Светоносный эфир

Светоносный эфир: была выдвинута гипотеза, что Земля движется через «среду» эфира, несущего свет.

Светоносный эфир или эфир ( светоносный означает «несущий свет») был постулируемой средой для распространения света . Он был использован для объяснения способности света, по-видимому, основанного на волнах, распространяться через пустое пространство ( вакуум ), чего волны не должны делать. Предположение о пространственной пленуме (пространстве, полностью заполненном материей) светоносного эфира, а не о пространственном вакууме, обеспечило теоретическую среду, необходимую волновым теориям света.

Гипотеза эфира была темой серьезных дискуссий на протяжении всей ее истории, поскольку она требовала существования невидимого и бесконечного материала без взаимодействия с физическими объектами. По мере исследования природы света, особенно в XIX веке, физические качества, необходимые для эфира, становились все более противоречивыми. К концу 19 века существование эфира было поставлено под сомнение, хотя физической теории, которая могла бы его заменить, не существовало.

Отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли (1887 г.) позволил предположить, что эфира не существует, и это открытие было подтверждено в последующих экспериментах 1920-х годов. Это привело к значительной теоретической работе по объяснению распространения света без эфира. Крупным прорывом стала специальная теория относительности , которая могла объяснить, почему в ходе эксперимента не удалось увидеть эфир, но была интерпретирована в более широком смысле как предположение о том, что в этом нет необходимости. Эксперимент Майкельсона-Морли, наряду с излучателем черного тела и фотоэлектрическим эффектом , был ключевым экспериментом в развитии современной физики , включающей в себя как теорию относительности, так и квантовую теорию , последняя из которых объясняет корпускулярную природу света.

История света и эфира

См. Также: Хронология светоносного эфира.

Частицы против волн

Основная статья: Корпускулярно-волновой дуализм

В 17 веке Роберт Бойль был сторонником гипотезы эфира. По мнению Бойля, эфир состоит из тонких частиц, один вид которых объясняет отсутствие вакуума и механическое взаимодействие между телами, а другой вид объясняет такие явления, как магнетизм (и, возможно, гравитация), которые иначе необъяснимы с точки зрения Бойля. основе чисто механических взаимодействий макроскопических тел, «хотя в эфире древних не обращалось внимания ни на что, кроме рассеянной и очень тонкой субстанции; однако в настоящее время мы довольствуемся тем, что допускаем, что в воздухе всегда есть рой потоки, движущиеся определенным курсом между северным полюсом и югом».

Христиан Гюйгенс в «Трактате о свете» (1690) выдвинул гипотезу, что свет — это волна, распространяющаяся через эфир. Он и Исаак Ньютон могли представить световые волны только продольными , распространяющимися подобно звуку и другим механическим волнам в жидкостях . Однако продольные волны обязательно имеют только одну форму для данного направления распространения, а не две поляризации, как поперечная волна . Таким образом, продольные волны не могут объяснить двойное лучепреломление , при котором две поляризации света по-разному преломляются кристаллом. Кроме того, Ньютон отвергал свет как волны в среде, потому что такая среда должна была бы распространяться повсюду в пространстве и тем самым «возмущать и замедлять движения этих великих тел» (планет и комет) и, таким образом, «поскольку она [света] среда] бесполезна, препятствует Действию Природы и заставляет ее томиться, поэтому нет никаких доказательств ее существования, и поэтому ее следует отвергнуть».

Исаак Ньютон утверждал, что свет состоит из множества мелких частиц. Это может объяснить такие особенности, как способность света распространяться по прямым линиям и отражаться от поверхностей. Ньютон представлял легкие частицы как несферические «частицы» с разными «сторонами», вызывающими двойное лучепреломление. Но теория частиц света не может удовлетворительно объяснить преломление и дифракцию . Чтобы объяснить рефракцию, Ньютон в Третьей книге оптики (1-е изд. 1704 г., 4-е изд. 1730 г.) постулировал «эфирную среду», передающую вибрации быстрее, чем свет, благодаря которой свет, когда его догоняют, подвергается «приступам легкого отражения и легкой передачи». ", что вызвало преломление и дифракцию. Ньютон считал, что эти вибрации связаны с тепловым излучением:

Разве тепло теплой комнаты не передается через вакуум за счет вибраций гораздо более тонкой среды, чем воздух, которая после вытягивания воздуха осталась в вакууме? И не является ли эта Среда той же Средой, что и та Среда, в которой Свет преломляется и отражается и посредством чьих вибраций Свет сообщает тепло телам и подвергается приступам легкого отражения и легкой передачи?

В отличие от современного понимания, что тепловое излучение и свет являются электромагнитным излучением , Ньютон рассматривал тепло и свет как два разных явления. Он считал, что тепловые вибрации возбуждаются «когда луч света падает на поверхность любого прозрачного тела». Он писал: «Я не знаю, что такое эфир», но что если он состоит из частиц, то они должны быть

чрезвычайно меньший, чем у Воздуха или даже чем у Света: Чрезвычайная малость его Частиц может способствовать величию силы, с которой эти Частицы могут удаляться друг от друга, и тем самым сделать эту Среду чрезвычайно более редкой и эластичной, чем Воздух. и, как следствие, чрезвычайно менее способен сопротивляться движению снарядов и чрезвычайно более способен давить на грубые тела, пытаясь расшириться.

Брэдли предлагает частицы

В 1720 году Джеймс Брэдли провел серию экспериментов, пытаясь измерить звездный параллакс , измеряя звезды в разное время года. Когда Земля движется вокруг Солнца, видимый угол к данной удаленной точке меняется. Измерив эти углы, можно рассчитать расстояние до звезды на основе известной окружности орбиты Земли вокруг Солнца. Ему не удалось обнаружить никакого параллакса, тем самым установив нижний предел расстояния до звезд.

Во время этих экспериментов Брэдли также обнаружил похожий эффект; видимое положение звезд действительно изменилось за год, но не так, как ожидалось. Вместо того, чтобы видимый угол максимизировался, когда Земля находилась на любом конце своей орбиты по отношению к звезде, угол был максимальным, когда Земля двигалась с максимальной боковой скоростью относительно звезды. Этот эффект теперь известен как звездная аберрация .

Брэдли объяснил этот эффект в контексте корпускулярной теории света Ньютона, показав, что угол аберрации определяется простым векторным сложением орбитальной скорости Земли и скорости световых корпускул, точно так же, как вертикально падающие капли дождя ударяются о движущийся объект. угол. Знание скорости Земли и угла аберрации позволило ему оценить скорость света.

Объяснение звездной аберрации в контексте эфирной теории света считалось более проблематичным. Поскольку аберрация зависела от относительных скоростей, а измеренная скорость зависела от движения Земли, эфир должен был оставаться неподвижным по отношению к звезде, когда Земля двигалась через нее. Это означало, что Земля могла путешествовать через эфир, физическую среду, без видимого эффекта – именно эта проблема заставила Ньютона в первую очередь отвергнуть волновую модель.

Волновая теория торжествует

Столетие спустя Томас Янг и Огюстен-Жан Френель возродили волновую теорию света, когда указали, что свет может быть поперечной волной, а не продольной волной; поляризация поперечной волны (подобно ньютоновским «сторонам» света) могла объяснить двойное лучепреломление, и после серии экспериментов по дифракции от корпускулярной модели Ньютона окончательно отказались. Более того, физики предполагали, что, как и механическим волнам, световым волнам необходима среда для распространения , и, таким образом, требовалась идея Гюйгенса об эфирном «газе», пронизывающем все пространство.

Однако поперечная волна, по-видимому, требовала, чтобы распространяющаяся среда вела себя как твердое тело, а не как жидкость. Идея твердого тела, которое не взаимодействует с другим веществом, казалась немного странной, и Огюстен-Луи Коши предположил, что, возможно, имело место своего рода «перетаскивание» или «увлечение», но это затрудняло понимание измерений аберраций. Он также предположил, что отсутствие продольных волн свидетельствует об отрицательной сжимаемости эфира. Джордж Грин отметил, что такая жидкость будет нестабильной. Джордж Габриэль Стоукс стал сторонником интерпретации увлечения, разработав модель, в которой эфир, подобно сосновой смоле, может быть дилатантным (жидким на малых скоростях и твердым на высоких). Таким образом, Земля могла бы перемещаться по нему довольно свободно, но при этом оно было бы достаточно жестким, чтобы поддерживать свет.

Электромагнетизм

В 1856 году Вильгельм Эдуард Вебер и Рудольф Кольрауш измерили численное значение отношения электростатической единицы заряда к электромагнитной единице заряда. Они обнаружили, что соотношением электростатической единицы заряда и электромагнитной единицы заряда является скорость света c . В следующем году Густав Кирхгоф написал работу, в которой показал, что скорость сигнала по электрическому проводу равна скорости света. Это первые зафиксированные исторические связи между скоростью света и электромагнитными явлениями.

Джеймс Клерк Максвелл начал работать над Майкла Фарадея силовыми линиями . В своей статье 1861 года «О физических силовых линиях» он смоделировал эти магнитные силовые линии, используя море молекулярных вихрей, которые, по его мнению, частично состоят из эфира, а частично из обычной материи. Он вывел выражения для диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости через поперечную упругость и плотность этой упругой среды. Затем он приравнял отношение диэлектрической проницаемости к магнитной проницаемости с соответствующим образом адаптированной версией результата Вебера и Кольрауша 1856 года и подставил этот результат в уравнение Ньютона для скорости звука. Получив значение, близкое к скорости света, измеренной Ипполитом Физо , Максвелл пришел к выводу, что свет состоит из волнистой среды той же среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений.

Максвелл, однако, выразил некоторую неуверенность в отношении точной природы своих молекулярных вихрей и поэтому начал использовать чисто динамический подход к проблеме. В 1864 году он написал еще одну статью, озаглавленную « Динамическая теория электромагнитного поля », в которой детали светоносной среды были менее ясны. Хотя Максвелл не упоминал явно море молекулярных вихрей, его вывод закона Ампера был заимствован из статьи 1861 года, и он использовал динамический подход, включающий вращательное движение внутри электромагнитного поля, которое он сравнил с действием маховика. Используя этот подход для обоснования уравнения электродвижущей силы (предшественника уравнения силы Лоренца ), он вывел волновое уравнение из набора из восьми уравнений, которые появились в статье и которые включали уравнение электродвижущей силы и контурный закон Ампера . Максвелл еще раз использовал экспериментальные результаты Вебера и Кольрауша, чтобы показать, что это волновое уравнение представляет собой электромагнитную волну, распространяющуюся со скоростью света, тем самым подтверждая точку зрения, что свет является формой электромагнитного излучения.

В 1887–1889 годах Генрих Герц экспериментально доказал, что электрические магнитные волны идентичны световым волнам. Это объединение электромагнитных волн и оптики указывало на то, что вместо множества различных видов эфирных сред существовал единый светоносный эфир.

Очевидную необходимость в среде распространения таких волн Герца (позже названных радиоволнами ) можно увидеть по тому факту, что они состоят из ортогональных электрических (E) и магнитных (B или H) волн. Волны E состоят из волнообразных диполярных электрических полей, и все такие диполи, по-видимому, требуют разделенных и противоположных электрических зарядов. Электрический заряд является неотъемлемым свойством материи , поэтому оказалось, что для обеспечения переменного тока, который, казалось бы, должен существовать в любой точке пути распространения волны, требовалась некая форма материи. Распространение волн в истинном вакууме предполагает существование электрических полей без соответствующего электрического заряда или электрического заряда без связанной с ним материи. электрических полей и совместима с уравнениями Максвелла, Хотя электромагнитная индукция ее нельзя было продемонстрировать в вакууме, поскольку все методы обнаружения электрических полей требовали электрически заряженной материи.

Кроме того, уравнения Максвелла требовали, чтобы все электромагнитные волны в вакууме распространялись с фиксированной скоростью c . Поскольку это может произойти только в одной системе отсчета в физике Ньютона (см. Относительность Галилея ), эфир был выдвинут гипотезой как абсолютная и уникальная система отсчета, в которой выполняются уравнения Максвелла. То есть эфир должен быть «неподвижным» повсеместно, иначе c будет меняться вместе с любыми изменениями, которые могут возникнуть в поддерживающей его среде. Сам Максвелл предложил несколько механических моделей эфира на основе колес и шестерен, а Джордж Фрэнсис Фитцджеральд даже сконструировал рабочую модель одной из них. Эти модели должны были согласиться с тем фактом, что электромагнитные волны поперечные , но никогда не продольные .

Проблемы

К этому моменту механические свойства эфира становились все более и более волшебными: он должен был быть жидкостью, чтобы заполнить пространство, но в миллионы раз более жесткой, чем сталь, чтобы выдерживать высокие частоты световых волн. Оно также должно было быть безмассовым и без вязкости , иначе оно заметно влияло бы на орбиты планет. Кроме того, оказалось, что он должен быть полностью прозрачным, недисперсионным, несжимаемым и непрерывным в очень маленьком масштабе. Максвелл писал в Британской энциклопедии :

Эфиры были изобретены для плавания планет, для образования электрических атмосфер и магнитных испарений, для передачи ощущений от одной части нашего тела к другой и так далее, пока все пространство не было заполнено эфирами три или четыре раза. ... Единственный сохранившийся эфир — это тот, который был изобретен Гюйгенсом для объяснения распространения света.

К началу 20 века теория эфира оказалась в затруднительном положении. В конце 19 века была проведена серия все более сложных экспериментов с целью обнаружить движение Земли через эфир, но сделать это не удалось. Ряд предложенных теорий увлечения эфиром мог бы объяснить нулевой результат, но они были более сложными и имели тенденцию использовать произвольно выглядящие коэффициенты и физические предположения. Лоренц и Фицджеральд предложили в рамках теории эфира Лоренца более элегантное решение того, как движение абсолютного эфира может быть необнаружимым (сокращение длины), но если бы их уравнения были верны, новая специальная теория относительности (1905 г.) могла бы создать та же самая математика, вообще не обращаясь к эфиру. Эфир пал под бритвой Оккама .

Относительное движение Земли и эфира.

Эфирное сопротивление

Основная статья: Гипотеза сопротивления эфира

Двумя наиболее важными моделями, которые были направлены на описание относительного движения Земли и эфира, были модель (почти) стационарного эфира Огюстена-Жана Френеля (1818 г.), включающая частичное сопротивление эфира, определяемое коэффициентом сопротивления Френеля. и Джордж Габриэль Стоукс » (1844) модель полного сопротивления эфира. Последняя теория не считалась правильной, так как она не была совместима с аберрацией света , а вспомогательные гипотезы, разработанные для объяснения этой проблемы, не были убедительными. Кроме того, последующие эксперименты, такие как эффект Саньяка (1913 г.), также показали, что эта модель несостоятельна. Однако наиболее важным экспериментом, подтверждающим теорию Френеля, было Физо в 1851 году экспериментальное подтверждение предсказания Френеля 1818 года о том, что среда с показателем преломления n, движущаяся со скоростью v , увеличит скорость света, движущегося через среду в том же направлении, что и v. из с / н в:

${\frac {c}{n}}+\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)v.$

То есть движение добавляет к свету лишь часть скорости среды (предсказанную Френелем, чтобы заставить закон Снелла работать во всех системах отсчета, что согласуется со звездной аберрацией). Первоначально это интерпретировалось как означающее, что среда увлекает за собой эфир с частью скорости среды, но это понимание стало очень проблематичным после того, как Вильгельм Вельтман продемонстрировал, что индекс n в формуле Френеля зависит от длины волны света, так что эфир не мог двигаться со скоростью, не зависящей от длины волны. Это подразумевало, что для каждой из бесконечного множества частот должен существовать отдельный эфир.

Эксперименты с отрицательным эфирным дрейфом

Основная трудность с гипотезой эфира Френеля возникла из-за сопоставления двух устоявшихся теорий ньютоновской динамики и электромагнетизма Максвелла. При преобразовании Галилея уравнения динамики Ньютона инвариантны , тогда как уравнения электромагнетизма — нет. По сути, это означает, что, хотя физика должна оставаться прежней в экспериментах без ускорения, свет не будет следовать тем же правилам, поскольку он движется в универсальной «эфирной системе отсчета». Некоторый эффект, вызванный этим различием, должен быть обнаружен.

Простой пример касается модели, на которой изначально был построен эфир: звука. Скорость распространения механических волн, скорость звука , определяется механическими свойствами среды. Звук в воде распространяется в 4,3 раза быстрее, чем в воздухе. Это объясняет, почему человек, услышавший взрыв под водой и быстро всплывший на поверхность, может услышать его снова, когда более медленный звук доходит до воздуха. Точно так же путешественник на авиалайнере все равно может продолжать разговор с другим путешественником, потому что звуки слов распространяются вместе с воздухом внутри самолета. Этот эффект является основным для всей ньютоновской динамики, которая гласит, что все, от звука до траектории брошенного бейсбольного мяча, должно оставаться неизменным в летящем самолете (по крайней мере, с постоянной скоростью), как если бы он все еще находился на земле. Это основа преобразования Галилея и концепции системы отсчета.

Но то же самое не должно было быть верно для света, поскольку математика Максвелла требовала единой универсальной скорости распространения света, основанной не на местных условиях, а на двух измеряемых свойствах, диэлектрической проницаемости и проницаемости свободного пространства, которые предполагались быть одинаковым во всей Вселенной. Если бы эти цифры действительно изменились, на небе должны были бы быть заметные изменения; Например, звезды в разных направлениях будут иметь разные цвета.

Таким образом, в любой точке должна быть одна особая система координат, «покоящаяся относительно эфира». Максвелл заметил в конце 1870-х годов, что обнаружить движение относительно этого эфира должно быть достаточно легко — свет, движущийся вместе с движением Земли, будет иметь иную скорость, чем свет, движущийся назад, поскольку они оба будут двигаться против неподвижного эфира. Даже если бы эфир имел общий универсальный поток, изменения положения в течение цикла день/ночь или в течение времен года должны позволить обнаружить дрейф.

Эксперименты первого порядка

Хотя, согласно Френелю, эфир почти стационарен, его теория предсказывает положительный результат экспериментов по дрейфу эфира только до второго порядка по $v/c,$ потому что коэффициент сопротивления Френеля привел бы к отрицательному результату всех оптических экспериментов, способных измерить эффекты первого порядка в $v/c$. Это было подтверждено следующими экспериментами первого порядка, все из которых дали отрицательные результаты. Следующий список основан на описании Вильгельма Вина (1898 г.) с изменениями и дополнительными экспериментами согласно описаниям Эдмунда Тейлора Уиттакера (1910 г.) и Якоба Лауба (1910 г.):

• Эксперимент Франсуа Араго (1810 г.), призванный подтвердить, влияет ли движение Земли на рефракцию и, следовательно, на аберрацию света. Подобные эксперименты провели Джордж Бидделл Эйри (1871 г.) с помощью телескопа, наполненного водой, и Элеутер Маскарт (1872 г.).
• Эксперимент Физо (1860 г.) по выяснению того, изменяется ли вращение плоскости поляризации стеклянных столбиков из-за движения Земли. Он получил положительный результат, но Лоренц смог показать, что результаты оказались противоречивыми. ДеВитт Бристоль Брейс (1905) и Штрассер (1907) повторили эксперимент с повышенной точностью и получили отрицательные результаты.
• Опыт Мартина Хука (1868 г.). Этот эксперимент представляет собой более точную вариацию эксперимента Физо (1851 г.). Два световых луча были направлены в противоположные стороны: один из них проходит по пути, наполненному неподвижной водой, другой — по пути в воздухе. В соответствии с коэффициентом сопротивления Френеля он получил отрицательный результат.
• В эксперименте Вильгельма Клинкерфюса (1870) исследовалось, существует ли влияние движения Земли на линию поглощения натрия. Он получил положительный результат, но было показано, что это ошибка эксперимента, так как повторение опыта Хаги (1901) дало отрицательный результат.
• Опыт Кеттелера (1872), в котором два луча интерферометра направлялись в противоположные стороны через две взаимно наклоненные трубки, наполненные водой. Никакого изменения интерференционных полос не произошло. Позднее Маскарт (1872) показал, что интерференционные полосы поляризованного света в кальците также остаются незатронутыми.
• Эксперимент Элетера Маскара (1872 г.) по обнаружению изменения вращения плоскости поляризации в кварце. Никакого изменения вращения не было обнаружено, когда световые лучи имели направление движения Земли, а затем противоположное направление. Лорд Рэлей провел аналогичные эксперименты с повышенной точностью и также получил отрицательный результат.

Помимо этих оптических экспериментов были проведены и электродинамические эксперименты первого порядка, которые, по Френелю, должны были привести к положительным результатам. Однако Хендрик Антон Лоренц (1895) модифицировал теорию Френеля и показал, что эти эксперименты можно объяснить и с помощью стационарного эфира:

• Эксперимент Вильгельма Рентгена (1888 г.) по выяснению того, создает ли заряженный конденсатор магнитные силы из-за движения Земли.
• Эксперимент Теодора де Кудре (1889 г.) с целью выяснить, зависит ли индуктивный эффект двух катушек проволоки на третий от направления движения Земли. Лоренц показал, что этот эффект первого порядка компенсируется электростатическим зарядом (создаваемым движением Земли) на проводниках.
• Опыт Кенигсбергера (1905 г.). Обкладки конденсатора находятся в поле сильного электромагнита. Из-за движения Земли плиты должны были стать заряженными. Никакого такого эффекта не наблюдалось.
• Эксперимент Фредерика Томаса Траутона (1902 г.). Конденсатор был подведен параллельно движению Земли, и предполагалось, что при зарядке конденсатора создается импульс. Отрицательный результат можно объяснить теорией Лоренца, согласно которой электромагнитный импульс компенсирует импульс, обусловленный движением Земли. Лоренц также смог показать, что чувствительность аппарата слишком низка, чтобы наблюдать такой эффект.

Эксперименты второго порядка

Эксперимент Майкельсона-Морли сравнивал время отражения света от зеркал в двух ортогональных направлениях.

Хотя эксперименты первого порядка можно было объяснить модифицированным стационарным эфиром, ожидалось, что более точные эксперименты второго порядка дадут положительные результаты. Однако подобных результатов найти не удалось.

Знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли сравнивал исходный свет с самим собой после того, как его направили в разных направлениях, ища изменения фазы таким образом, чтобы его можно было измерить с чрезвычайно высокой точностью. В этом эксперименте их целью было определить скорость Земли в эфире. Публикация их результата в 1887 году, нулевого результата , была первой явной демонстрацией того, что с гипотезой эфира что-то серьезно не так (первый эксперимент Майкельсона в 1881 году не был полностью убедительным). В этом случае эксперимент ММ дал сдвиг картины интерференции примерно на 0,01 полосы , что соответствует малой скорости. Однако это было несовместимо с ожидаемым эффектом эфирного ветра из-за скорости Земли (сезонно меняющейся), которая потребовала бы смещения полосы на 0,4, а ошибка была достаточно мала, чтобы значение действительно могло быть нулевым. Поэтому нулевую гипотезу , гипотезу об отсутствии эфирного ветра, нельзя было отвергнуть. Более современные эксперименты с тех пор уменьшили возможное значение до числа, очень близкого к нулю, примерно 10. ⁻¹⁷ .

Из вышесказанного очевидно, что было бы безнадежно пытаться решить вопрос о движении Солнечной системы путем наблюдения оптических явлений на поверхности Земли.

— А. Майкельсон и Э. Морли. «Об относительном движении Земли и светоносном эфире». Философский журнал С. 5. Том. 24. № 151. Декабрь 1887 г.

Серия экспериментов с использованием похожих, но все более сложных аппаратов также дала нулевой результат. Концептуально разными экспериментами, в которых также пытались обнаружить движение эфира, были эксперимент Траутона-Нобла (1903 г.), целью которого было обнаружение торсионных эффектов, вызванных электростатическими полями, а также эксперименты Рэлея и Брейса (1902, 1904), для обнаружения двойного лучепреломления в различных средах. Однако все они получили нулевой результат, как это сделал ранее Майкельсон-Морли (ММ).

Эти эксперименты «эфира-ветра» привели к шквалу попыток «спасти» эфир, приписывая ему все более сложные свойства, при этом лишь немногие ученые, такие как Эмиль Кон или Альфред Бухерер , рассматривали возможность отказа от гипотезы эфира. Особый интерес представляла возможность «увлечения эфира» или «увлечения эфира», что могло бы снизить величину измерения, возможно, достаточно, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли. Однако, как отмечалось ранее, у перетаскивания эфира уже были свои проблемы, в частности, аберрации. Кроме того, интерференционные эксперименты Лоджа (1893, 1897) и Людвига Цендера (1895), направленные на то, чтобы показать, увлекается ли эфир различными вращающимися массами, не показали сопротивления эфира. Более точное измерение было сделано в эксперименте Хаммара (1935 г.), в ходе которого был проведен полный эксперимент ММ с одной из «ножек», помещенной между двумя массивными свинцовыми блоками. Если бы эфир увлекался массой, то в этом эксперименте можно было бы обнаружить сопротивление, вызванное свинцом, но снова был достигнут нулевой результат. Теория была снова модифицирована, на этот раз, чтобы предположить, что увлечение работает только для очень больших масс или масс с большими магнитными полями. Это также было показано экспериментом Майкельсона-Гейла-Пирсона , который обнаружил эффект Саньяка из-за вращения Земли (см. Гипотезу сопротивления эфира ).

Другая, совершенно другая попытка спасти «абсолютный» эфир была предпринята в рамках гипотезы сжатия Лоренца-Фитцджеральда , которая утверждала, что на все влияет путешествие через эфир. Согласно этой теории, причина «провала» эксперимента Майкельсона-Морли заключалась в том, что длина аппарата сокращалась в направлении движения. То есть на свет влияло «естественным» образом во время его прохождения через эфир, как и было предсказано, но то же самое происходило и с самим аппаратом, компенсирующим любую разницу при измерении. Фитцджеральд вывел эту гипотезу из статьи Оливера Хевисайда . Без ссылки на эфир эту физическую интерпретацию релятивистских эффектов разделили Кеннеди и Торндайк в 1932 году, когда они пришли к выводу, что рука интерферометра сжимается, а частота его источника света «почти» меняется так, как того требует теория относительности.

Точно так же эффект Саньяка , наблюдавшийся Ж. Саньяком в 1913 году, сразу же оказался полностью совместимым со специальной теорией относительности. Фактически, эксперимент Майкельсона-Гейла-Пирсона в 1925 году был предложен специально как тест для подтверждения теории относительности, хотя также было признано, что такие тесты, которые просто измеряют абсолютное вращение, также согласуются с нерелятивистскими теориями.

В 1920-х годах эксперименты, начатые Майкельсоном, были повторены Дейтоном Миллером , который несколько раз публично заявлял о положительных результатах, хотя они не были достаточно масштабными, чтобы согласовываться с какой-либо известной теорией эфира. Однако другие исследователи не смогли повторить заявленные Миллером результаты. За прошедшие годы экспериментальная точность таких измерений возросла на многие порядки, и никаких следов нарушений лоренц-инвариантности не наблюдалось. (Более поздний повторный анализ результатов Миллера пришел к выводу, что он недооценил изменения, связанные с температурой.)

После эксперимента Миллера и его неясных результатов было предпринято еще много экспериментальных попыток обнаружить эфир. Многие экспериментаторы заявили о положительных результатах. Эти результаты не привлекли большого внимания со стороны официальной науки, поскольку они противоречат большому количеству высокоточных измерений, все результаты которых согласовывались со специальной теорией относительности.

Теория эфира Лоренца

Основная статья: теория эфира Лоренца

Между 1892 и 1904 годами Хендрик Лоренц разработал теорию электрона и эфира, в которой он избегал делать предположений об эфире. В его модели эфир совершенно неподвижен, и под этим он имел в виду, что он не может быть приведен в движение вблизи весомой материи. В отличие от более ранних электронных моделей, электромагнитное поле эфира выступает посредником между электронами, и изменения в этом поле не могут распространяться быстрее скорости света. Фундаментальной концепцией теории Лоренца 1895 г. была «теорема о соответствующих состояниях» для членов порядка v/c. Эта теорема утверждает, что наблюдатель, движущийся относительно эфира, после подходящей замены переменных производит те же наблюдения, что и покоящийся наблюдатель. Лоренц заметил, что при смене кадров необходимо изменять переменные пространства-времени, и ввел такие понятия, как сокращение физической длины (1892 г.). для объяснения эксперимента Майкельсона-Морли и математической концепции местного времени (1895 г.) для объяснения аберрации света и эксперимента Физо . Это привело к формулировке так называемого преобразования Лоренца Джозефом Лармором (1897, 1900). и Лоренц (1899, 1904), при этом (как заметил Лармор) полная формулировка местного времени сопровождается своего рода замедлением времени электронов, движущихся в эфире. Как позже заметил Лоренц (1921, 1928), время, показываемое покоящимися в эфире часами, он считал «истинным» временем, тогда как местное время рассматривалось им как эвристическая рабочая гипотеза и математическая уловка. Поэтому теорема Лоренца рассматривается современными авторами как математическое преобразование «реальной» системы, покоящейся в эфире, в «фиктивную» систему, находящуюся в движении.

Работа Лоренца была математически усовершенствована Анри Пуанкаре , который неоднократно формулировал принцип относительности и пытался согласовать его с электродинамикой. Он объявил одновременность лишь удобным соглашением, которое зависит от скорости света, поэтому постоянство скорости света было бы полезным постулатом для максимально простого упрощения законов природы. В 1900 и 1904 годах он физически интерпретировал местное время Лоренца как результат синхронизации часов световыми сигналами. В июне и июле 1905 г. он объявил принцип относительности общим законом природы, включая гравитацию. Он исправил некоторые ошибки Лоренца и доказал лоренц-ковариацию электромагнитных уравнений. Однако он использовал понятие эфира как совершенно необнаружимой среды и проводил различие между видимым и реальным временем, поэтому большинство историков науки утверждают, что ему не удалось изобрести специальную теорию относительности.

Конец эфира

Специальная теория относительности

Теории эфира был нанесен еще один удар, когда преобразование Галилея и ньютоновская динамика были модифицированы Альберта Эйнштейна , специальной теорией относительности придав математике лоренцевой электродинамики новый, «неэфирный» контекст. В отличие от большинства крупных сдвигов в научной мысли, специальная теория относительности была принята научным сообществом на удивление быстро, что согласуется с более поздним комментарием Эйнштейна о том, что законы физики, описанные специальной теорией, «созрели для открытия» в 1905 году. Ранняя пропаганда специальной теории Максом Планком, а также элегантная формулировка, данная ей Германом Минковским , во многом способствовали быстрому принятию специальной теории относительности среди работающих ученых.

Эйнштейн основал свою теорию на более ранних работах Лоренца. Вместо того, чтобы предполагать, что механические свойства объектов изменяются при их движении с постоянной скоростью через необнаружимый эфир, Эйнштейн предложил вывести характеристики, которыми должна обладать любая успешная теория, чтобы соответствовать самым основным и твердо установленным принципам, независимо от существование гипотетического эфира. Он обнаружил, что преобразование Лоренца должно выйти за рамки своей связи с уравнениями Максвелла и должно представлять фундаментальные отношения между пространственными и временными координатами инерциальных систем отсчета . Таким образом он продемонстрировал, что законы физики остались инвариантными, как и при преобразовании Галилея, но теперь инвариантным стал и свет.

С развитием специальной теории относительности исчезла необходимость учитывать единую универсальную систему отсчета – и вместе с ней исчезло признание теории светоносного эфира XIX века. Для Эйнштейна преобразование Лоренца подразумевало концептуальное изменение: концепция положения в пространстве или времени не была абсолютной, но могла различаться в зависимости от местоположения и скорости наблюдателя.

Более того, в другой статье, опубликованной в том же месяце 1905 года, Эйнштейн сделал несколько наблюдений по сложной на тот момент проблеме — фотоэлектрическому эффекту . В этой работе он продемонстрировал, что свет можно рассматривать как частицы, имеющие «волновую природу». Частицам, очевидно, не нужна среда для перемещения, а значит, и свету. Это был первый шаг, который привел к полному развитию квантовой механики , в которой волновая и корпускулярная природа света считаются действительными описаниями света. Краткое изложение размышлений Эйнштейна о гипотезе эфира, теории относительности и квантах света можно найти в его лекции 1909 года (первоначально немецкой) «Развитие наших взглядов на состав и сущность излучения».

Лоренц, со своей стороны, продолжал использовать гипотезу эфира. В своих лекциях около 1911 года он указывал, что «то, что говорит теория относительности... может быть осуществлено независимо от того, что человек думает об эфире и времени». Он заметил, что «независимо от того, существует эфир или нет, электромагнитные поля определенно существуют, как и энергия электрических колебаний», так что «если нам не нравится название «эфир», мы должны использовать другое слово, например крючок, на который можно повесить все эти вещи». Он пришел к выводу, что «нельзя отказать носителю этих понятий в известной субстанциональности».

Тем не менее, в 1920 году Эйнштейн выступил с речью в Лейденском университете , в которой он прокомментировал: «Однако более тщательное размышление учит нас, что специальная теория относительности не вынуждает нас отрицать эфир. Мы можем предполагать существование эфира; только мы должны отказаться от приписывания ему определенного состояния движения, т. е. мы должны путем абстракции взять из него последнюю механическую характеристику, которую еще оставил ему Лоренц. Мы увидим позже, что это точка зрения, представимость которой я сразу постараюсь рассмотреть. сделать более понятным путем несколько сбивчивого сравнения, оправдано результатами общей теории относительности». Свое выступление он завершил словами, что «согласно общей теории относительности пространство наделено физическими качествами; следовательно, в этом смысле существует эфир. Согласно общей теории относительности пространство без эфира немыслимо».

Другие модели

Основная статья: Теории эфира

В последующие годы появилось несколько людей, которые защищали неологенцевский подход к физике, который является лоренцевым в том смысле, что постулирует абсолютно истинное состояние покоя, которое невозможно обнаружить и которое не играет никакой роли в предсказаниях теории. (Несмотря на напряженные усилия, никаких нарушений ковариации Лоренца так и не было обнаружено.) Следовательно, эти теории напоминают теории эфира XIX века только по названию. Например, основатель квантовой теории поля Поль Дирак заявил в 1951 году в статье в журнале Nature под названием «Существует ли эфир?» что «мы скорее вынуждены иметь эфир». Однако Дирак так и не сформулировал законченной теории, и поэтому его предположения не нашли признания научного сообщества. Напротив, в самом начале XXI века доктор Чарльз Кеннет Торнхилл изложил несингулярную эфирную космологию. в котором он определил темную материю как эфир – среду, пронизывающую Вселенную, через которую распространяются все электромагнитные волны и гравитационные силы.

Взгляды Эйнштейна на эфир

Когда Эйнштейн в 1900 году еще был студентом Цюрихского политехнического института, его очень интересовала идея эфира. Его первоначальным предложением исследовательской диссертации было проведение эксперимента по измерению скорости движения Земли в эфире. «Скорость волны пропорциональна квадратному корню из сил упругости, которые вызывают [ее] распространение, и обратно пропорциональна массе эфира, перемещаемого этими силами».

В 1916 году, после того как Эйнштейн завершил свою основополагающую работу по общей теории относительности , Лоренц написал ему письмо, в котором предположил, что в рамках общей теории относительности был вновь введен эфир. В своем ответе Эйнштейн написал, что действительно можно говорить о «новом эфире», но нельзя говорить о движении относительно этого эфира. Это было далее развито Эйнштейном в некоторых полупопулярных статьях (1918, 1920, 1924, 1930).

В 1918 году Эйнштейн впервые публично упомянул об этом новом определении. Затем, в начале 1920-х годов, на лекции, которую его пригласили прочитать в университете Лоренца в Лейдене, Эйнштейн стремился примирить теорию относительности с лоренцевым эфиром . В этой лекции Эйнштейн подчеркнул, что специальная теория относительности лишила эфира последнего механического свойства: неподвижности. Однако он продолжил, что специальная теория относительности не обязательно исключает эфир, поскольку последний можно использовать для придания физической реальности ускорению и вращению. Эта концепция была полностью разработана в рамках общей теории относительности , в которой физические свойства (которые частично определяются материей) приписываются пространству, но никакая субстанция или состояние движения не могут быть приписаны этому «эфиру» (под которым он имел в виду искривленное пространство-время). ).

В другой статье 1924 года, названной «Об эфире», Эйнштейн утверждал, что абсолютное пространство Ньютона, в котором ускорение абсолютно, является «эфиром механики». А в рамках электромагнитной теории Максвелла и Лоренца можно говорить об «Эфире электродинамики», в котором эфир обладает абсолютным состоянием движения. Что касается специальной теории относительности, то и в ней ускорение абсолютно, как и в механике Ньютона. Однако отличие от электромагнитного эфира Максвелла и Лоренца заключается в том, что «поскольку уже невозможно было говорить в каком-либо абсолютном смысле об одновременных состояниях в разных местах эфира, эфир стал как бы четырехмерным, поскольку не было объективного способа упорядочить его состояния только по времени». Теперь «эфир специальной теории относительности» по-прежнему остается «абсолютным», потому что на материю влияют свойства эфира, но на эфир не влияет наличие материи. Эта асимметрия была решена в рамках общей теории относительности. Эйнштейн объяснил, что «эфир общей теории относительности» не является абсолютным, поскольку материя находится под влиянием эфира точно так же, как материя влияет на структуру эфира.

Единственное сходство этой релятивистской концепции эфира с классическими моделями эфира заключается в наличии физических свойств в пространстве, которые можно определить с помощью геодезических . Как утверждают такие историки, как Джон Стачел , взгляды Эйнштейна на «новый эфир» не противоречат его отказу от эфира в 1905 году. эфир. Использование Эйнштейном слова «эфир» не нашло особой поддержки в научном сообществе и не сыграло никакой роли в продолжающемся развитии современной физики.

Концепции эфира

• Теории эфира
• Эфир (классический элемент)
• Гипотеза сопротивления эфира
• Астральный свет

См. также

• Море Дирака
• Эфирный план
• Галактический год
• История специальной теории относительности
• Теория гравитации Лесажа
• Односторонняя скорость света
• Предпочитаемый кадр
• Замененные научные теории
• Виртуальная частица
• Теория мирового льда

Ссылки

Сноски

Цитаты

Внешние ссылки

• Гарри Бейтман (1915) Структура эфира , Бюллетень Американского математического общества 21 (6): 299–309.
• Декаен, Кристофер А. (2004), «Эфир Аристотеля и современная наука» , The Thomist , 68 (3): 375–429, doi : 10.1353/tho.2004.0015 , S2CID   171374696 , заархивировано из оригинала 05 марта 2012 г. , получено 5 марта 2011 г.
• Эфир космоса. Архивировано 13 сентября 2017 г. в Wayback Machine - адрес лорда Рэлея.
• ScienceWeek Теоретическая физика: об эфире и нарушенной симметрии
• Справочник нового студента/Эфир