенно для тех из них, которые содержат явные ошибки.

Модели эфира

Исходя из того, что эфир является материальным носителем электромагнетизма, механика такого вида материи может быть представлена Уравнениями Максвелла, которые получаются обычными в механике способами, если функцию Лагранжа выбрать такой, как в электродинамике. Электродинамика в таком случае — это механика эфира.

В XIX веке многочисленные механические модели (электромагнитного) эфира были детально исследованы математически (см. Уиттекер). Некоторые из них при этом встречались с серьёзными трудностями при объяснении всего наблюдаемого набора свойств электромагнитного поля, однако другие оказывались в конечном итоге достаточно успешными (следует заметить, что взаимодействие электромагнитного поля с заряженным веществом представляет особую проблему, и этот аспект был в XIX веке значительно менее проработан, чем динамика свободного электромагнитного поля, да и сами подходы в этом аспекте более заметно отличались от позднейших). Надо заметить, что при формулировке электродинамики (получении полной системы уравнений движения электромагнитного поля) Максвеллом существенно использовалась по меньшей мере одна механическая модель эфира, что сыграло тогда в числе прочего и математическую роль: было сильным аргументом в пользу непротиворечивости теории Максвелла.

Механика эфира, казалось бы, принципиально отличается от механики сплошной среды обычного вещества. Суть дела в том, что оптические эксперименты показывают: скорость световой волны одинакова для наблюдателей, движущихся с разной скоростью или, как говорят, эфирный ветер не был обнаружен. Однако если механика вещества (его уравнения движения), с которым взаимодействует световая волна, в том числе вещества, из которого изготовлены экспериментальные установки, — ковариантны относительно тех же преобразований координат и времени, что и уравнения электродинамики, мы не сможем обнаружить наблюдаемых физических эффектов, отличающих движущуюся систему от неподвижной. В XIX веке понимание возможности последнего только начало постепенно формироваться, на некоторое время отодвинутое в тень формальным аксиоматическим подходом, однако сейчас это один из равноправных формально эквивалентных взглядов на физику (небольшие принципиально наблюдаемые расхождения могут быть, но пока, очевидно, надёжно не обнаружены; впрочем, их может и не быть вовсе).

Нужно признать, что геометрическая интерпретация лоренц-ковариантности (или лоренц-инвариантности), давая некоторую конкретную математически содержательную почву и осмысление этой инвариантности, достаточно усилило психологическую привлекательность аксиоматического подхода, характерного для СТО, стала для большинства физиков достаточной, чтобы долгое время не интересоваться всерьёз альтернативными (в хорошем смысле) точками зрения, довольствуясь простотой (отчасти — кажущейся) геометрико-аксиоматического подхода. Это соответствовало в целом и тенденциям математической моды начала-середины XX века.

И хотя формально могут быть эквивалентными -

— 1. Пространственно — временной геометрико-аксиоматический подход, — 2. Модельная («физическая») интерпретация, выделяющая преобразования Лоренца только тем, что они не приводят к усложнению записи уравнений,

— сейчас, по крайней мере по количеству сторонников, лидирует геометрия, «пространство-время». Это стало настолько общим местом с технической точки зрения, что, наверное, мало кто из теоретиков даже задумывается, пользуясь лоренц-инвариантностью.

При всём этом, упомянутый подход (2), отводящий преобразованиям Лоренца более скромную роль, ничуть не менее законен. Это заметил ещё Картан — в рамках геометрического же, но более общего подхода ОТО: он указал, что галилеевские преобразования с точки зрения ОТО не менее осмысленны и законны, чем лоренцовские, просто первые сохраняют метрику (что в ОТО, конечно, совсем не является необходимым).

А с точки зрения единой теории, которую физики стремятся и надеются получить, какой бы она ни оказалась, большинство вопросов об одинаковом поведении электромагнитного поля и других полей, в частности «полей вещества», просто теряет актуальность. Поэтому модели эфиров достаточно естественно возвращаются в физику, позволяя часто содержательно и математически обогатить её, являясь как бы дополнительной опорой мышления.

Эфир в современной физике

Несмотря на то, что многие физики, если не большинство, считают, современная физика не нуждается в гипотезе эфира (то есть по крайней мере формально в большинстве случаев без эфирных моделей можно обойтись или не принимать их в слишком прямом смысле, рассматривая не более, чем как полезную аналогию), она тем не менее не запрещает ему появляться в том или ином виде в неканонических теориях пространства-времени. Такой эфир, за счёт очень слабого взаимодействия с обычным миром, может приводить к некоторым явлениям, главным из которых является слабое нарушение лоренц-инвариантности теории. Такого типа гипотезы строятся и рассматриваются современной теоретической физикой. Ссылки на некоторые из этих моделей можно найти в SLAC Spires Database. Кроме слабо взаимодействующего с обычным физическим миром эфира, могут использоваться эфирные модели, слабо (в принципе, сколь угодно слабо) отличающиеся от обычных полевых моделей, в простейшем случае — когда последние являются непрерывным пределом первых.

Об использовании термина «эфир»

Термин «эфир» всегда оставался в быту, а так же, в применении к радиовещанию и телевидению и даже к сетевому соединению компьютеров («A. de Gouvêa, Can a CPT violating ether solve all electron (anti)neutrino puzzles?, Phys. Rev. D 66, 076005 (2002) (hep-ph/0204077) под «CPT-нарушающим эфиром» подразумевается лишь определённого вида члены в потенциале нейтринного лагранжиана. Иногда термин «эфир» используется в значении «физический вакуум» для того, чтобы подчеркнуть, что в рамках квантовой теории поля реальный физический вакуум не является абсолютной пустотой, но содержит так называемые нулевые колебания разнообразных полей. Также слово «эфир» может употребляться как эквивалент понятия, более традиционно обозначаемого термином «физическое поле» (или совокупность всех физических полей), при этом может подразумеваться потенциальная возможность обнаружения наблюдаемых отличий поведения такого поля от обычного (например, как описано в предыдущем параграфе), а может и не подразумевать; в последнем случае это практически полный синоним. Подход построения моделей полей в целом соответствует подходу XIX века, но может очень сильно отличаться в деталях и области применимости, не говоря уж об учёте последующего развития физики в целом (прежде всего, имеется в виду необходимость, так или иначе, квантового подхода); предельный же случай каждой такой модели практически всегда соответствует обычным уравнениям поля, хотя в принципе (теоретически) могут появляться существенные нетривиальные отличия.

Литература

• И. В. Терентьев, История эфира, Москва: ФАЗИС, 1999 г. 176 стр. ISBN 5-7036-0054-5. Рецензия на эту книгу.
• Э. Уиттекер, История теории эфира и электричества, Издательство: Регулярная и хаотическая динамика, 2001 г. 512 стр. ISBN 5-93972-070-6.
• А. М. Поляков, Калибровочные поля и струны
• Р. К. Надеев, Т. Р. Надеев. Эфир Вселенной. — М.: «Дом печати „Столичный бизнес“», 2009. — 524 с. ISBN 978-5-94289-043-8. Скачать книгу «Эфир Вселенной»

См. также

• Современные теории эфира
• Субстанция
• История физики
• Теплород
• Флогистон
• Механическая модель электродинамики
• Эфирная физика
• Относительность в теориях физики
• Световой эфир
• Эфиромеханическая теория