Файл: Кляус, Е. М. Гендрик Антон Лоренц, 1853-1928.pdf

XI

Теория эфира

1

История учения об эфире восходит к древнеиндийской философии и к древнегреческим натурфилософским систе­ мам. Эфир понимали как материальную субстанцию, но несравненно более тонкую, чем видимые и ощущаемые тела. В статье «Эфир» Максвелл писал, что гипотезу эфира различные мыслители поддерживали по различным причинам. «Для тех, кто поддерживал как философский принцип воззрение, что все пространство наполнено,— тот принцип, что природа боится пустоты,— было доста­ точным основанием, чтобы предложить всенаполпяющий эфир, если бы даже всякий другой аргумент говорил против»1.

В новое время сдали приписывать эфиру более опре­ деленные физические свойства и многие явления объяс­ нять действием эфира- В 1600 г. Гильберт писал, что теплота есть результат действия тончайшей жидкости — «материального эфира». Своеобразна концепция эфира у Декарта. Ои полагал, что от всех свойств, познаваемых нами в телах, можно отвлечься, за исключением протя­ женности. Природа материального тела — в его протя­ женности. Не существует ни атомов, ни пустого пространства. Протяженность — основное свойство материи.

Однако наличие тел, которые мы видим разделенными между собой, служит для Декарта доказательством нали­ чия непрерывной между ними среды — эфира. Трак­ товка эфира Декартом сложна и противоречива и весьма часто приближается к атомистике. В письме к Мерсенну

1 Д. К, Максвелл. Статьи и речи. М., «Наука», 1968, стр. 193,

205

от 25 февраля 1630 г. Декарт писал, что в воздухе и во всех сжимающихся телах имеются столь тонкие частицы, что они могут проходить и через поры золота и вообще всех тел, какова бы ни была их плотность. В 1631 г. Декарт провел аналогию между массой шерсти, волокна которой разделены воздухом, и частицами обычной мате­ рии, в порах которой движется эфир. Различие между цветами Декарт объясняет неодинаковыми скоростями шариков-атомов, составляющих эфир. В теориях Декарта по поводу различных физических явлений, связываемых с эфиром, отсутствуют какие-либо попытки производить количественные расчеты.

Взгляды Ньютона на эфир были также сложными. Много лет он стремился найти механизм тяготения в свойствах эфирной среды. Маклорен в сообщении об этом открытии Ньютона писал: «Из его писем к Бойлю явствует, что таково было его давнишнее мнение, и если он не обнародовал его раньше, то это произошло только вследствие того, что, как он нашел, ему не удавалось из опыта и наблюдений дать удовлетворительных сведений об этой среде и о том, каким образом он [механизм тяготения] действует, производя основные явления при­ роды».

«Математические начала натуральной философии» Ньютон закапчивает словами: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, прони­ кающем все сплошные тела-и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых рассто­ яниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на боль­ шие расстояния как отталкивая, так и притягивая близ­ кие малые тела, свет испускается, отражается, прелом­ ляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и пока­ заны» 2. Одновременно Ньютон отрицал декартову теорию

-И. Ньютон. Математические начала натуральной философии.— В кн,: «Собрание трудов А. Н. Крылова»,!. VII, 1936, стр, 662.

206

эфирных вихрей из-за ее неспособности количественно объяснить движения планет.

Выдвижению гипотезы об эфире способствовало стрем­ ление объяснить с единой точки зрения разнообразные явления. У Гюйгенса мы встречаемся с вихревой теорией тяготения и эфирной теорией . света. Согласно учению Гюйгенса, световой эфир состоит из весьма маленьких, невидимых, хаотически расположенных частиц, находя­ щихся в постоянном движении и свободно проходящих сквозь любые твердые и жидкие тела. Для объяснения большой скорости света Гюйгенс предполагает, что части­ цы эфира состоят из материи, приближающейся к совер­ шенной твердости и сколь угодно быстро восстанавли­ вающей свою форму. Существенным для Гюйгенса было допущение о равенстве размеров частиц эфира. Если бы частицы были не равны, то из закона удара следовало, что при передаче движения от меньшей частицы к большей должно получиться некоторое движение назад, к источ­ нику. Однако на опыте такое движение к источнику не наблюдается. При неравенстве частиц отдельные элемен­ тарные обратные движения не составляют общей огибаю­ щей волны и не способны производить видимый свет.

Хотя теория эфира Декарта опиралась на неправильные представления, тем не менее принципы, лежащие в ее основе, получили развитие в работах Гюйгенса и Лейб­ ница. %

Учение Гюйгенса об эфире получило высокую оценку Максвелла. Он писал: «...все вводившие эфиры для объяс­ нения явлений не могли указать, какова природа дви­ жения этих сред и, не могли доказать, что среды, ими придуманные, производят те эффекты, для объяснения которых они и были придуманы. Только один эфир пе­ режил остальные, это — эфир, придуманный Гюйгенсом для объяснения распространения света»3.

Как и Декарт и Гюйгенс, Лейбниц принимал сущест­ вование мирового эфира. Движение эфира производит световые явления, порождает силу тяжести, обеспечивает упругость тел.

3 Д. К. Максвелл. Статьи и речи, стр. 194.

207

2

Различные направления в учении об эфире в XVIII в. были многочисленны и не привели к каким-либо сущест­ венным результатам ни в оптике, ии в теории тяготения. С половины 40-х годов XVIII столетия Эйлер в своих оптических сочинениях выступал против теории истече­ ния; в работах о строении материи он выступал против действия на расстоянии. Эти явления Эйлер пытался объяснить эфиром, наполняющим все тела Вселенной. Он писал, что свет производится определенным движе­ нием собственных частичек. Это движение передается соседнему эфиру. Эйлер приводит мотивы, характерные для XVIII в.: уменьшение плотности воздуха привело бы к увеличению скорости звука, скорость выросла бы с увеличением упругости воздуха. Если представить себе, что плотность воздуха стала равной плотности эфира, а упругость достигла бы упругости эфира, то необычай­ ная скорость света перестала бы быть парадоксом.

Навье, Пуассон, Коши, Грин активно разрабатывали теорию упругого эфира. Коши предполагал, что эфир состоит из мельчайших частиц и представляет собой упру­ гую среду. Частицы можно рассматривать как математи­ ческие точки ввиду их малости по сравнению с расстоя­ ниями между ними. Эфир, находящийся внутри тел, состоит из двух частей: одна уплотнена вокруг частиц материи, а другая свободна. Он предположил также, что упругость эфира во всех телах одинакова, а плот­ ность различна. Опираясь на эти гипотезы, Коши нашел связь между коэффициентами преломления и периодом колебания лучей.

«Гипотеза об эфире,— пишет Эйнштейн,— приобрела новую поддержку в первой половине XIX столетия, когда стало очевидным глубокое сходство между свой­ ствами света и свойствами упругих волн в материальных телах. Стало несомненным, что свет можно представить себе как колебательный процесс в упругой среде, обла­ дающей инертной массой и заполняющей Вселенную. Далее, из явления поляризации света с необходимостью вытекало, что эта среда — эфир — должна быть подобна твердому телу, поскольку только в твердом теле, но не в жидкости возможны поперечные колебания. Таким об­ разом пришли к теории «квазиупругого» светового эфира,

208

частицы которого могут совершать лишь небольшие де­ формационные движения, соответствующие световым вол­ нам» 4.

Существенно новое в учение об эфире внесла оптика О. Френеля. Отражение света от прозрачных тел Фре­ нель объяснял тем, что плотность эфира в телах больше, чем вне их. Упругость Эфира он полагал одинаковой в обеих средах. Изменение плотности происходит скачком на поверхности, на которой происходит отражение и преломление. Эти гипотезы совместно с предположением, что сумма живых сил преломленного и отраженного лу­ чей света равна живой силе падающего луча, позволили ему показать, что для угла поляризации весь свет, поляризированный в плоскости падения, должен полностью отразиться. Свет, поляризованный в перпендикулярной плоскости, должен полностью проходить. Таким образом Френель определил для любого угла падения интен­ сивность обоих перпендикулярно друг другу поляризован­ ных отраженных лучей и обоих перпендикулярно друг другу поляризованных преломленных лучей 5.

Буссинек считал эфир повсюду одинаково плотным и упругим. Замедление различных световых волн в проз­ рачных средах он объяснял взаимным влиянием колеб­ лющегося эфира и частицы тела. Отсюда следовало, что в телах свет должен распространяться медленнее, чем в пустоте. На основе этих представлений Буссинек вывел френелевские законы двойного преломления, формулу дисперсии, аналогичную формуле Коши.

3

Начиная с последней четверти XIX в. особое значение приобрело учение Лоренца об эфире.

В 1901 г. в лекциях, читанных в феврале и марте, Лоренц говорил: «Световые явления привели нас к пред­ ставлению, что во всяком пространстве, не содержащем ни твердого, ни жидкого, ни газообразного тела, всегда присутствует еще среда, обозначаемая именем эфира.1

1А. Эйнштейн. Эфир и теория относительности.— В кн.: А. Эйнш­ тейн. Собрание научных трудов, т. I, стр. 683.

6См.: Ф. Роаенбергер. История физики, ч. III, вып. 2,1936. М.—Л., стр. 129 и след.

Если мы доведем воздух до высшей степени разрежения, которая только возможна при современных средствах, то останется эфир; оп имеет в этом случае, насколько мы знаем, всегда один и те же свойства, одинаковые со свой­ ствами эфира мирового пространства. Таким образом, эта среда обнаруживает однообразие, которое порази­ тельно отличает ее от разнородных тел, доступных вос­ приятию наших органов чувств. Эфир должен быть чем-то совершенно особенным»6.

В 1902 г. в речи, произнесенной при получении Нобе­ левской премии, Лоренц говорил о материальном мире, состоящем из трех сущностей: 1) ощущаемой или весомой материи, 2) электронов, 3) эфира. Лоренц указывает, что после открытия Фарадея и даже независимо от него были сделаны попытки использовать эфир в теории элек­ тричества. Эдлунд отождествил эфир с электрическим флюидом. Положительно заряженному телу он припи­ сывал избыток эфира, а отрицательно заряженному — недостаток. Эдлунд объяснял таким образом электро­ статические и электродинамические явления. Он полагал, что все происходящее в природе не может произойти мгновенно, а требует определенного времени. «Предло­ женный Эдлундом путь полного отождествления эфира и электричества не мог вести к удовлетворительному объединению оптических и электрических явлений. Ло­ ренц из Копенгагена уже ближе подошел к цели. Но вы знаете, что истинными основоположниками современ­ ных воззрений в этой области были Клерк Максвелл и Герц» 7.

После Максвелла и Герца стали рассматривать эфир как посредник не только оптических, но и электромаг­ нитных явлений. Вопрос о природе эфира стал более сложным. «Нужно ли себе представлять эфир как сильно разреженную упругую среду, состоящую из атомов, очень малых по сравнению с обычными? Или эфир является несжимаемой, невязкой жидкостью, движущейся по за­ конам гидродинамики, т. е. жидкостью, в которой воз­

210

XII

Принцип относительности в работах Лоренца

1

В 1892—1893 гг. Лоренц высказал гипотезу сокра­ щения продольных размеров тел при их движении1. Эта гипотеза была призвана объяснить отрицательный резуль­ тат опытов, ставившихся для обнаружения эффектов вто­ рого порядка. Фитцджеральд сообщил Лоренцу, что он на своих лекциях уже давно излагает эту гипотезу. В даль­ нейшем Лоренц указал, что в литературе он нашел упо­ минание о гипотезе сокращения только в статье Лоджа.

(1)

Лоренц стремился придать этому сокращению физи­ ческий смысл. В состоянии покоя система зарядов, состав­ ляющих тело и определяющих его размеры, находится в некотором равновесии. При движении тела возникают магнитные поля, меняются взаимодействия зарядов, опре­ деляющие собой условия равновесия атомов движуще­ гося тела, и равновесие нарушается.

Лоренц предпринимал много попыток разрешить труд­ ности, возникавшие при объяснении случаев, в которых можно обнаружить величины, пропорциональные второй степени отношения скорости поступательного движения

кскорости света. Существенный шаг был им сделан в рабо-

1Н. Lorentz. The relative motion of the Earth and the ether.— «Verslag Koninkl. akad. wet. Amsterdam.», 1892, 1, p. 97; С. P.,

у. IV, p. 224.

212