Эфир в физике

Сибирское отделение Российской Академии наук

Институт философии и права

Кафедра философии

 

 

 

 

 

 

 

Покровский И. В.

 

 

Эфир в физике

 

	Работа выполнена аспирантом Института Ядерной Физики СО РАН Покровским И. В.
			Философ-консультант:
	Научный руководитель:

Новосибирск 2005
Содержание

Введение............................................................................................ 3

1. Взгляды различных ученых на проблему эфира....................... 4

1.1 Древние философы...................................................................... 4

1.2 Декарт.......................................................................................... 5

1.3 Гюйгенс........................................................................................ 6

1.4 Ньютон......................................................................................... 6

1.5 Эйлер........................................................................................... 7

1.6 Стокс............................................................................................ 7

1.7 Томсон......................................................................................... 8

1.8 Максвелл...................................................................................... 9

1.9 Майкельсон.................................................................................. 9

1.10 Эйнштейн................................................................................. 10

1.11 Двадцатый век......................................................................... 11

2. Свойства эфира.......................................................................... 12

2.1 Инерция эфира.......................................................................... 12

2.2 Подвижность эфира.................................................................. 13

2.3 Гравитационное свойство эфира.............................................. 15

2.4 Оптические свойства эфира...................................................... 16

2.5 Вихревое свойство эфира......................................................... 18

2.6 Параметры эфира...................................................................... 18

Заключение...................................................................................... 20

Список литературы......................................................................... 21

 

Введение

Введение идеи эфира (франц. éther; нем. Aether; англ. aether и ether, от греч. слова αίθήρ) в естествознание приписывают Рене Декарту (2 в. н. э.) [1]. Эфир у Декарта – это среда, заполняющая все пространство. Представление об этой среде как о мировой среде фигурировало задолго до Декарта в древнем Китае (4 в. до н. э.), древней Индии и древней Японии. На протяжении истории представление об эфире постепенно усложнялось и эфир в понимании людей прошел путь от «всепроникающей физической субстанции» в древней Индии до «физического вакуума» в конце 20-го века. По мере развития науки эфир наделялся физическими свойствами. Но важно то, что эти свойства у различных ученых совершенно разные. В первой главе представлены модели эфира различных ученых. Описание моделей идет в хронологическом порядке. Некоторые из этих моделей полностью противоположные. Например, у Лоренца эфир неподвижный, а у Стокса он движется вместе с телами. Во второй главе рассматриваются свойства эфира. Там приведены различные теоретические модели эфира и экспериментальные проверки его свойств. Заключение указывает на недостатки рассмотренных моделей эфира.

1.  Взгляды различных ученых на проблему эфира

 

1.1 Древние философы

Возникновение эфира относят к 6-4 веку до н. э. В древнеиндийской религии есть что-то наподобие эфира. В религии Древнего Китая (4 в. до н. э.) все делится на «инь» (материю) и «янь» (огонь, энергию) [1].

Фалес Милетский (625-547 гг. до н. э.) полагал, что весь мир заполнен жидкостью. Ученик Фалеса Анаксимандр (610-546 гг. до н. э.) утверждал, что у мира есть первоначало – «апейрон». Последователь Анаксимандра Анаксимен (585-525 гг. до н. э.) говорил, что средой, заполняющей пространство является газ или «воздух».

По мнению Левкиппа (5 в. до н. э.) мир состоит из элементов, а последователь Левкиппа – Демокрит утверждал, что он состоит из атомов.

Согласно учению Демокрита атомы состоят из амеров. Атомы имеют различную форму: изогнутую, крючковатую, пирамидальную и. т. д. Амеры неделимы и не имеют частей. Атомам присуще тяготение в то время как амеры не притягиваются.

Свойство отсутствия притяжения между амерами считалось противоречивым. Например, Лурье утверждал, что амеры – это чисто математические величины. Ахундов считал амеры за математическое понятие. Это противоречие возникало из-за того, что гравитация считалась свойством материи. Если предположить, что гравитация возникает из-за движения амеров, то противоречие изчезает. Всю совокупность амеров впоследствии назвали эфиром [2].

 

1.2 Декарт

По Декарту (1596-1650 гг.) свет распространяется в эфире. Эфир состоит из вихревых частиц [2].

Согласно Декарту весь мир состоит из материи, которая заполняет все пространство. Области материи, которые движутся определенным образом составляют молекулы материальных тел.

Области материи, которые движутся очень быстро составляют эфир. В нем распространяется свет и осуществляется магнитное и электрическое взаимодействие.

Декарт вводил быстро движущиеся и постоянно изменяющиеся области материи для объяснения пламени.

По Декарту, свет – это вибрации эфира, которые вызывают вибрации органов чувств у животных, что приводит к передаче сигналов от органов чувств по нервным путям в головной мозг.

Декарт полагал, что эфир состоит из частиц эфира, которые притягиваются друг ко другу, причем эти частицы имеют спиральную форму.

Декарт утверждал, что Земля – это магнит, из одного полюса которого вытекают струйки эфира и втекают в другой полюс. Распределение металлических осколков вдоль силовых линий он объяснял тем, что струйки эфира воздействуют на осколки [4].

1.3 Гюйгенс

Гюйгенс (1629-1695 гг.) сравнивал распространение света с распространением звука [2]. Звук распространяется в воздухе.

 Был поставлен опыт, в котором воздух был удален из сосуда и в этом случае звука слышно не было.

Он назвал среду, в которой распространяется свет эфиром.

Гюйгенс утверждал, что звуковые волны распространяются в сжимаемом воздухе путем передачи давления в нем, а свет распространяется в несжимаемом эфире и, поэтому, скорость его бесконечна [3].

1.4 Ньютон

Ньютон (1643-1727 гг.) несколько раз отказывался от эфира и принимал его. В конечном счете, он пришел к выводу, что все тела образованы сцепленными между собой частицами. Он также утверждал, что свет может порождать материальные тела.

По Ньютону, гравитация возникает из-за градиента плотности эфира. Тело движется от эфира с большей плотностью к эфиру с меньшей плотностью.

Ньютон создал следующую модель эфира. Частицы эфира обладают большой упругостью (в 700 000 раз эфир более упругий чем воздух) и очень малой плотностью (в 700 000 раз менее плотный чем воздух). При этом размеры частиц эфира намного меньше частиц воздуха. По его расчетам, эфир должен оказывать сопротивление в 600 миллионов раз меньшее, чем вода. Таким образом, он объяснил очень малое сопротивление движению небесных тел в безвоздушном пространстве [2].

 

1.5 Эйлер

Л. Эйлер (1734-1800 гг.) считал, что различные цвета обусловлены различными частотами колебаний эфира подобно тому, как различные звуки обусловлены различными частотами колебаний воздуха. Тело, пока оно освещается светом, сообщает колебания эфиру на различных частотах.

Эйлер полагал, что эфир увлекается веществом. Поскольку скорость движения возрастает по направлению от центра вращающегося тела, то, согласно законам гидродинамики, давление увеличивается по направлению от центра. Это и вызывает гравитационное притяжение. Его результаты согласуются с формулой для гравитационной силы.

При помощи эфира Эйлер объяснил электрические взаимодействия. В магните существуют каналы, из которых вытекают струйки эфира. Из-за разности давлений в эфире возникает притяжение магнитов с противоположными полюсами. В телах находятся поры трех видов, в которых находится эфир. Если упругость эфира в порах больше упругости окружающего эфира, то тело заряжено положительно, если наоборот, то отрицательно [3].

1.6 Стокс

Согласно Стоксу (1819-1903 гг.), состояния тел зависят от их веса, силы сцепления или упругости и от времени воздействия на тела. Например, тело на Земле может быть в твердом состоянии, а на Солнце в жидком. Вода при быстрых процессах проявляет свойства твердого тела. Точно также и эфир в процессах, приближающихся к скорости света является твердым телом, а при медленных процессах является жидкостью [4].

1.7 Томсон

По Томсону (1824-1907 гг.) эфир состоит из волчков. Он легко изменяет форму, но обладает сопротивлением вращению подобно тому, как обладает сопротивлением вращению ящик, в котором находится множество волчков, вращающихся вокруг различных осей [4].

Томсон представлял эфир квазижесткой средой с бесконечным сопротивлением вращению. Модель эфира состоит из атомов, связанных между собой жесткими связями. Эфир обладает бесконечным сопротивлением вращению за счет того, что на жестких связях расположены гироскопы, которые могут быть представлены потоками эфира. Угловая скорость вращения гироскопов при этом бесконечно велика. В такой модели могут распространяться волны со скоростью света.

Модель Томсона не согласуется с современными представлениями. Бесконечная угловая скорость вращения требует бесконечно большой энергии. Непонятно, какой физический механизм осуществляет жесткие связи [5].

Согласно Томсону, существует только кинетическая энергия. Энергия упругости тела (потенциальная энергия) обусловлена кинетической энергией частиц в теле. Если не удается найти кинетическую энергию, обуславливающую потенциальную, то значит это «скрытая» кинетическая энергия.

При процессах, близких к скорости света в эфире распространяются продольные волны без сопротивления, а скорость поперечных волн очень мала [4].

1.8 Максвелл

В 1865 г. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879 гг.) показал то, что свет может интерпретироваться как волноподобные колебания в эфире электрических и магнитных полей, удовлетворяющих Максвелловским уравнениям для этих полей [9].

Для Максвелла эфир имел свойства, которые были чисто механическими, хотя более сложного вида, чем механические свойства реальных тел. Но ни Максвелл, ни его последователи не добились успехов в построении механической модели эфира, которая могла бы дать удовлетворительную механическую интерпретацию Максвелловских законов электромагнитного поля. Законы были ясными и простыми, а механические интерпретации – грубыми и противоречивыми [10].

1.9 Майкельсон

Опыт Майкельсона.

Майкельсоном (1852-1931 гг.) был поставлен опыт по проверке неподвижности эфира. В результате скорость эфира оказалась равной нулю.

Были высказаны три гипотезы для теоретического обоснования опыта Майкельсона:

1)  гипотеза Лоренца-Фицджеральда, согласно которой размеры тела сжимаются при движении;

2)  гипотеза Френеля, гласившая, что материальные тела увлекают за собой эфир;

3)  гипотеза, говорившая о том, что скорость света относительно источника всегда постоянная.

Ни одна из этих гипотез не могла объяснить результат опыта.

Некое обоснование результата дал Эйнштейн. Он вообще исключил эфир из пространства. Это заметно в специальной и общей теории относительности [2].

1.10 Эйнштейн

Эйнштейн (1879-1955 гг.) и Инфельд в «Эволюции физики» [8] рассматривали эфир с механистической точки зрения. Они начинали с того, что эфир заполняет все свободное от тел пространство, а свет распространяется в эфире как волна. При попадании света из вакуума в жидкость волны света распространяются вначале в эфире, а затем в жидкости. Получается, что частицы эфира воздействуют на частицы вещества. Но если это так, то планеты при движении испытывали бы сопротивление со стороны эфира, а этого не происходит. Тем не менее, авторы не отрицают того, что свет распространяется в эфире как волна.

До Эйнштейна существовало понятие об эфире как о неподвижной механической «жидкости», заполняющей все пространство. В специальной теории относительности Эйнштейн показал, что эфир не может быть неподвижен. Из специальной теории относительности следует, что в движущейся системе отсчета эфир должен двигаться вместе с системой [6]. Из всего этого следует, что эфир не механистическое понятие.

В специальной теории относительности эфир не учитывался из-за недостаточности модели построения [1].

На основании общей теории относительности можно сделать вывод, что пустоты нет. Пространство обладает физическими свойствами [6]. Действительно, в вакууме за счет гравитации притягиваются два тела. Отсюда следует, что пространство заполнено эфиром.

В работе «Эфир и теория относительности» Эйнштейн показал, что без эфира невозможно распространение света [1].

1.11 Двадцатый век

В конце двадцатого века была разработана теория физического вакуума. В ней эфир был заменен на физический вакуум. Одним из выводов этой теории является то, что в результате столкновения частицы с античастицей рождаются два гамма-кванта. Предполагалось, что физический вакуум способен рождать частицы.

При помощи квантовой электродинамики было установлено, что квантовый магнетон Бора увеличивается за счет влияния физического вакуума. Но в ней постулируется существование физического вакуума и неизвестны его свойства.

В конце 50-х годов была вычислена плотность эфира. Она составила 10³⁹ частиц в 1 см³.

Недавно было установлено, что мы еще очень мало знаем о физическом вакууме. Некоторые свойства эфира были просто «угаданы». Например, Эйнштейн угадал, что скорость света постоянна в вакууме. Это утверждение является постулатом.

Многие свойства были угаданы Бором, Шредингером, Борном, де-Брольем, Дираком, Фоком, Паули и другими физиками.

Эйнштейн старался создать единую теорию поля, в которой пространство, время и материя подчиняются общим законам. Он потратил на создание этой теории 40 лет, но не смог получить желаемых результатов. Это можно объяснить тем, что он много чего не учитывал. Например, он полагал, что пространство пустое и не учитывал квантовые свойства микромира.

На данный момент многое не удается объяснить. Например, почему массы частиц дискретны, почему частицы обладают одинаковым зарядом [2]. Возможно, что если удастся узнать свойства эфира, то мы получим ответы на эти вопросы.

В настоящее время разрабатываются две модели эфира: модель квазижидкостного (газоподобного) эфира и модель квазитвердого эфира. В работах K. P. Sinha, C. Sivaram и E. C. G. Sudarshan эфир представляется сверхпроводящей жидкостью, состоящей из пар фермион-антифермион (например электрон-позитрон, нейтрино-антинейтрино). В этой среде существуют бозоны, которые участвуют в электронном и гравитационном взаимодействиях [5].

2.  Свойства эфира 2.1 Инерция эфира.

Допустим, что эфир подвижен. Можно предположить, что он обладает инерцией как материальные тела. Тогда свет при движении порождал бы вихри в эфире и скорость в этих вихрях была бы недопустимо большой при плотности эфира 10^-22 (по расчетам плотность эфира превышает 4·10^-22. Расчет основывается на равенстве полной энергии, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий эфира. Эта энергия приравнивается яркости эфира.). Можно предположить, что эфир неподвижен и не движется при движении тел. Но тогда мы приходим к противоречию с третьим законом Ньютона. Действительно, рассмотрим пластину, одна поверхность у которой зеркальная, а другая черная. Так как черная сторона излучает больше, то пластина пришла бы в движение. Но этого не может быть, поскольку изолированная система не может двигаться за счет внутренней энергии. Здесь предполагается, что третий закон Ньютона применим к эфиру. Но это может быть не так. Если удастся доказать неподвижность эфира, то нужно будет искать новый, более общий закон, который сводится к третьему закону Ньютона при переходе от эфира к материальным телам [4].

2.2 Подвижность эфира

Можно отойти от оптических свойств эфира и рассмотреть электромагнитные свойства. Известно, что при движении магнита относительно проводника в последнем возникает электрический ток. Можно предположить, что при движении эфира изменяется электромагнитное поле. В опыте Фарадея катушка падала вертикально вниз и в ней не возникал электрический ток. В опыте де Кудра через две катушки пропускался электрический ток и возникала магнитная сила отталкивания. Она компенсировалась третьей катушкой. Эта система не расстраивалась в зависимости от направления к направлению движения Земли. Эти опыты ничего не говорят в пользу движения эфира, но и ничего не говорят в пользу его неподвижности [4].

Стокс утверждал, что тела увлекают за собой эфир, но не указывал причину этого. При помощи этого он объяснял абберацию звезд, открытую в 1728 г Брадлеем.

По Лоренцу – эфир неподвижен. Абберацию света он объяснял искажением размеров прибора при движении. Но если предположить, что эфир неподвижен, то тогда молекулы тел не будут влиять на эфир при движении. Следовательно, и эфир не может влиять на вещество, но это противоречит основным представлениям об эфире.

Ритц также полагал, что эфир неподвижен. В его модели скорость света складывается со скоростью источника. Если бы это было так, то в двойных звездах звезда, движущаяся по направлению к нам двигалась бы в обратном направлении. В эксперименте Де-Ситтера обратного движения зафиксировано не было.

Френель (1788-1828 гг.) для объяснения абберации звезд ввел коэффициент увлечения эфира, который зависел от коэффициента преломления среды [1].

Френель утверждал, что, если свет проходит через среду, которая движется в противоположном распространению света направлении, то это повлияет на распространение света. Это согласуется с эффектом Допплера, согласно которому происходит изменение частоты света или звука при движении. Френель объяснял это явление наличием эфирного ветра [7].

Миллеру удалось зафиксировать эфирный ветер. На высоте 250 м его скорость была 3 км/с, а на высоте 1860 м – около 10 км/с.

В опыте Майкельсона скорость эфира была равна 6 км/с на высоте 1860 м [1].

2.3 Гравитационное свойство эфира

Существует гипотеза о том, что гравитационное притяжение двух тел происходит через эфир. Томсон рассматривает гравитационное притяжение подобно электрическому притяжению двух заряженных частиц. Притяжение заряженных частиц происходит посредством электромагнитных волн в эфире. Он утверждал, что гравитационное притяжение осуществляется посредством гравитационных волн в эфире.

По Томсону, тела притягивают молекулы эфира, а электроны – это молекулы эфира с измененными свойствами.

Ж. Л. Лесаж утверждал, что эфир – газоподобное вещество. По его мнению, гравитационное притяжение возникает из-за разности давлений со стороны эфира, обусловленной поглощением эфира телом.

Ломоносов также считал, что гравитация возникает из-за разности давлений в эфире, но он высказал эту идею раньше Лесажа почти на сорок лет [1].

Г. Юнг и О. Френель считали, что эфир частично увлекается телами, а упругость эфира при этом не меняется [3].

2.4 Оптические свойства эфира.

Если рассматривать оптические свойства эфира, то можно выделить следующие случаи:

1)  Источник, приемник и среда движутся с одинаковыми скоростями.

2)  Источник, приемник и среда движутся с разными скоростями. Эта ситуация в свою очередь разделяется на две:

2а) Источник и приемник движутся с одинаковыми скоростями, а среда движется с другой скоростью.

2б) Источник движется с одной скоростью, а приемник и среда движутся с другими скоростями.

По первому случаю были поставлены следующие опыты:

1)  Опыт Максвелла.

Лучи от освещенного креста спектроскопа проходили сквозь призмы и отражались обратно. Призмы и идущие через них лучи вращались. Можно было бы предположить, что при изменении положения призм относительно направления движения Земли изображение креста сместится вследствие движения эфира. Этого не происходило.

2)  Опыт Майкельсона.

Луч разделялся на два луча: отраженный и преломленный. Эти лучи проходили путь в 11 м, после чего отражались от зеркал. Затем эти лучи возвращались и интерферировали. Сдвига интерференционных полос не наблюдалось при вращении прибора, что говорит о неподвижности эфира относительно установки.

3)  Опыт Нордмайера.

Источник света находился посредине между двумя термоэлементами и ток в них приводился к нулю. Ток не изменялся при повороте системы на 90°.

По случаю 2а) был поставлен следующий опыт.

4)  Опыт Физо (1851 г.).

По двум трубам текла вода в разных направлениях. Интерференционная картина, образованная от двух лучей, проходящих по этим трубам, сильно менялась с изменением направления движения воды. Результаты согласовывались с формулой Френеля, в которой фигурирует коэффициент преломления. Если предположить, что свет распространяется в эфире, то получается, что эфир имеет ту же скорость что и вода. Выходит, что эфир подвижен.

5)  Опыт Лоджа.

Два диска – диаметром по одному метру каждый – вращались. Каждая часть раздвоенного луча проходила пространство между дисками и в конце концов оба луча интерферировали. Картина интерференции не менялась при увеличении частоты вращения дисков до 50 Гц.

Между опытом Майкельсона и опытом Физо возникает противоречие. С одной стороны, в опыте Майкельсона эфир неподвижен относительно установки, а с другой стороны, в опыте Физо эфир движется.

Это противоречие снимается, если предположить, что между частицами эфира и обычными частицами есть сцепление. Тогда Земля увлекает за собой слой эфира. Можно предположить, что силы сцепления в эфире – гравитационные силы [4].

2.5 Вихревое свойство эфира.

Дж. Дж. Томсон на основе вихревого эфира вывел закон Е=mc² задолго до Эйнштейна.

Кастерин рассматривал процессы в эфире наподобие процессам в газе. У него эфир подчиняется уравнениям аэродинамики. Он уточнил законы вихревого движения в газах и применил их к процессам в эфире [1].

2.6 Параметры эфира

Ниже приведена таблица с параметрами эфира из современной эфиродинамики.

Параметр	Величина	Размерность
Эфир в целом
Плотность	8.85×10-12	кг/м3
Давление	³2×1032	н/м2
Температура	£7×10-51	К
Скорость первого звука (продольных волн)	³5.3×1026	м/с
Скорость второго звука (поперечных волн)	3×108	м/с
Коэффициент температуропроводности	~ 105	м2/с
Коэффициент теплопроводности	~ 2×1091	м×К/с3
Кинематическая вязкость	~ 105	м2/с
Динамическая вязкость (коэффициент внутреннего трения)	~ 10-6	кг/м/с
Показатель адиабаты	~ 1.4	—
Теплоёмкость	³3×1095	м2×К/с2
Энергия в единице объёма	³2×1032	Дж/м3
Амер (элемент эфира)
Масса	£7×10-117	кг
Диаметр	£4×10-45	м
Количество в единице объёма	£1.3×10105	1/м
Средняя длина свободного пробега	£5×10-17	м
Средняя скорость теплового движения	~ 6.6×1021	м/c

Из таблицы видно, что эфир обладает небольшой плотностью, большой энергией в единице объема из-за большой скорости движения частиц и, как следствие, большого давления. Частицы эфира обладают очень малыми размерами и массой [11].

Заключение

Рассмотренные модели эфира обладают следующими недостатками:

1) Ни одна из этих моделей не дает полного представления о фундаментальных взаимодействиях. Например Ньютон и Декарт в своих моделях не учитывали электромагнитных явлений. В работах Фарадея, Максвелла, Лоренца и Герца нет гравитационного взаимодействия. Навье, Мак-Куллах, В. Томсон и Дж. Дж. Томсон рассматривают исключительно электромагнитные свойства эфира.

2) В большинстве моделей эфир представлялся сплошной средой. Это приводило к противоречиям. Одним из противоречий является то, что эфир, будучи сплошной средой, не оказывает сопротивления движению небесных тел. Исключение составляет модель Ньютона. В его модели эфир – газ с очень малой плотностью и он практически не оказывает сопротивления телам.

3) Во многих моделях эфира вещество и эфир – ничем не связанные субстанции. Непонятно, каким образом осуществляется механизм передачи энергии от эфира веществу и обратно [1].

Список литературы

1.  В. А. Ацюковский. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. (Глава 1. Краткая история эфира).

2.  Балабай В. И. Развитие идей и представлений о природе эфира (физического вакуума).

3.  Борисов В. П. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса (Глава 2. Дотехнологический этап в развитии вакуумной техники (1650 - 1880)), М.: НПК «Интелвак», 2001.

4.  Гольдгаммер Д. Эфир, в физике.

5.  Горбацевич Ф. Ф. Эфирная среда и универсум. Санкт-Петербург: Изд-во "АЛЬФА ШТАМП", 2004, стр. 4-12.

6.  Симанов А. Л. Проблема эфира: возможное и невозможное в истории и философии физики, 1997.

7.  Хакинг Ян. Представление и вмешательство (гл. Бэконианские темы). Cambridge University Press, 1983.

8.  Эйнштейн А., Инфельд А. «Эволюция физики», Москва, 1965 г., стр. 98-101.

9.  Stachel J. History of Fisics: Einstein, Lorentz, and the ether. Nature, 2005.

10.  Einstein A. Ether and the Theory of relativity.

11.  Краткая история эфира http://hokma.chat.ru/history.html.