8. Эфирная теории света
Основанная на наблюдениях и опытах теория о природе света впервые была выдвинута И.Ньютоном в конце XVII века, в ней свет рассматривался как поток частиц, корпускул, испускаемых источником света и распространяющихся прямолинейно в однородной среде. Отражение от зеркала сравнивалось с отскакиванием упругого шарика от стенки, преломление объяснялось притяжением корпускулы при переходе из одной среды в другую. Определение Рёмером величины скорости света, несомненно, повлияло на Ньютона при создании им корпускулярной теории света, из которой следует, что скорость света подчиняется принципу относительности Галилея.
Одновременно с теорией Ньютона существовала волновая теория, изложенная X.Гюйгенсом в работе «Трактат о свете», где свет определялся как упругий импульс, распространяющийся в особой среде — эфире, заполняющем пространство, то есть волновая теория рассматривала свет как волны эфира и уподобляла его волнам в воздухе.
В XIX столетии развитию представлений эфирной природы света способствовали работы А. Френеля. Изучение электрических и магнитных явлений М. Фарадеем, построение Д. Максвеллом теории, в которой было показано, что свет имеет электромагнитную природу. И, наконец, экспериментальное изучение Г. Герцем считавшегося волнами электромагнитного излучения, привели к тому, что гипотеза механического эфира была заменена гипотезой электромагнитного эфира — всепроникающей среды, способной передавать электромагнитные сигналы, являющейся носителем электрического и магнитного полей и электромагнитных колебаний. Электромагнитное поле, предполагалось, — это форма движения эфира. Существование всепроникающего эфира делало инерциальные системы при изучении электромагнитных явлений не изолированными от него, поэтому принцип относительности Галилея становился в этих случаях неприменимым. В рамках теории электромагнитного эфира ньютоновское абсолютное пространство было отождествлено с Мировым эфиром, в связи с чем была предпринята попытка обнаружить «эфирный ветер», то есть обнаружить движение относительно эфира, это и было бы абсолютным движением.
Для определения абсолютного движения Майкельсоном был поставлен опыт по следующей схеме (рис. 22). Свет от источника И на полупрозрачном зеркале З3 разделяется на два луча 1 и II, которые попадают на зеркала З1 и З2 и отражаются от них. Луч 1, прошедший путь З3З1З3, и луч II, прошедший путь З3З2З3, встречаясь, дают интерференционную картину, видимую наблюдателем Н. Пусть интерферометр движется относительно эфира со скоростью v вдоль плеча Н — З2 и в приборе наблюдается интерференция. При повороте интерферометра на 900 относительно первоначального движения в эфире путь, проходимый лучами 1 и II, при наличии «эфирного ветра» будет иной, чем в первом случае, и интерференционная картина изменится.
Рис. 22
Опыт А. Майкельсона показал, что интерференционная картина своего вида не меняет, то есть, эфирного ветра нет, принцип относительности Галилея оказался справедливым для электромагнитных явлений, следовательно, эфир как таковой отсутствует. В последующем эксперимент А. Майкельсона повторялся неоднократно в различных вариантах и во всех случаях с тем же результатом.
Кроме опыта Майкельсона эфирная теория встретила и другие затруднения. Поляризация света приводит к необходимости считать световые волны поперечными, а поперечные, или сдвиговые, волны существуют только в твердых телах. Распространение света на большие расстояния указывает на малое затухание этих волн, что возможно только в абсолютно твердых и упругих телах. С другой стороны, эфир должен быть проницаем и проникаем, так как тела, двигающиеся в нем, не испытывают сопротивления своему движению, он должен свободно проникать в твердые прозрачные тела через которые проходит свет. Таким образом, эфир должен обладать взаимоисключающими свойствами.
Волноподобное взаимодействие света со светом — интерференция и света с препятствием — дифракция, не могут служить подтверждением наличия светонесущей среды, так как из волноподобного взаимодействия не следует однозначно наличие волн. Например, двигаясь с некоторой скоростью относительно гофрированной поверхности (стиральная доска) и ощупывая ее, получаем волноподобное взаимодействие, такое же, как взаимодействие волн на воде с плавающей пробкой, пробным телом. При одинаковом математическом описании во втором случае имеем взаимодействие волны и пробного тела, а в первом — никаких волн нет.
При вычислении скорости света в инерциальной системе, движущейся относительно излучателя с некоторой скоростью v, или, что то же самое, в системе, относительно которой движется излучатель с той же скоростью v, чтобы получить постоянную по величине скорость света, изначально надо согласиться с тем, что пространство и время изменяются по правилам преобразований Лоренца. Но такой прием должен рассматриваться как соглашение — философский конвенционализм для постулата с = const. Право применения преобразований Лоренца в эфирной теории было результатом попытки согласовать отсутствие «эфирного ветра» и существование самого эфира. Но так как в дальнейшем было окончательно установлено, что единой среды носителя электромагнитного излучения эфира нет, то применение преобразований Лоренца стало ни чем не обоснованным произволом. Поэтому наблюдения и опыты по измерению скорости света от движущегося источника должны рассматриваться методами и в понятиях классической физики, как это было сделано выше.
Если стоять на позиции материалистической методологии познаваемости мира, экспериментального обоснования выдвигаемых теорий, то эфирные теории с их принципиально не познаваемыми мистическими элементами должны быть отвергнуты.
Несмотря на все перечисленные противоречия, большинство которых к концу XIX века было известно, эфирная теория Гюйгенса вытеснила ньютоновскую корпускулярную и заняла господствующее положение. Однако ее противоречия не только не исчезли, но приняли кризисные черты мировоззренческого характера: электромагнитные волны есть, наблюдаются, регистрируются, а среды, носителя этих волн — эфир, обнаружить не удается. Всевозможные ухищрения в построении моделей эфира, в том числе и пересмотр фундаментальных основополагающих понятий о пространстве, времени, материи, не давали логически и опытно непротиворечивой картины мира.
9. Изобретение теории относительности
В описанных выше условиях изобретение теории относительности было, в какой то мере закономерным актом, но ее появление только усугубило существующий кризис. Здесь слово «изобретение» для теории относительности не оговорка, а констатация того, что она действительно изобретена, собрана полностью из элементов эфирной теории, только в ином порядке, как в детском конструкторе. В ней нет ни одного нового элемента в сравнении с предшественницей, нет ни одного нового открытия. Это хорошо показано, например, в работе «Эйнштейновская теория относительности» Макса Борна, автора, «лично принимавшего деятельное участие в главных научных событиях первой половины ХХ века». Рекомендуемая книга объемная, но описываемые в ней теории могут быть схематично изложены довольно кратко [15].
Суть эфирной теории. Экспериментальные успехи в изучении оптических явлений в Х1Х веке убедили научный мир в том, что свет — это волны эфира. Но проведенный в 1881 г. А. Майкельсоном опыт по обнаружению эфирного ветра испортил стройную картину. Никакого эфирного ветра не было, скорость света во всех направлениях относительно источника была одна и та же. Принять очевидный вывод из названного эксперимента: представления о существовании эфира ложные и следует возвращаться к корпускулярным идеям И. Ньютона — многие физики не могли. Стали искать иные причины. Чтобы согласовать опыт Майкельсона и существующий в их воображении эфир, некоторые ученые излагали фантастические, можно сказать, бредовые мысли.
В 1892 г. Дж. Фитцджеральд высказал предположение, что тела при движении, взаимодействуя с эфиром, сокращаются в направлении своего движения и искажением прибора компенсируется не обнаружимое движение относительно эфира. Подобных взглядов придерживался Дж. Лармор. Наиболее радикально поступил Г. Лоренц. Переводя идеи Фитцджеральда в математические формулы, чтобы получить постоянную по величине скорость света, он приходит к необходимости считать не только изменение размеров тел в движущейся системе, но также изменение течения времени пропорционально скорости движения системы относительно эфира. Подчеркнем особо, изменение течения времени найдено Лоренцем не в результате экспериментов и наблюдений, а школярным методом в ходе математической подгонки опытов Майкельсона под эфирные представления. Полученные математические уравнения впоследствии стали называться преобразованиями Лоренца. При вычислении по данным уравнениям скорость света всегда получается одна и та же, следовательно, движение относительно эфира не может быть зафиксировано. Так соединилось экспериментальное постоянство скорости света с воображаемым эфиром.
