Теории эфира в физике

Введение

Набор теорий

В истории физики эфирные теории (также известные как теории эфира) постулируют существование среды, пронизывающего пространство вещества или поля, как среды для передачи электромагнитных или гравитационных сил. С развитием специальной теории относительности теории, опирающиеся на материальный эфир, утратили актуальность в современной физике и были заменены более абстрактными моделями. Этот ранний современный эфир мало связан с эфиром классических элементов, от которого и произошло название. Разнообразные теории отражают различные представления об этой среде и веществе.

Светоносный эфир

Исаак Ньютон предполагает существование эфира в Третьей книге «Оптики» (1-е изд. 1704; 2-е изд. 1718): «Не становится ли эта эфирная среда, выходя из воды, стекла, кристалла и других компактных и плотных тел в пустое пространство, все плотнее и плотнее по мере удаления, и тем самым преломляет лучи света не в точке, а постепенно изгибая их по кривым линиям? Разве эта среда не гораздо более разрежена внутри плотных тел Солнца, звезд, планет и комет, чем в пустом небесном пространстве между ними? И при переходе от них на большие расстояния, не становится ли она все более и более плотной непрерывно, и тем самым не вызывает ли она притяжение этих больших тел друг к другу и их частей к телам; всякое тело стремится удаляться от более плотных частей среды к более разреженным?» В XIX веке светящийся эфир (или просто эфир), понимаемый как светоносная среда, представлял собой гипотетическую среду для распространения света. Джеймс Клерк Максвелл разработал модель для объяснения электрических и магнитных явлений, используя эфир, модель, которая привела к уравнениям Максвелла и пониманию того, что свет является электромагнитной волной. Позже, в конце 1800-х годов, была проведена серия все более точных экспериментов, включая эксперимент Майкельсона — Морли, чтобы попытаться обнаружить движение Земли сквозь эфир, но никакого эффекта от этого движения обнаружено не было. Ряд предложенных теорий увлечения эфира мог объяснить нулевой результат, но они были более сложными и часто использовали произвольные коэффициенты и физические предположения. Джозеф Лармор рассматривал эфир как движущееся магнитное поле, вызванное ускорением электронов. Хендрик Лоренц и Джордж Фрэнсис Фицджеральд, в рамках теории эфира Лоренца, предложили объяснение тому, почему эксперимент Майкельсона — Морли мог не обнаружить движение сквозь эфир. Однако первоначальная теория Лоренца предсказывала, что движение сквозь эфир должно создавать эффект двойного лучепреломления, который Рэйли и Брейс проверили, но не обнаружили (эксперименты Рэйли и Брейса). Все эти результаты потребовали полного применения преобразований Лоренца Лоренцем и Джозефом Лармором в 1904 году. Подводя итог результатам, полученным Микельсоном, Рэйли и другими, Герман Вейль позже писал, что эфир «скрылся в царстве теней в последней попытке избежать пытливого поиска физика». Помимо большей концептуальной ясности, специальная теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 года могла объяснить все экспериментальные результаты, не прибегая к эфиру вообще. В конечном итоге это привело большинство физиков к выводу, что прежнее представление о светящемся эфире не является полезной концепцией.

Isaac Newton suggests the existence of an aether in the Third Book of Opticks (1st ed. 1704; 2nd ed. 1718): "Doth not this aethereal medium in passing out of water, glass, crystal, and other compact and dense bodies in empty spaces, grow denser and denser by degrees, and by that means refract the rays of light not in a point, but by bending them gradually in curve lines? Is not this medium much rarer within the dense bodies of the Sun, stars, planets and comets, than in the empty celestial space between them? And in passing from them to great distances, doth it not grow denser and denser perpetually, and thereby cause the gravity of those great bodies towards one another, and of their parts towards the bodies; every body endeavouring to go from the denser parts of the medium towards the rarer?" In the 19th century, luminiferous aether (or ether), meaning light bearing aether, was a theorized medium for the propagation of light. James Clerk Maxwell developed a model to explain electric and magnetic phenomena using the aether, a model that led to what are now called Maxwell's equations and the understanding that light is an electromagnetic wave. Later, a series of increasingly careful experiments were carried out in the late 1800s, including the Michelson–Morley experiment, to try to detect the motion of Earth through the aether, but no drag was detected. A range of proposed aether dragging theories could explain the null result but these were more complex, and tended to use arbitrary looking coefficients and physical assumptions. Joseph Larmor discussed the aether in terms of a moving magnetic field caused by the acceleration of electrons. Hendrik Lorentz and George Francis FitzGerald offered, within the framework of Lorentz ether theory, an explanation of how the Michelson–Morley experiment could have failed to detect motion through the aether. However, the initial Lorentz theory predicted that motion through the aether would create a birefringence effect, which Rayleigh and Brace tested and failed to find (Experiments of Rayleigh and Brace). All of those results required the full application of the Lorentz transformation by Lorentz and Joseph Larmor in 1904. Summarizing the results of Michelson, Rayleigh and others, Hermann Weyl would later write that the aether had "betaken itself to the land of the shades in a final effort to elude the inquisitive search of the physicist". In addition to possessing more conceptual clarity, Albert Einstein's 1905 special theory of relativity could explain all of the experimental results without referring to an aether at all. This eventually led most physicists to conclude that the earlier notion of a luminiferous aether was not a useful concept.

Механический гравитационный эфир

С XVI до конца XIX века гравитационные эффекты также моделировались с использованием эфира. В примечании к концу своей работы "Динамическая теория электромагнитного поля" Максвелл обсудил модель гравитации, основанную на среде, аналогичной той, которую он использовал для электромагнитного поля. Он заключил, что эта среда обладала бы "огромной внутренней энергией" и неизбежно должна была бы сжиматься в областях с массой. Он не мог "понять, каким образом среда может обладать такими свойствами", и поэтому не стал развивать эту идею дальше. Наиболее известной формулировкой является теория гравитации Ле Сейжа, хотя различные варианты этой идеи рассматривались Исааком Ньютоном, Бернардом Риманом и лордом Кельвином. Например, Кельвин опубликовал статью о модели Ле Сейжа в 1873 году, в которой он признал предложение Ле Сейжа термодинамически несостоятельным и предложил возможный способ его исправления, используя тогда популярную вихревую теорию атома. Впоследствии Кельвин пришел к выводу, что ни одна из этих концепций сегодня не считается жизнеспособной научным сообществом.

Общая теория относительности

Альберт Эйнштейн иногда использовал слово "эфир" для обозначения гравитационного поля в общей теории относительности, но единственное сходство этой релятивистской концепции эфира с классическими моделями эфира заключается в наличии физических свойств в пространстве, которые можно определить посредством геодезических линий. Как утверждают историки, например Джон Стахель, взгляды Эйнштейна на "новый эфир" не противоречат его отказу от эфира в 1905 году. Сам Эйнштейн подчеркивал, что к этому новому эфиру нельзя приписать ни "вещества", ни состояния движения. Использование Эйнштейном слова "эфир" не получило поддержки в научном сообществе и не оказало никакого влияния на дальнейшее развитие современной физики.

Квантовый вакуум

Квантовая механика позволяет описывать пространство-время как непустое на чрезвычайно малых масштабах, флуктуирующее и порождающее пары частиц, которые возникают и исчезают с невероятной скоростью. Некоторые, например Пол Дирак, предполагали, что этот квантовый вакуум может быть современным физическим эквивалентом дискретного эфира. Однако гипотеза эфира Дирака была обусловлена его неудовлетворенностью квантовой электродинамикой и не нашла поддержки в научном сообществе. Физик Роберт Б. Лафлин писал:

Пилотные волны

Луи де Бройль утверждал: "Любую когда-либо изолированную частицу следует представлять как находящуюся в непрерывном "энергетическом контакте" со скрытой средой". Однако, как указал де Бройль, эта среда "не могла бы служить универсальной средой отсчета, так как это противоречило бы теории относительности".