Что значит эфир в физике
Эфир (физика)
В конце XIX века в теории эфира возникли непреодолимые трудности, вынудившие физиков отказаться от понятия эфира и признать электромагнитное поле самодостаточным физическим объектом, не нуждающимся в дополнительном носителе. Абсолютное пространство было упразднено специальной теорией относительности. Неоднократные попытки отдельных учёных возродить концепцию эфира в той или иной форме (например, связать эфир с физическим вакуумом) успеха не имели.
Содержание
История
Античные представления
Несколько более подробная картина изложена в трудах Аристотеля. Он также считал, что планеты и другие небесные тела состоят из эфира (или квинтэссенции), который есть «пятый элемент» природы, причём, в отличие от остальных (огня, воды, воздуха и земли), вечный и неизменный. Аристотель писал: «Солнце не состоит из огня; оно есть огромное скопление эфира; теплота Солнца причиняется действием его на эфир во время обращения вокруг Земли». Эфир также заполняет весь внеземной Космос, начиная со сферы Луны; из приведенной цитаты можно сделать вывод, что эфир Аристотеля передаёт свет от Солнца и звёзд, а также тепло от Солнца. Аристотелевское понимание термина переняли средневековые схоласты; оно продержалось в науке до XVII века.
Светоносный эфир Декарта (XVII век)
Гипотеза о существовании светоносного эфира была выдвинута в 1618 году Рене Декартом и развита в его «Началах философии» (1644). В соответствии со своей (картезианской) натурфилософией Декарт рассматривал эфир как «тонкую материю», подобную жидкости, механические свойства которой определяют законы распространения света. Эфир Декарта заполнял всё свободное от материи пространство Вселенной, однако не оказывал сопротивления при движении в нём вещественных тел. Надо отметить, что пустоты́ Декарт, как и Аристотель, не признавал, и параграфы 16 и 20 «Начал философии» («О том, что не может быть пустоты» и «О невозможности существования атомов») специально посвятил опровержению атомизма.
Учение Декарта о свете было существенно развито Гюйгенсом в его «Трактате о свете» (Traité de la lumière, 1690). Гюйгенс рассматривал свет как волны в эфире и разработал математические основы волновой оптики.
Развитие моделей эфира в XIX веке
Волновая теория света
Вначале теория Юнга была встречена враждебно. Как раз в это время было глубоко изучено явление двойного лучепреломления и поляризации света, воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной теории. Но тут в поддержку волновой модели (ничего не зная о Юнге) выступил Огюстен Жан Френель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций и математическую модель всех известных тогда свойств света (кроме поляризации), победил на конкурсе Парижской Академии наук (1818). Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков Пуассон выступил против теории Френеля, так как из неё следовало, что при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На следующем заседании Френель продемонстрировал членам комиссии этот эффект.
Оставалось понять механизм поляризации. Ещё в 1816 году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Юнг в это время тоже пришёл к такой идее. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. В 1822—1826 годах Френель представил мемуары с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни.
Модель Коши-Стокса
Интерес и доверие к концепции эфира в XIX веке резко возросли. Следующие (после 1820-х) почти сто лет обозначены триумфальным успехом волновой оптики во всех областях. Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что же представляет собой эфир?
Френель выдвинул гипотезу, согласно которой эфир несжимаем, но допускает поперечные сдвиги. Такое предположение трудно согласовать с полной проницаемостью эфира по отношению к веществу. Д. Г. Стокс объяснил затруднение тем, что эфир подобен смоле: при быстрых деформациях (излучение света) он ведёт себя как твёрдое тело, а при медленных (скажем, при движении планет) пластичен. В 1839 году Коши усовершенствовал свою модель, создав теорию сжимающегося (лабильного) эфира, позднее доработанную У. Томсоном.
Эфир и электромагнетизм
Химизм в попытках понимания эфира (Д. И. Менделеев)
В творчестве Д. И. Менделеева этот вопрос имеет непосредственное отношение к осмыслению им физических причин периодичности. Поскольку свойства элементов пребывают в периодической зависимости от атомных весов (массы), учёный предполагал использовать эти закономерности для решения настоящей проблемы, — определяя причины сил тяготения и благодаря изучению свойств передающей их среды. [18]
В одной из своих гипотез Д. И. Менделеев, руководствовался тем, что специфическим состоянием сильно разреженных газов воздуха мог оказаться «эфир» или некий неизвестный инертный газ с очень малым весом, то есть наилегчайший химический элемент. Учёный пишет на оттиске из «Основ химии», на эскизе периодической системы 1871 года: «Легче всех эфир, в миллионы раз»; в рабочей тетради 1874 года он более ясно высказывает свои соображения: «При нулевом давлении у воздуха есть некоторая плотность, это и есть эфир!». Но в его публикациях той поры эти мысли не нашли отражения. Открытие в конце XIX века инертных газов актуализировало вопрос о химической сущности мирового эфира. По предложению Уильяма Рамзая Менделеев включает в периодическую таблицу нулевую группу, оставляя место для более лёгких, чем водород, элементов. По мнению Менделеева, группа инертных газов могла быть дополнена коронием и легчайшим, пока неизвестным элементом, названным им ньютонием, который и составляет мировой эфир. Свои взгляды в апреле 1902 года он развёрнуто излагает в эссе «Попытка химического понимания мирового эфира» (опубликовано на английском языке в 1904 году, на русском — в 1905 году). В заключительной части этого труда Д. И. Менделеев пишет [18] [19] :
Представляя эфир газом, обладающим указанными признаками и относящимся к нулевой группе, я стремлюсь прежде всего извлечь из периодического закона то, что он может дать, реально объяснить вещественность и всеобщее распространение эфирного вещества повсюду в природе и его способность проникать все вещества не только газо- или парообразные, но и твёрдые и жидкие, так как атомы наиболее легких элементов, из которых состоят наши обычные вещества, всё же в миллионы раз тяжелее эфирных и, как надо думать, не изменят сильно своих отношений от присутствия столь лёгких атомов, каковы атомы х или эфирные. Понятно само собой, что вопросов является затем и у меня самого целое множество, что на большую часть из них мне кажется невозможным отвечать, и что в изложении своей попытки я не думал ни поднимать их, ни пытаться отвечать на те из них, которые мне кажутся разрешимыми. Писал не для этого свою «попытку», а только для того, чтобы высказаться в таком вопросе, о котором многие, знаю, думают, и о котором надо же начать говорить.
Трудности в теории эфира (конец XIX — начало XX века)
В 1728 году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: все звёзды описывают на небосводе малые круги с периодом в один год. С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение (при движении Земли вокруг Солнца) по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд. Френель, однако, допускал, что внутри движущегося вещества эфир частично увлекается. Эта точка зрения, казалось, нашла подтверждение в опытах Физо.
Максвелл в 1868 году предложил схему решающего опыта, который после изобретения интерферометра смог осуществить в 1881 году американский физик Майкельсон. Позже Майкельсон и Эдвард Морли повторили опыт несколько раз с возрастающей точностью, но результат был неизменно отрицательным — «эфирного ветра» не существовало.
В 1892 году Г. Лоренц и независимо от него Дж. Фицджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения, из-за чего «эфирный ветер» становится сложнее обнаружить. Оставался, однако, неясным вопрос — отчего длина сокращается в точности в такой степени, чтобы сделать обнаружение эфира (точнее, движения относительно эфира) невозможным. В это же время были открыты преобразования Лоренца, которые вначале посчитали специфическими для электродинамики. Эти преобразования объясняли лоренцево сокращение длины, но были несовместимы с классической механикой, основанной на преобразованиях Галилея. Анри Пуанкаре показал, что преобразования Лоренца эквивалентны принципу относительности для электромагнитного поля; он считал, что эфир существует, но принципиально не может быть обнаружен.
Физическая сущность преобразований Лоренца раскрылась после работ Эйнштейна. В статье 1905 года Эйнштейн рассмотрел два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света. Из этих постулатов сразу вытекали преобразования Лоренца (уже не только для электродинамики), сокращение длины и относительность одновременности событий. Эйнштейн указал в этой же статье на ненужность эфира, поскольку никаких разумных физических атрибутов приписать ему не удалось, а всё то, что считалось динамическими свойствами эфира, вобрала в себя кинематика специальной теории относительности (СТО). С этого момента электромагнитное поле стало рассматриваться не как энергетический процесс в эфире, а как самостоятельный физический объект.
Причины отказа от концепции эфира
Главной причиной, по которой физическое понятие эфира было отвергнуто, стал тот факт, что это понятие после разработки СТО оказалось излишним. Из других причин можно назвать противоречивые атрибуты, приписываемые эфиру: неощутимость для вещества, поперечная упругость, немыслимая по сравнению с газами или жидкостями скорость распространения колебаний и др. Дополнительным аргументом стало доказательство дискретной (квантовой) природы электромагнитного поля, несовместимое с гипотезой непрерывного эфира.
В своей статье «Принцип относительности и его следствия в современной физике» (1910) [26] А. Эйнштейн детально объяснил, почему концепция светоносного эфира несовместима с принципом относительности. Рассмотрим, например, магнит, движущийся поперёк замкнутого проводника. Наблюдаемая картина зависит только от относительного движения магнита и проводника и включает появление в последнем электрического тока. Однако с точки зрения теории эфира в разных системах отсчёта картина существенно разная. В системе отсчёта, связанной с проводником, при перемещении магнита меняется напряжённость магнитного поля в эфире, вследствие чего создаётся электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями, в свою очередь создающее ток в проводнике. В системе отсчёта, связанной с магнитом, электрическое поле не возникает, а ток создаётся прямым действием изменения магнитного поля на электроны движущегося проводника. Таким образом, реальность процессов в эфире зависит от точки наблюдения, что в физике недопустимо.
Попытки возврата в физику понятия эфира
Часть учёных и после 1905 года продолжала поддерживать концепцию светоносного эфира, они выдвигали различные альтернативные 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 эфирные теории не могли описать всю совокупность опытных фактов.
Термин эфир изредка используется в научных работах при создании новой терминологии. Так, например, в работе 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.
Более радикальные построения, в которых эфир выступает как субстанция (среда), вступают в конфликт с принципом относительности. Такой эфир за счёт очень слабого взаимодействия с обычным миром может приводить к некоторым явлениям, главным из которых является слабое нарушение лоренц-инвариантности теории. Ссылки на некоторые из этих моделей можно найти в SLAC Spires Database.
Лауреат Нобелевской премии по физике Роберт Б. Лафлин так сказал о роли эфира в современной теоретической физике:
Как это ни парадоксально, но в самой креативной работе Эйнштейна (общей теории относительности) существует необходимость в пространстве как среде, тогда как в его исходной предпосылке (специальной теории относительности) необходимости в такой среде нет… Слово «эфир» имеет чрезвычайно негативный оттенок в теоретической физике из-за его прошлой ассоциации с оппозицией теории относительности. Это печально, потому что оно довольно точно отражает, как большинство физиков на самом деле думают о вакууме… Теория относительности на самом деле ничего не говорит о существовании или несуществовании материи, пронизывающей вселенную… Но мы не говорим об этом, потому что это табу. [31]
Однако до настоящего времени не обнаружены какие-либо наблюдаемые физические явления, которые оправдали бы реанимацию концепции субстанционального эфира в какой-либо форме. Подавляющее большинство эфирных теорий пытается объяснить лишь небольшой набор экспериментальных фактов, игнорируя противоречие со многими другими фактами.
Использование термина «эфир» в культуре
Радио появилось задолго до того, как термин эфир вышел из научного употребления, и в профессиональной терминологии медиа-индустрии укоренилось немало связанных с эфиром словосочетаний: программа вышла в эфир, прямой эфир и т. п. Английская версия термина (Ether) присутствует во многих терминах электроники (например, «Ethernet»).
Теория эфира. Что объединяет Менделеева, Теслу и фон Брауна?
Несколько лет назад мне попалась на глаза одна любопытная книга малоизвестного американского исследователя. Он утверждает, что в возрасте 13 лет он гостил у друзей семьи и их соседа-астрофизика. Профессор работал на правительство США, расшифровывая технологию нацистской летающей тарелки, которая была доставлена в Нью-Мехико после 1945 года.
Теория эфира Менделеева
Дмитрий Иванович Менделеев зашёл в тему эфира со стороны химии. В своей работе «Попытка химического понимания мирового эфира» великий русский химик описывает ход своих мыслей по созданию химических элементов частиц эфира.
Теория эфира Николы Тесла
Вернёмся к эфиру. Марк Твен назвал Николу Теслу “повелителем молний”, а именно тем, кто укротил электричество и выделывал с этой стихией невообразимые даже для нашего современника фокусы. Эти поразительные вещи были возможны благодаря знанию теории эфира. Именно эфир стал тем паролем, под которым великий учёный заходил в консоль программы под названием “мировое электричество” и учился получать энергию фактически из воздуха. Его коллеги ни того времени, ни сейчас не могли и не могут повторить многих опытов Теслы. А всё потому, что они не использовали и не используют специальный пароль. Борьба с этим кодом доступа началась в начале XX века и шла на различным уровнях. Тесла стал одним из первых учёных, кто испытал это мощное научное, финансовое, информационное противодействие на себе.
Давайте назовём хотя бы несколько направлений разработок великого “электрика” всех времён и народов. Идей, которые смогли и сумели бы до неузнаваемости изменить, перевернуть образ жизни человечества:
беспроводная передача огромных объёмов энергии на большие расстояния;
летательные суперскоротные машины;
самолёты вертикального взлёта и приземления;
электро-двигательная система (турбина) с технологией “невидимого канат”;
электрический осциллятор мощностью 10 млн лошадиных сил;
дрессировка животных электричеством.
Это только малая часть. Подробнее о личности, жизни и изобретениях Николы Теслы можно узнать из статьи “Неразгаданные тайны Николы Тесла” на Крамоле.
Но учёный не стал останавливаться на проекте, который был выгоден банкирам, и пустил все имеющиеся возможности на работы по беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния, чтобы сделать электричество доступным каждому жителю Земли. С помощью своей чудо-башни Тесла мог таким образом наэлектролизовать пространств на несколько десятков километров вокруг, что ночной воздух сразу в нескольких американских городах светился, как днём, и горожане могли даже читать газеты на улице. Также свидетели рассказывали, что всё вокруг, и люди в том числе, покрывались светящимися ореолами. Когда Морган потребовал от Николы Теслы результатов работы и понял, что его деньги ушли не туда, финансирование всех исследований сербского учёного было заморожено. А коллеги банкира отказались вести с Теслой какие бы то ни было общие проекты.
Таким образом, мировое правительство раскусило планы “вдохновлённого пророка электричества” (по выражению Резерфорда) и сделало всё, чтобы Никола Тесла не смог продолжить свои испытания в области эфирных технологий.
В 1914 году учёный не смог заинтересовать американское правительство субмариной и электротехнологиями. В так и неопубликованной научной статье Тесла пишет:
“Мы должны немедленно поддержать разработку ЛЕТАЮЩИХ МАШИН И БЕСПРОВОДНОЙ МГНОВЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ всей мощью и ресурсами нации”.
Летательные аппараты
Вильям Лайн в одной из своих книг пишет, что в 1953 году своими глазами довольно близко видел в небе “летающую тарелку”. Тот факт, что днище этой суперскоростной машины было окружено обильными электрическими разрядами (которые он назвал “разрядами Теслы”), свидетельствовал об использовании такой “тарелкой” “эфирной” технологии. Лайн уверен: машина индикатировалась гироскопическими стабилизаторами, о которых ранее писал сербский гений. После смерти Теслы все его бумаги, чертежи с изобретениями и наработками бесследно исчезли из гостиничного номера, где жил учёный. Думаю, и так ясно, кто их “конфисковал”.
На страже нового феодального порядка
Резюмируя всю эту историю с использованием эфира Николой Теслой и другими заинтересованными лицами, хочется отметить следующее. Когда великий сербский гений создавал и продавал патенты на разработки с использованием энергии этой специфической среды, он вряд ли мог осознавать, что своими попытками сотрудничать с Морганами и другими западными банкирами автоматически ставит крест на своих “детищах”. Ведь Тесла фактически выходил на прямой контакт с теми, кто всегда и везде стремился бороться с технологиями, сделавшими бы жизнь простых людей лучше, прекратившими бы войны и катаклизмы.
Изобретения Теслы способны превратить человека во всемогущего бога, который может подчинить себе любую стихию. Представьте себе будущее, в котором нет голода, дефицита, экономических проблем, дефолтов, войн, конфликтов… Это совершенно другое общество, совершенно иная цивилизация! Вместе с тем, это страшный сон мировой элиты, и она готова пустить все средства, чтобы он никогда не сбылся.
В продолжение этой темы читайте о методах устранения теории эфира в статье Теория эфира: как продвигали ложь Эйнштейна.
Теория эфира
Во все времена лучшие умы человечества пытались понять основы мироздания. Постепенно наблюдая различные физические явления и ставя все более совершенные опыты, ученые накопили обширную теоретическую и практическую базу в объяснении физического устройства мира и к концу 19 века имели четкое представление о наличии какой-то невидимой материи, которая заполняет всю Вселенную.
Согласно теории у нее должны были присутствовать одновременно самые невероятные свойства, например, физическая структура как у твердого тела и возможность абсолютного проникновения во все тела без исключения. Так как ни под какую известную категорию данная материя не подпадала было принято решение назвать ее эфиром – универсальной средой, в которой передаются все виды излучений. Определиться, что же такое эфир и есть ли он вообще, ученые точно пока не могут, поэтому рассмотрим основные этапы развития теории эфира.
Теоретическое обоснование
То, что есть какая-то среда, без наличия которой теоретически и практически невозможно распространение электромагнитных полей стало понятно уже довольно давно. Так еще древнегреческие ученые считали, что существует отличающаяся от всей видимой Вселенной материя пронизывающая все пространство. Именно они придумали существующее и сегодня название – эфир. Они считали, что солнечный свет состоит из отдельных частичек – корпускул, и что эфир служит средой распространения этих частичек.
А колебания обязаны в чем-то распространяться – должна быть среда, в которой происходят колебания, иначе никаких колебаний получить невозможно. А раз свет – это волна, то чтобы она появилась, необходимо произвести эти колебания. Но там где нет материи, в которой можно вызвать колебания, там нет и волн – им просто негде распространяться, поэтому эфир обязан существовать.
Михаил Ломоносов и технологии будущего ⚡Энергия эфира. О чем вам не рассказывали в школе.
Мало того, если даже предположить, что свет – это частица, то не будь между Солнцем и Землей какой-то однородной среды, фотоны долетали бы до нас с разными скоростями в зависимости от величины излучаемой Солнцем энергии, но как известно все они прилетают с одной скоростью – скоростью света. А постоянство скорости распространения – это характеристика однородных сред.
Еще один пример наличия эфира – способность магнита притягивать металлические предметы. Если бы не было какой-то передающей волны среды то, металл притянулся бы к магниту только в момент их соединения, но на деле притяжение происходит на определенном расстоянии и чем больше сила магнита, тем больше получается расстояние, с которого начинается процесс притягивания, что соответствует наличию среды, в которой распространяются электромагнитные волны.
Распространенное состояние эфира — хаотическое движение кольцевых вихрей (торов) из частичек эфира
Эфир и теория относительности
Обтекание земли эфирным ветром
Картина мира при наличии эфира
Давайте представим, как же поменяется физическая картина мира, если предположить, что эфир все же материален. При введении понятия эфира убираются основные противоречия теории относительности:
Вывод
Таким образом, понятие эфира как среды распространения волн объясняет дуализм частиц, отклонение света в гравитационном поле, возможность образования «черных дыр» и эффект красного смещения света от больших космических тел. К тому же в физику возвращается понятие однородной среды, позволяющей передавать волновые колебания.
Потоки эфира в Галактике
Развивая теорию эфира с точки зрения современной физики реально подойти к решению тайны инерции, гравитации и других проблем, которые так и не смогла объяснить теория относительности. Теория эфира пока еще очень несовершенна и поверхностна и именно поэтому необходимо всестороннее изучение и объяснение физических законов, предполагая наличие эфира как основополагающей и всепроникающей среды, которая присутствует во Вселенной.