Эфир, гипотетическая материальная среда

Эфир, гипотетическая материальная среда, которой в классической физике приписывали роль «носителя»   электромагнитных и гравитационных  полей. Современная физика рассматривает электромагнитное поле (и другие поля) как самостоятельную физическую реальность, как одну из форм материи и отвергает существование эфир — универсальной мировой субстанции, наполняющей всё пространство. Тем не менее, развитие взглядов об эфире представляет большой исторический и методологический интерес. Отказ от эфира означал крушение механистической физики.

Проблема эфира в физике возникла в XVII в. Важнейшей задачей физики в то время было объяснение движения планет и других тел солнечной системы. Кеплер установил кинематические законы обращения планет вокруг Солнца, Ньютон открыл количественный закон тяготения. Естественно, возник вопрос: что же вызывает всеобщее притяжение тел, как эта сила передаётся от одного тела к другому через разделяющее их пространство, чем можно объяснить самый закон тяготения? Можно наглядно себе представить передачу действия при прикосновении (удар или давление), но как передаётся воздействие через огромные расстояния?

Решение этой проблемы Декартом состояло в утверждении, что в природе нет пустого пространства, и кажущаяся пустота в действительности заполнена сплошной субстанцией, единственным атрибутом которой является протяжённость. Отдельные тела образуются в результате относительного движения частей (элементов) этой среды. Вся солнечная система представляет собой громадный вихрь, вращающийся вокруг своей оси. Однако Декарту пришлось чрезвычайно усложнить свою картину мира, чтобы как-либо объяснить известные уже в то время факты. Его последователи вынуждены были отказаться от представления о сплошной мировой среде.

Гюйгенс, Ломоносов, Эйлер рассматривали эфир как чрезвычайно «тонкий и упругий» газ; движениями и толчками частичек этого газа стремились объяснить не только тяготение, но и другие виды взаимодействия материальных тел. Однако идея о газообразном эфире, по мере увеличения количества фактов, подлежавших объяснению, становилась всё более противоречивой и запутанной. Ньютон выдвинул против картезианских эфирных теорий тяготения простой аргумент: как могут двигаться сквозь подобную среду планеты и кометы, не теряя своей энергии? А между тем движения небесных тел не встречают никакого   сопротивления. Сторонники учения   о газообразном эфире не сумели разрешить эту загадку. Более того, чтобы объяснить различные виды взаимодействий тел на расстоянии (электрические, магнитные, молекулярные «сцепления»), приходилось придумывать столько «эфиров», сколько было известно тогда видов взаимодействия. Теории эфиров были надолго дискредитированы. Победила формальная концепция дальнодействия, приписывавшая телам способность действовать друг на друга на расстоянии (actio in distans), выдвинутая последователями Ньютона.

В первой четверти XIX в. начинается новый этап развития представлений об эфире. Юнг и Френель доказали, что свет — не поток корпускул, как утверждал Ньютон, а волновой процесс, распространяющийся от излучающего тела во все стороны. Было доказано, что световые колебания — не продольные, а поперечные. Следовательно, должна существовать среда, в которой эти колебания происходят. Физика снова вернулась к признанию эфира. Но световые волны — поперечны, а поперечные колебания немыслимы в жидкости или в газе, они могут совершаться только в твёрдых телах. Эфир, следовательно, должен быть упругой, твёрдой средой. Но как через твёрдую среду могут двигаться тела, например, планеты? Стокс обошёл эту трудность, указав, что существуют тела, проявляющие свойства твёрдых при быстрых и кратких воздействиях, и жидких — при медленных воздействиях (например, сапожный вар).

Однако при попытках объяснить динамически явления распространения света в твёрдом эфире физики столкнулись с непреодолимыми трудностями. Укажем на одну из них. Какое бы возмущение — продольное или поперечное — ни распространялось в твёрдой среде, при переходе его из данной среды в другую, обладающую иной плотностью или упругостью, должны возникать как поперечные, так и продольные волны. Но при переходе света из одной среды в другую не возникает никаких продольных волн. Это обстоятельство не поддаётся никакому объяснению.

Следовательно, эфир не может быть материальной средой, обладающей «нормальными» механическими свойствами. Мак-Келлаг (Mac Cullagh) установил, что если представить себе эфир как упругую среду, элементы которой противодействуют не деформации (как в обычных телах), а абсолютному вращению, то такой эфир не противоречит законам оптики.

Положение ещё более осложнилось после открытия существования электромагнитного поля и доказательства электромагнитной природы света. Свойства эфир как носителя электрических и магнитных действий должны были объяснить законы электромагнитного поля (законы Максвелла). Но это оказалось невозможным. Например, электрическое поле связано с зарядом-источником поля, но оно существует и в световом поле; придумать эфирную механическую модель электрического поля можно либо для первого случая, либо для второго. Но такой модели эфира, которая объяснила бы оба вида электрического поля, придумать никому не удалось, она неизбежно противоречива.

Наконец, все фантастические допущения о причудливых свойствах твёрдого эфир, придуманные ad hoc, были отброшены. Максвелл, У. Томсон и др. приступили к разработке теории эфира, как идеальной жидкости. Физики надеялись на этом пути освободиться от произвольных гипотез о свойствах эфира.

Электрическое и магнитное поле стали рассматривать как проявление взаимодействия вихрей в эфире (как известно, вихри могут притягиваться и отталкиваться). Но вихревая теория к концу XIX в. также зашла в тупик. Согласно электронной теории, каждый электрон связан с электрическим и магнитным полем. Следовательно, каждый электрон должен быть узлом вихревых нитей в эфире. При движении электронов эти нити должны образовать запутанный клубок ибо проходить друг через друга они не могут. Теории эфира как идеальной жидкости также оказались несостоятельными.

Итак, эфир — не твёрдое тело, не жидкость, не газ. Его части не испытывают ни деформации, ни вращений, ни перемещений (ещё Френель вынужден был признать, что части эфира не перемещаются друг относительно друга). Что же такое эфир? Физику, труды которого завершили эпоху классики, — Г. А. Лоренцу пришлось предположить, что эфир — абсолютно неподвижная среда, заполняющая весь мир, проникающая сквозь вещество и обладающая единственным свойством — быть носителем (субстратом) полей. Электромагнитное поле заряда изменяется при его движении относительно эфира.

Однако и этот последний атрибут эфира вскоре исчез. Ибо, как выяснили исследования по электродинамике движущихся сред, движение заряженных тел относительно эфира (т. е., в сущности, абсолютное движение) ни в чём себя не обнаруживает. Важны лишь относительные движения заряженных тел. После создания теории относительности идея эфира была отброшена. Современная физика не ищет никакого «носителя» для полей, являющихся особыми видами материи, несводимыми к веществу (хотя они и связаны с последним). Вместе с эфиром сошла со сцены основная механическая концепция в физике. Её продолжают придерживаться лишь отдельные учёные, не желающие порывать со старым механистическим, метафизическим материализмом в науке. См. физика, XLIII, 311/13, 325/26, 335/41.

Р. Штейнман.