Эфир и его математические модели
Бильфингер; Бернулли; Эйлер; Ломоносов
световой эфир 1-й половины XIX века:
Юнг и Френель; Навье; Коши; Грин; Стокс; МакКаллах
электромагнитный эфир 2-й половины XIX века:
Дж.Дж. Томсон; Лармор; Лоренц; Лодж; Пуанкаре; Менделеев; Миткевич; Кастерин
эфир как особо чистый воздух
В Древней Греции эфиром назывался тонкий и чистый слой верхнего воздуха; продолжавший обычный, нижний воздух, аэр. В эфире располагалась вершина Олимпа, где обитали боги. Гомер называл эфир "чертогом Зевса". У Гесиода эфир тоже был верхним, чистым слоем воздуха. Вместе с тем, в его теокосмогонии появился Эфир как одно из божеств- прародителей мира: Хаос породил Эреб (Мрак) и Ночь, те – Эфир и День, от них пошло дальнейшее порождение мира. Возможно, гесиодовское "божество Эфир" понималось как управляющее горним миром или как олицетворение эфира.
У ранних философов эфир также представлял собой слой верхнего воздуха, тонкий и чистый. В орфическом гимне Эфиру он "разделял светила и землю", "дышал светом". В других орфических гимнах упоминались "пространство эфира", "свет эфира", "эфирные струи". Анаксагор (около –470 г.): эфир похож на земной воздух, только более горячий, сухой и разрежённый. Эмпедокл (около –450 г.) соотносил эфир с воздухом. У Платона в диалогах "Тимей", "Кратил" эфир – "прозрачнейшая разновидность воздуха"; в диалоге "Федон" утверждалось, что эфир заполняет пространство между звездами.
эфир в теокосмогониях
Вместе с тем у ранних философов, как и у Гесиода, продолжал встречаться Эфир – космическая сущность ("божество"). Например, в теокосмогонии орфиков на некотором этапе появились "влажный" Эфир, "беспредельный" Хаос и "мрачный" Эреб (в одном из вариантов Хаос и Эфир были порождены Хроносом). Далее из Эфира, вращавшегося в Хаосе, родилось Космическое Яйцо; из него – двуполый бог Фанес, породивший богов и мир.
В теокосмогонии Ферекида Сиросского (около –540 г.) имелось три начала: Зас (Зевс), Хронос, Хтония; доксографы соотносили Хтонию с землей, Зевса – с эфиром. В другом варианте его космогонии Хронос породил огонь, воду, воздух; из них "родилось новое поколение богов, называемое пятинедровым" (по Дамаскию); среди этих "пятинедровых", видимо, был и эфир. У Эмпедокла Эфир был назван Титаном.
эфир как пятая стихия
Со времён Эмпедокла эфир стал считаться уже не просто "горным воздухом" или "тонким веществом", а стихией/ элементом, входящим в состав тел.
В кругах пифагорейцев, математизировавших мироздание, элемент эфир мог быть соотнесён с додекаэдром. Ранние пифагорейцы знали пять правильных многогранников. "На сфере есть пять тел (правильных многогранников; их можно вписать в сферу)" (Филолай). "Пифагор учил, что есть пять телесных фигур, которые он называл также математическими" (Аэций). Четырём основным стихиям- элементам – Земле, Воде, Воздуху, Огню – пифагорейцы сопоставили, соответственно, куб, икосаэдр, октаэдр, тетраэдр (вариант: строили физические стихии из этих фигур). "Пифагорейцы, желая всё составить из линий и чисел, говорили, что земля имеет форму куба, огонь – пирамиды, воздух – октаэдра, вода – икосаэдра…" (Теофраст, "Мнения физиков"). "Из куба возникла земля, из пирамиды огонь, из октаэдра воздух, из икосаэдра вода" (Аэций). По соображениям симметрии эфиру следовало сопоставить пятый многогранник, додекаэдр. Впрочем, в описаниях ранней пифагорейской системы об этом говорилось невнятно: "…состав же целого (по мнению пифагорейцев) имеет форму додекаэдра" (Теофраст, "Мнения физиков"). Сходно высказался и Платон, в диалоге "Тимей".
Платон, ученик пифагорейцев, в диалоге "Послезаконие" привёл список из пяти стихий, включавший эфир.
Аристотель, ученик Платона, почему-то претендовал на приоритет во введении эфира в натурфилософию – хотя эфир был известен задолго до него. Впрочем, он ввёл эфир не как "верхний воздух", а как пятую стихию, из соображений симметрии, близким к тем, которые могли быть у пифагорейцев при сопоставлении пятой стихии пятому правильному многограннику. А именно, Аристотель считал, что, кроме четырёх стихий – земли, воды, воздуха, огня – у которых "естественное движение" прямолинейно, должна существовать, для удовлетворительного описания явлений природы, пятая, у которой "естественное движение" круговое. Эту стихию/ элемент/ субстанцию он соотносил с горним/ божественным миром. "Существует некая телесная субстанция, отличная от здешних веществ, более божественная и первоначальная, нежели они все".
свойства эфира как стихии
Предполагаемые древними натурфилософами у эфира свойства варьировали.
У Эмпедокла и Платона эфир был близок к воздуху или являлся "разновидностью воздуха".
Стоики считали эфир разновидностью огня; называли его "творческим огнем". Неоплатоник Прокл (+V в.) представлял эфир как "небесный огонь".
Аристотель, стоики считали, что эфир вечен и неизменен, обладает круговым движением.
эфир в составе тел
У Эмпедокла стихия/ элемент эфир участвовал в образовании земных вещей: "из смешенья Воды, и Земли, и Эфира, и Солнца образы все и цвета преходящих возникли созданий".
Со времён Платона, эфир предполагался составляющим, в основном, небесные тела. Аристотель считал, что звёзды, планеты, Солнце состоят из эфира; из него же "возникли разум и мысль" (по Цицерону). Стоики также считали, что звёзды состоят из эфира. Лукреций Кар в поэме "О природе вещей": "эфир питает созвездия".
"Тонкий" эфир стал основным кандидатом на роль состава богов, духов, душ; вообще всего, что не наблюдалось обычными чувствами. Стоики считали, что из эфира состоят души людей. Стоик Хрисипп (–III в.) полагал, что из эфира состоят Мировая Душа. В платонизме +II - +III вв. появилось представление о человеческой душе как осколке небесного эфира. Неоплатоник Прокл (+V в.) разработал теорию "эфирной колесницы" души.
Позже "тонкость" эфира обусловила его назначение на роль "ненаблюдаемой среды, передающей воздействия" – под которой он и стал, в основном, известен в физике.
надземный эфир
Эфир населяли духами, демонами – представление, дошедшее до нашего времени; ср. "Тебя я, вольный сын эфира, возьму в надзвёздные края".
Неоплатоник Гиерокл (+V в.) считал, что в эфир воспаряли души людей после смерти тела.
Натурфилософия и схоластика Средних веков восприняла античные представления об эфире – особо тонком пятом элементе, квинтэссенции. Алхимики соотносили квинтэссенцию и философский камень.
Ранние христианские философы применяли понятие эфира к проблемам теологии. Некоторые считали, как и стоики, что душа человека это "сгусток эфира". По Оригену (+III в.) из эфира состоят тела небесных светил и ангелов. Эриугена (+IX в.) рассматривал "дух" как эфир. Ориген и Эриугена полагали, что после воскресения тела праведников будут эфирными. Согласно теории Эриугены огонь не влияет на эфир и потому грешники, получившие после воскресения воздушные тела, будут в огне гореть а святых с эфирными телами – нет. Эти взгляды Оригена и Эриугены считались еретическими, так как, согласно христианству, люди воскреснут в обычных телах, а не в "эфирных" или "воздушных".
В теологических спекуляциях эфир иногда назывался материей, или умом Бога.
В китайской классической философии было введено понятие ци – некоей тонкой- не воспринимаемой чувствами сущности. Ци обладала следующими свойствами: 1) могла сгущаться в осязаемые тела - растения, металлы, звёзды, человека и т.д. Ван Чун (+I в.): "Ци производит человека подобно тому, как вода производит лёд. Вода сгущается и образует лёд, ци сгущается и формирует человека"[1]; 2) обуславливала взаимодействие не соприкасающихся тел, в частности, музыкальный резонанс. Сунские неоконфуцианцы X - XIII вв. повторили предыдущие представления о ци, – в т.ч. сравнение сгущения ци в тела и воды в лёд.
Китайская ци являлась аналогом европейского эфира, каким он представлялся во времена Декарта - Ньютона. "Ци в известной степени напоминает эфир" (А.А. Петров). "Ци или эфир…" (Фэн Юлань)[2].
Однако, в отличие от европейской физики, в китайской философии не ставились опыты с проверкой высказываемых предположений, не проводился количественный анализ получаемых результатов, не строились математические модели наблюдаемых явлений. Китайские натурфилософские рассуждения о ци (и другие) не развились в эффективные теории, а остались на уровне неопределённых и почти бесполезных для практики утверждений.
С конца Средневековья/ начала эпохи Возрождения, с развитием опытной физики, эфир или близкие к нему по свойствам гипотетические "тонкие субстанции", типа "невесомых жидкостей" (флюидов) начали появляться в причинно-следственных моделях- объяснениях явлений природы, в частности, воздействия удалённых тел. Они "наделяли" тела определёнными качествами. Так, У. Гильберт считал теплоту "результатом действия тончайшей эфирной жидкости" (1600 г.).
Торричелли (1608- 47 гг.) соотносил энергию и квинтэссенцию. "Энергия – это квинтэссенция такой тонкой природы, что она не может содержаться ни в каком другом сосуде, как только в самой сокровенной субстанции материальных вещей".
Рене Декарт (1596 – 1650 гг.) построил теорию взаимодействия удалённых тел, по которой воздействие одного тела на другое передаётся цепочкой толчков/ давления частиц "тонкой среды", занимающей всё пространство, свободное от "плотного" вещества. Такие частицы, находящиеся близ одного тела и испытывая давления от него, передают далее это давление находящимся поблизости частицам; в конце концов, это давление доходит до другого тела.
Теория Декарта позволяла построить причинно-следственные модели воздействий тел на отдалённые от них; выразить такие воздействия через "механические" воздействия – удары и давление. Её можно было применять для объяснения действия электричества, света, тяготения, приливных явлений и пр.
Свойства этой среды, по Декарту, были такими: она занимала всё пространство, кроме тех мест, где есть "обычные" тела; она не оказывала сопротивления движущимся в ней "обычным" телам. Её частицы были более мелкие, чем воздух; абсолютно твёрдые; они плотно прилегали друг к другу; находились в постоянном движении; они занимали места, освобождаемые другими; движения этих замкнутых цепей частиц образовывали вихри.
Эту среду Декарт назвал эфиром, по аналогии с античной пятой стихией, так как предполагаемое им свойство "тонкости" этой среды было близко к свойствам эфира. "Декарт первым ввел понятие эфира в науку, постулировав его механические свойства" (Уиттекер). (Т.е. построил механическую, отчасти механико-математическую) модель).
Гипотезу о существовании передающего воздействия эфира Декарт ввёл в работе "Мир, или трактат о свете" (1634 г.), позже развил в "Первоначалах философии" (1644 г.).
Роберт Гук(1635 - 1703 гг.) воспринял идеи Декарта о передаче гравитации, света, магнетизма и других воздействий удалённых тел посредством эфира. По Гуку, эфир – очень разреженное вещество, тонкая однородная среда, заполняющая всю Вселенную. "Я предполагаю существование тонкого вещества, которое включает и пропитывает все другие тела, которое является растворителем, в котором все они плавают, который поддерживает и продолжает все эти тела в их движении и который является средой, передающей все однородные и гармонические движения от тела к телу"[3].
Однако Гук отказался от декартовых "эфирных вихрей", передающих эти воздействия, и заменил их "эфирными волнами", колебательными, а не вихревыми движениями.
В начале 1660-х гг. Гук заинтересовался вопросами оптики. Наблюдая на тонких пленках интерференцию света (описана в трактате "Микрография", 1665 г.), Гук пришёл к заключению о волнообразном характере его распространении, которое позже выразил в следующей формулировке: свет представляет собой очень быстрые колебания некоторой среды (эфира), возбуждаемые источником света. "Свет является колебательным движением или дрожанием среды, которое производится подобным же движением светящегося тела подобным путем, как звук обычно поясняется дрожащим движением среды, производимым дрожащим же движением звучащего тела" (11 марта 1674 г., выступление в ЛКО)[4].
В 1665 году, когда вышла "Микрография" Гука, была опубликована и работа Ф. Гримальди (1618- 63 гг.) "Физико- математический трактат о свете, цветах и радуге", в которой описывалось явления дифракции света.
В 1672 г. Гук тоже обнаружил дифракцию, возможно, не зная о работе Гримальди, и усмотрел в ней ещё одно подтверждение своей волновой теории.
По Гуку световые волны- эфирные колебания были перпендикулярны к направлению движения, т.е. являлись "поперечными".
Гук также положил начало математической теории упругих твёрдых тел (закон Гука) и газов (закон Бойля- Мариотта, в появлении которого Гук принимал участие, если не был одним из авторов), которые позже стали использоваться в моделях эфира.
Христиан Гюйгенс (1629- 95 гг.), как и Гук, считал свет "волнами в эфире" (1678 г., в сообщении Парижской академии). В Traité de la lumièr ("Трактат о свете", 1690 г.) он изложил математические основы волновой оптики, в которой, в частности, объяснял, на основе волновой теории, прямолинейность распространения света, законы его отражения и преломления, двойного лучепреломления.
Концепцию "свет – это волны в эфире" поддерживали физики XIX в., развивавшие волновую оптику: Френель, Юнг и другие.
Гюйгенс разделял идеи Декарта о вихрях как переносчиках воздействия в эфире; ставил эксперименты с вихревыми движениями; пытался использовать эту концепцию для построения модели тяготения. Его "Трактат о свете" имел приложение "Рассуждение о причине тяжести".
Исаак Ньютон (1642 – 1727 гг.), изучая разные виды взаимодействий удалённых тел, тоже склонялся к предположению о существовании передающей их "тонкой" среды, за которой к тому времени в физике утвердилось название "эфира". "То, что одно тело может воздействовать на другое, находящееся от него на некотором расстоянии, через вакуум без каких либо посредников для меня настолько абсурдно, что, по-моему, ни один человек, обладающий хотя бы малейшим представлением о философских материях, не может в это верить. Тяготение должно иметь причиной некоего посредника" (1673 г.).
Ньютон использовал эфир для объяснения/ построения причинно- следственных моделей явлений тяготения, оптики, электричества, сцепления, упругости, мускульных движений и пр. Эти модели имели "механический" характер – сводили те или иные воздействия к механическим. Так, по Ньютону, воздействия/ движения, обусловленные электричеством, происходили при посредстве испаряющейся и вновь конденсирующейся "эфирной материи". Притяжение (к Земле) действовало так: эфирные потоки прижимали тела к Земле. Впрочем, представления Гука и Гюйгенса о свете как волнах эфира Ньютон отрицал, свет у него распространялся, хотя в эфире, но мелкими частицами- корпускулами (= "гипотеза телесности света").
Ньютон считал эфир газом очень малой плотности. "Мы предполагаем, что эфир подобен воздуху, только более тонок и упруг…"(1675 г.).
"Универсальный" эфир Декарта, пригодный для распространения в нём разных воздействий, Ньютон дополнял разными видами "эфирных духов" или "жидкостей"– гравитационных, электрических,... "…он не однороден и состоит из некоторой грубой материи и различных эфирных жидкостей; эта неоднородность следует, по-видимому, из наличия электрических и магнитных истечений и из существования силы тяжести" (1675 г.). "Эфирные духи" Ньютона можно было бы рассматривать как примитивный аналог современного понятия поля. Больше того, по Ньютону "тончайший эфирный дух" мог "сгущаться" в обычные газы и жидкости. "Возможно даже, что всё сооружение Природы есть не что иное, как сочетания некоторых определенных эфирных духов или паров, как бы сгущенных осаждением, подобно тому, как пар сгущается в воду". Это представление Ньютона можно было бы рассматривать как предварительную форму популярных недавно теорий о частицах как особенностях полей.
Концепция эфира, будучи гипотетической, то принималась Ньютоном, то, в соответствии с его принципом "гипотез не измышляю", отвергалась. В последнем случае эфир заменялся у Ньютона математическими законами физических взаимодействий.
В XVIII веке декартова теория эфира- универсальной посредующей среды и вихрей в нём- передатчиков воздействия, привлекала многих физиков. С её помощью объясняли/ строили причинно- следственные модели тяготения, электричества, магнетизма, света. Другое направление в тогдашней физике продолжало приписывать воздействие теплоты, электричества, тяготения и т.д. истекающим из тел тонким невесомым "жидкостям", или "испарениям"; это направление было близко к корпускулярной теории света Ньютона.
Бильфингер (1693 – 1750 гг.) в работе De Causa Gravitatis Physica Generali ("О причине тяжести", 1728 г.) предложил модель тяготения как результата взаимодействия двух центростремительных (декартовых) эфирных вихрей. В 1726- 31 гг. Бильфингер являлся членом Санкт-Петербургской Академии наук; его работа была напечатана в изданиях СПб АН. В 1731 г. она получила премию Парижской академии.
Бернулли младший (1710- 90 гг.) тоже разделял идеи Декарта об эфире и вихрях в нём как переносчиках воздействий, в частности, тяготения. Он представлял тяготение как результат потока материальных частиц к центру вихря. Работы Бернулли 1730-х гг. по вихревой теории тяготения получали премии Парижской академии.
В 1736 году Бернулли предложил гидродинамическую модель эфира с вихрями в нём и объяснил с её помощью распространения света. Он представлял эфир как жидкость, содержащую много малых вихрей и занимающую всю Вселенную. Эта жидкость упруга, благодаря чему она может передавать воздействия, а её упругость обусловлена вихрями: под действием центробежной силы они стремятся расшириться и давят на соседние. Возмущение от источника света сгущает близкие к нему вихри, те воздействуют на соседние вихри, сгущая их – так в эфире распространяются световые колебания. В этой модели продольные колебания частиц источника света превращались в поперечные колебания эфирной световой волны. Бернулли сравнил такие колебания эфира с колебаниями натянутого шнура, который "если его слегка оттянуть, а потом отпустить, совершает поперечные колебания в направлении, перпендикулярном направлению шнура". Поперечность колебаний эфирной световой волны согласовывалась с эффектом поляризации света, наблюдавшимся в опытах. Работа Бернулли была представлена в 1736 г. в Парижскую АН и получила премию; напечатана в 1752 г.
Эйлер (1707- 83 гг.) рассматривал эфир как "тонкую" универсальную среду, некий аналог упругой "идеальной жидкости", передававшую, путём колебаний её частиц, все виды взаимодействий между телами – гравитационные, электрические, световые,... "свет в эфире, подобно звуку в воздухе, рождается колебательным движением" (Эйлер, в письме Ломоносову 30 марта 1754 г.). Электрические явления производились эфиром, заключённым в порах тел. Если эфир в них находился в равновесии с окружающим эфиром, то тело было нейтрально. Нарушение такого равновесия представляло собой электризацию тела. Тело, в порах которого эфир имел упругость большую, чем окружающий эфир, наэлектризовано положительно, имевшее меньшую упругость наэлектризовано отрицательно. При трении двух разнородных тел поры сжимались и, смотря по тому, у какого тела поры сжимались сильнее, наблюдался переход эфира от одного тела к другому - электризация.
Ломоносов (1711- 65 гг.), как и Эйлер, принимал, в качестве переносчика всех воздействий между отдалёнными телами, универсальный эфир. Его эфир состоял из частиц- шариков, соприкасавшихся друг с другом; более мелких, чем частицы обычных тел. Эфирных частиц имелось три типа: самые большие постоянно соприкасались друг с другом; между ними располагались частицы поменьше; между сферами средних частиц находились самые мелкие частицы. Все три типа обладали независимыми вращательными движениями.
Распространение света представляло собой волновое колебательное движение частиц эфира; при этом свет распространялся поперечными, "зыблющимися" волнами.
Частицы эфира передавали воздействия всех типов, но разными видами движений. "Эфиром сообщается земным телам свет и теплота от солнца. Поэтому заключить должно, оба тою же его материею, но разными движениями производятся". А именно, световые колебания были "зыблющимися", тепловые – "коловратными". Электрическое воздействие передавалось вращательными движениями частиц эфира. "Сим орудием (вращательным движением частиц эфира) электрическая сила действует и ясно представлена, истолкована и доказана быть может". С помощью эфира Ломоносов объяснял и тяготение – как "подталкивание" тел частицами эфира, из-за разности давлений. Таким образом, эфир Ломоносова имел универсальный характер – передавал все виды воздействий – свет, электричество, теплоту,…; при этом различались лишь движения частиц эфира – поперечные (свет), вращения (электричество),…
Математические модели. Теории эфира- посредника воздействий удалённых тел имели вначале, во времена Декарта- Ньютона, "словесно- описательный" характер, хотя уже тогда рисунки вихрей или колебаний в эфире можно было рассматривать как его примитивные математические модели. Математической теорией эфира можно было также считать начавшую развиваться тогда гидродинамику идеальной жидкости. Уравнение движения идеальной жидкости вывел Эйлер (1752 г.). Впрочем, применяться к теориям эфира и развиваться далее эти математические модели стали лишь в XIX веке.
Со 2-ой половины XVIII века интерес к теориям эфира снизился, из-за принятия большинством учёных, благодаря авторитету Ньютона, корпускулярной теории света, конкурента волновой. Также и математическая "безэфирная" теория тяготения Ньютона, дававшая возможность точных количественных предсказаний, победила "описательные" эфирно-вихревые гипотезы Декарта, Бильфингера, Ломоносова. Последователи Ньютона также отклоняли словесно-спекулятивные концепции эфира, соответственно положению "гипотез не выдвигаю". Применить же разработки по гидродинамике идеальной жидкости как математические модели посредующего эфира для описания воздействия магнетизма, электричества, света или гравитации тогда ещё не удавалось.
Световой эфир 1-й половины XIX века
В 1810- 20 гг. волновая теория света, благодаря, в основном, работам Юнга (1773 – 1829 гг.) и Френеля (1788 - 1827 гг.), вновь одолела корпускулярную. Но если корпускулы могли инерционно распространяться и в пустоте, то для движения волн, как полагали тогда, требовалась среда; в качестве её вновь был предложен гипотетический эфир.
Эфир XIX века был "световым", передающим только волны света. Представление об универсальном эфире- переносчике всех видов воздействий, отошло на второй план. Впрочем, Юнг ставил вопрос: "не является ли световой эфир также и электрическим (как посредник в передаче воздействия)".
Юнг и Френель рассматривали эфир как сплошное очень разрежённое "вещество", в котором свет распространялся упругими продольными колебаниями, подобно звуку в воздухе. Свет представлял собой эти колебания. Френель считал, что эфир состоит из частиц, величина которых сравнима с длиной световой волны. Источник света создавал колебания эфира, высокочастотные и быстро распространяющиеся. Тела притягивали эфир, который проникал внутрь них и сгущался там. Плотность эфира в прозрачном теле определяла коэффициент преломления света.
В 1816- 17 гг. Френель и Юнг, изучая поляризацию света, предположили, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Однако поперечные колебания ранее встречались только в упругих твёрдых телах, так что предположения о подобии эфира газу или жидкости пришлось дополнить его подобием и упругим твёрдым телам.
С 1820-х гг., когда волновая теория света доказала свою результативность на новых оптических опытах, вновь началась разработка физических моделей эфира. Вначале эфир представлялся, как и ранее, "квазижидким", подобным жидкости; заполнявшим всё пространство; имевшим исчезающе малый вес - поскольку он не мешал движению планет. Затем свойства эфира и его частиц начали дополняться, так, чтобы они объясняли новые обнаруженные к тому времени в оптических опытах свойства света: законы преломления на границе сред, поляризацию,….
Параллельно в математике разрабатывались теории распространения возмущений в упругих твёрдых средах и в жидкостях, и самих по себе, и как предполагаемых аналогов эфира.
В 1-й половине XIX века физические модели светового эфира и их математические представления строили Навье, Коши, Пуассон, Гамильтон, Стокс, Мак-Каллах и другие.
Навье (1785 - 1836 гг.) считал, что эфир представляет собой вязкую несжимаемую / упругую жидкость. Вязкость эфира рассматривалась им как причина взаимодействий между эфиром и частицами вещества. В 1821 г. Навье вывел уравнение распространения возмущений в несжимаемой жидкости (позже повторенное Стоксом и ставшее известным как уравнение Навье- Стокса).
Коши (1789 - 1857 гг.) рассматривал эфир как упругую твёрдую среду; построил математическую теорию упругости. В 1828 г. Коши развил теорию Навье, а в 1839 г. создал теорию сжимаемого эфира. Учтя утверждение Френеля о том, что эфир состоит из частиц, величина которых сравнима с длиной световой волны, обосновал явление дисперсии света.
Пуассон (1781 – 1840 гг.) считал, что эфир упруг; обобщил уравнение Навье на случай сжимаемой вязкой жидкости; решил ряд задач теории упругости, в частности, обобщил уравнения теории упругости на анизотропные тела.
Грин (1793 – 1841 гг.) считал эфир сплошной квазиупругой газоподобной средой. Постулировав крайне малое сопротивления эфира сжатию (т.е. его подобие разрежённому газу), он объяснил отсутствие в нём продольных волн, следовавшее из опытов и теории Френеля, но не согласовывавшееся с уравнением Пуассона для распространения волн в упругой среде. Наложив на эфир свойство постоянства жёсткости и различия в инерции при переходе между средами, Грин получил формулы, согласовавшиеся с опытами по преломлению света на границе двух сред (1837 г.), а варьируя коэффициенты упругости эфира в анизотропных средах, он получил формулы, согласовавшиеся с опытами по распространению света в кристаллах (1839 г.). В целом, математическая модель эфира, сформулированная в работах Грина, уже позволяла объяснить большинство основных свойств распространения света.
Развив теорию потенциала, Грин использовал её для изучения электричества и магнетизма, и высказал предположение о возможности распространения её методов на оптику и акустику, что вскоре и было сделано.
Предполагаемая "квазиупругость" эфира плохо согласовывалась с его свойством проницаемости по отношению к "обычному" веществу – например, свободному проходу сквозь него небесных тел, а его гипотетическая "газообразность" плохо согласовывалась с поперечностью в нём световых волн – волны в обычных газах были продольными.
Стокс (1819 - 1903 гг.) предположил, что эфир некоторым образом сочетает в себе оба эти свойства, а именно, по-разному реагирует на быстрые движения, типа излучения света, откликаясь на них упругими колебаниями, и на медленные, типа движения планет, не реагируя на них; то есть эфир является "квазиупругим газом" (1845 г.). Подобные идеи были уже отходом от традиционных физических моделей эфира, представлявших его почти обычным веществом, только обладающим более "тонкими" качествами.
МакКаллах (1809- 47 гг.) предложил, для более удовлетворительного объяснения световых явлений, новый тип упругих квазитвёрдых тел – кандидатов на роль эфира (1839 г.). Если обычные упругие тела оказывали сопротивление деформации, но не вращению, то "тела Мак-Каллаха" имели обратное свойство: они сопротивлялись вращению, но не деформации. То есть, они были невосприимчивы к сжатиям и другим изменениям формы, но "реагировали" на повороты. Внутренняя энергия таких тел зависела лишь от вращения; конкретнее, их потенциальная функция являлась квадратичной функцией углов вращения. Частицы упругого квазитвёрдого эфира МакКаллаха обладали вихревым движением; его эфир можно было назвать "вихревым".
Оказалось, что свойства распространения колебаний в такой "искусственной" среде совпадали с известными к тому времени свойствами распространения колебаний света. Позже было замечено совпадение уравнений распространения возмущений в "среде МакКаллаха" с уравнениями для электромагнитного поля в пустоте –"световой" эфир МакКаллаха оказался и "электромагнитным".
Электромагнитный эфир 2-й половины XIX века
До середины XIX века вопрос о посредующей среде или частицах, передающих электрические и магнитные воздействия, находился на втором плане. Физики искали математические законы (исчисления) проявлений магнетизма, электростатики, позднее электродинамики, игнорируя вопрос о посредниках в таких воздействиях. Когда он всё же возникал, то посредниками объявлялись "истекающие из заряжённых тел" электрические/ магнитные "испарения" или "жидкости", что фактически являлось распространением на электричество и магнетизм корпускулярного подхода Ньютона. Хотя во второй половине XVIII века Пристли (1733 - 1804 гг.) всё же ставил вопрос: не совпадает ли "электрическая жидкость" с эфиром?
Фарадей (1791 - 1867 гг.) стал систематически использовать для описания действия магнита понятие силовых линий, эпизодически встречавшееся и до него. Силовые линии Фарадея воздействовали на тела, заполняли всё пространство, и представляли собой, так сказать, эрзац-эфир: среда, передающая воздействия от одних тел к другим, задавалась чисто математически, без каких-либо "материальных" посредников. По сути, она была эквивалентна введённому несколько позже понятию поля.
Фарадей рассматривал и другие силовые поля: гравитационное, электрическое. В работе Thoughts of Ray Vibrations (1846 г.) он представил атомы в виде точечных центров, окружённых магнитным, электрическим и гравитационным силовыми полями – картина в духе программы геометризации физики – замены "материи" геометрическими формами.
Заполняющие всё пространство силовые линии, состоявшие из "векторов сил" в точках, можно было рассматривать как математический эфир, "частицы"- точки которого не имели иных физических характеристик, кроме вектора воздействия на другие тела.
Математический эфир, в котором к магнитным векторам в точках силовых линий, добавлялись электрические и гравитационные, становился уже почти универсальным, а его точки- частицы приобретали характер, близкий к частицам "обычного" физического эфира; вообще очень малым физическим телам.
Введя "математический эфир" силовых линий, Фарадей предложил заменить им и физический световой эфир оптики. Свет и инфракрасное излучение, по его мнению, было бы удобнее представлять колебаниями, распространяющимися по силовым линиям.
Позже, в 1851 году, обращаясь к теории светового (физического) эфира, Фарадей высказал гипотезу, что этот эфир, если он существует, должен был бы переносить, кроме световых, также и магнитные воздействия.
Таким образом, в середине XIX века в работах Фарадея были введены две важные идеи, касавшиеся проблем эфира: 1) концепция силового поля- "математического эфира"; 2) наделение светового эфира свойствами также и магнитного – переносчика магнитных воздействий.
Примерно в то же время Риман (1826- 66 гг.) вернулся к теории универсального эфира, высказав гипотезу, что эфир состоит из частиц, способных откликаться и на сжатия и на вращения (последнее – как у МакКаллаха), причём первое свойство отвечало за распространение тяготения и электричества, а второе – света и магнетизма (1853 г.). До некоторой степени эта его идея была подобна идее Ломоносова об универсальном эфире, передающем разными видами изменений своих частиц – колебаниями, вращениями,… – разные виды воздействий – свет, электричество, теплоту,... Также она представляла собой ранний вариант теории единого поля. Модель Римана не получила дальнейшего развития; впрочем, она не была опубликована.
В 1850- 60-х гг. были замечены аналогии между формулами электродинамики и теплопроводности, гидродинамики, распространения возмущений в упругих телах. Из этих аналогий начала развиваться теория посредующей среды для распространения воздействий электричества и магнетизма – электромагнитного эфира.
Максвелл (1831- 79 гг.), изучая действие магнетизма и электричества, вначале обратил внимание на то, что вектора фарадеевских силовых линий магнитной индукции, как и вектора электрической силы подобны векторам скоростей в несжимаемой жидкости (1856 г.). При этой гидродинамической аналогии электрические заряды соотносились с источниками и стоками в жидкости.
Максвелл поддерживал представление об эфире – среде, в которой распространяются разные воздействия. При этом он исходил из конечности скорости их распространения. "Если энергия передается от одного тела к другому не мгновенно, а за конечное время, то должна быть среда, в которой она временно пребывает, оставив первое тело и не достигнув второго".
В 1861- 62 гг. Максвелл построил, под влиянием идей Фарадея и У. Томсона, механическую модель электромагнитного эфира - посредующей среды, передающей электрические и магнитные воздействия.
Прежде всего, он соотнёс с магнетизмом вихревое движение. Такой вывод он сделал, учтя 1) мнение Ампера о "вращательном характере магнитной силы", 2) опыты, показавшие вращательное воздействие магнита на плоскость поляризации света; 3) положение Фарадея о том, что магнитные "силовые трубки" стремятся сжаться в продольном сечении и расшириться в поперечном – поведение, характерное для вихрей, возникающих в наполненной жидкостью трубке, вращающейся вокруг своей оси. Значит, магнитным силовым линиям/ элементарным силовым трубкам, представляющим создаваемое магнитом воздействие, можно сопоставить вращающиеся вокруг них вихри (или колёса – другая механическая аналогия). Чтобы соседние магнитные вихри/ колеса вращались в одинаковом направлении, Максвелл вставил между ними дополнительные вихри/ колеса, соотнеся их с "электричеством" – они составляли как бы стенки "магнитных" вихрей. Теперь каждый "магнитный" вихрь, испытав возмущение- начав вращаться, заставлял вращаться (в ту же сторону) и соседние вихри, сцеплённые с ним через дополнительные колёса – что моделировало распространение магнитного воздействия. Поступательное движение дополнительных вихрей- колёс между основными ("магнитными"), вызванное магнитным возмущением – то есть, движением основных вихрей/ колёс – Максвелл соотнёс с вызванным магнетизмом электрическим воздействием.
Чтобы промоделировать в своём механизме воздействие электростатических зарядов, Максвелл постулировал, что "дополнительные" вихри при смещении из положения равновесия оказывают влияние на "магнитные" вихри, которые откликаются на него и смещаются. Смещению "дополнительных" вихрей Максвелл сопоставил поле (т.е. воздействие), вызываемое электростатическими зарядами.
В этой модели Максвелла для электромагнитного эфира воздействие магнетизма представлялось вращением одних вихрей, а воздействие электричества – поступательным движением других вихрей. Идея о том, разные виды воздействий можно моделировать разными видами движений "частиц" эфира, передающих эти воздействия, высказывалась многими физиками, от Ломоносова до Римана, и была основой моделей универсального эфира – единой теории поля.
Использованием вихрей в качестве "частиц эфира" модель Максвелла напоминала "вихревую губку", придуманную Бернулли в качестве модели светового эфира.
Максвелл вывел уравнения распространения возмущений в своей механической модели; они включали уравнения электростатики, электродинамики и магнетизма; таким образом, "механизм" Максвелла можно было считать моделью электромагнитного эфира – передатчика электрических и магнитных воздействий. Математическое представление модели Максвелла, т.е. его уравнения электромагнитного поля, можно было считать "математическим эфиром" (электромагнитным).
В построении своей механической модели эфира Максвелл исходил отчасти из уже полученных уравнений для электростатики, электродинамики, магнетизма, отчасти из уже построенных, в т.ч. Фарадеем, У. Томсоном, механических и иных аналогий воздействия электричества и магнетизма. Полученные Максвеллом из его механической модели эфира уравнения распространения воздействия (т.е. его математический эфир) дали больше, чем имелось в использованных им исходно данных – его модель оказалась "содержательной".
Максвелл проектировал свой механизм, исходя из фарадеевских силовых линий – точек с "силовыми" векторами в них. Сама эта модель Фарадея являлась математической (геометрической). Поэтому первую часть работу Максвелла можно было рассматривать как обратную к математическому моделированию – а именно, как построение по данному математическому (геометрическому) объекту "подобного" ему механизма. Её можно было также представлять как раскрытие объектов (точек, векторов, линий) математического эфира Фарадея – подобное раскрытию гипертекстов – представление этих точек и линий механизмами, соответствующими уравнениям, которым эти объекты удовлетворяют.
В дальнейшем механические и прочие модели эфиров, конкурирующие с моделью Максвелла, либо расширяющие или улучшающие его конструкцию, строились таким же способом: бралась некая "математическая затравка" (уравнения, геометрические образы), она "раскрывалась"- представлялась механическими, гидродинамическими и другими конструкциями, для которых, в свою очередь, строилась матмодель – уравнения поля.
Световой эфир Максвелл также признавал, принимая его свойства обычными для оптических теорий того времени – очень разрежённое упругое однородное "вещество", заполняющее всю Вселенную. "Доказательства существования светоносного эфира получили прочную опору, когда были открыты новые явления света"[5]. Когда выяснилось, что свет может быть соотнесён с электромагнитными волнами, Максвелл отождествил построенный им электромагнитный эфир со световым: "обе среды, занимая, то же самое пространство, тождественны"[6]. С того времени эфир стал рассматриваться как общий передатчик света, электричества и магнетизма – снова стал отчасти универсальным.
О строении и свойствах эфира Максвелл высказал следующие соображения: "Эфир отличен от обыкновенной материи. Когда свет движется через воздух, то очевидно, что среда, по которой свет распространяется, не есть сам воздух, потому что, во-первых воздух не может передавать поперечных колебаний, а продольные колебания, им передаваемые, распространяются почти в миллион раз медленнее света. ... Нельзя допустить, что строение эфира подобно строению газа, в котором молекулы находятся в состоянии хаотического движения, ибо в такой среде поперечное колебание на протяжении одной длины волны ослабляется до величины менее, чем одна пятисотая начальной амплитуды. ... Но мы знаем, что магнитная сила в некоторой области вокруг магнита сохраняется, пока сталь удерживает свой магнетизм и так как у нас нет оснований к допущению, что магнит может потерять весь свой магнетизм просто с течением времени, то мы заключаем, что молекулярные вихри не требуют постоянной затраты работы на поддержание своего движения. ... С какими бы трудностями в наших попытках выработать состоятельное представление о строении эфира ни приходилось нам сталкиваться, несомненно, что межпланетное и межзвездное пространство суть пространства не пустые, а занятые материальной субстанцией или телом, самым обширным и, надо думать, самым однородным, какое только нам известно".
У. Томсон (лорд Кельвин) (1824 – 1907 гг.) предложил несколько моделей эфира. Их основой были получившие в то время значимое развитие теории вихрей в жидкости.
Общие представления о передаче воздействия вихрями эфира ввёл ещё Декарт. Их разделял Гюйгенс и другие видные физики XVII - XVIII вв. Бернулли предложил модель эфира как жидкости с вихрями, передающими воздействия (1736 г.). Вихри в жидкости изучали Коши, Стокс, У. Томсон, Гельмгольц (1821- 94 гг.), Кирхгоф (1824- 87 гг.) и др.
В 1850- 60-х гг. У. Томсон, Максвелл и другие пришли к выводу, что воздействие магнетизма имеет вихревой характер, что имело следствием дальнейшее углубление аналогий между теорией электромагнетизма и гидродинамикой.
У. Томсон долго отвергал теорию электромагнетизма и эфира Максвелла и строил свои, которые тесно переплетались с исследованиями вихревых движений.
Учитывая сохранение вихревых колец в идеальной жидкости (т.н. "вмороженность вихревых линий"), показанное в работах Коши (1827 г.), Стокса (1845 г.), Гельмгольца (1858 г.), и их упругое отталкивание при столкновениях, наблюдавшееся в экспериментах, У. Томсон счёл (тороидальные) вихри и их комбинации подходящими объектами для представления атомов – противопоставив их прежним явно или неявно подразумеваемым "бесконечно твёрдым" точечным телам.
В работах 1867 г. "О вихревых атомах" и 1869 г. "Вихревое движение" У. Томсон рассматривал атомы как вихри, плавающие в эфире – несжимаемой жидкости без трения. Такая модель атомов, считал он, позволит объяснить в т.ч. дискретность их спектров.
Вскоре теория "вихревых атомов" приобрела среди английских физиков большую популярность: в 1870- 1890 гг. на эту тему было написано около 60 работ 25 учёными.
В работе 1880 года У. Томсон предложил в качестве модели эфира несжимаемую жидкость без трения, заполненную вихрями, подобную "вихревой губке" Бернулли. В 1887 году он показал, что уравнение распространения ламинарных (слоистых) течений в такой жидкости совпадает с уравнением распространения электромагнитных колебаний.
Кроме У. Томсона, теорию "вихревых губок", включая задачи их устойчивости, распространения в них возмущений и пр. разрабатывали Дж. Фитцджеральд (1851 – 1901 гг.), У. Хикс (1850 – 1934 гг.), Дж.Дж. Томсон (1856 – 1940 гг.) и другие.
В 1889 году У. Томсон построил механическую модель эфира, подобную модели МакКаллаха, точнее, реализующей его построение на примере механического устройства. Частицы этого эфира располагались в вершинах и центрах тетраэдров бесконечной квазижёсткой решётки – т.о. их отклик на воздействия деформации был ограничен, но они обладали вращательными степенями свободы (что можно было реализовать, добавив к ним гироскопы) и т.о. откликались на вращательные воздействия. Такая конструкция, получившая название гиростатический эфир, оказалась по своим свойствам подобной несжимаемой жидкости, способной передавать колебания. Томсон показал, что уравнения этих колебаний совпадают с уравнениями электродинамики, как и у МакКаллаха.
Дж. Фицджеральд (1851 - 1901 гг.) в 1885 г. предложил свою механическую модель эфира, похожую на максвелловскую.
Дж.Дж. Томсон (1856 - 1940 гг.) рассматривал эфир как сплошную идеальную несжимаемую жидкость. В 1880 - 1928 гг. публиковал работы по вихревой теории материи и взаимодействий, по эфиру: "Электричество и материя", "Материя и эфир", "Структура света", "Фарадеевы силовые трубки и уравнения Максвелла" и др.
Дж.Лармор (1857 - 1942 гг.) также рассматривал эфир как однородную несжимаемую и упругую жидкость, объединяя эту модель с моделью вращающихся гиростатов У. Томсона. В 1900 г. вышла книга Лармора "Эфир и материя".
А. Майкельсон (1852 - 1931 гг.) и Э. Морли (1838 - 1923 гг.) в 1887 г. экспериментально показали отсутствие "эфирного ветра" – движения Земли сквозь эфир.
В 1892 г. Фицджеральд и, вероятно, независимо от него Лоренц, чтобы объяснить отсутствие "эфирного ветра" – эффектов от прохождения Земли через (неподвижный) эфир, выдвинули гипотезу о сокращении длины тел в направлении их движения.
О. Лодж (1851 - 1940 гг.) рассматривал эфир как среду, вездесущую и всепроникающую, несжимаемую, притом массивную, а также образующую, в некотором состоянии, электроны и материю вообще (в последнем он следовал идеям Лармора). "Эфир несжимаем, а электрон, по предположению, состоит просто и исключительно из эфира; отсюда вытекает, что электрон не может представлять собой ни сгущения, ни разрежения эфира, а должен быть некоторой особенностью строения или некоторой частью, почему-нибудь отличающейся от остального. Возможно, например, что он представляет собой нечто аналогичное вихревому кольцу, отличаясь от остального эфира в кинетическом отношении, т. е. в силу своего вращательного движения; или, может быть, он отличается в статическом отношении, будучи чем-нибудь таким, что можно назвать центром натяжения или местом, где произошла деформация кручения, или, может быть, даже чем-нибудь таким, чего нельзя в настоящее время представить себе достаточно ясно и определенно, в этом направлении были сделаны, впрочем, разные попытки". В 1909 г. вышла книга Лоджа "Мировой эфир".
Анри Пуанкаре (1854 - 1908 гг.) выразил сомнения в реальности эфира: "наш эфир – существует ли он в действительности?", но при этом отметил, что "всё происходит так, как если бы он существовал. ... Известно, откуда явилась уверенность в наличии эфира. Свету требуется несколько лет, чтобы дойти до нас от удалённой звезды. В это время он уже не находится на звезде и ещё не находится на Земле. Надо допустить, что он где-то находится, что он имеет материальный носитель.".
Пуанкаре также дал краткий обзор современных ему моделей эфира. "Эфир часто рассматривают как единственную первичную материю или даже как единственную истинную материю. Наиболее умеренные считают обычную материю конденсированным эфиром... Другие ограничивают её значение ещё более и видят в ней только геометрическое место некоторых особенностей состояний эфира. Например, по лорду Кельвину, то, что мы называем материей, есть лишь место точек, где эфир испытывает вихревое движение; по Риману, это место точек, в которых эфир постоянно уничтожается; у других, более современных авторов, Вихерта или Лармора, это место точек, где эфир подвергается кручению совершенно особого рода" ("Наука и гипотеза").
Дм. Менделеев (1834 - 1907 гг.) некоторое время поддерживал гипотезу о существовании эфира; считал его "смесью крайне разрешенных газов"; пытался обнаружить его, ставя опыты над разреженные газами даже отвёл ему место в ранних вариантах своей Периодической таблицы. Потом он убрал его оттуда.
В.Ф. Миткевич (1872 - 1951 гг.) в ряде работ 1930- 34 гг. отстаивал необходимость признания эфира; предлагал модель, в которую фактически излагал идеи Дж.Дж. Томсона. "Абсолютно пустое пространство, лишенное всякого физического содержания, не может служить ареной распространения каких бы то ни было волн" ("Основные физические воззрения").
Н.П. Кастерин (1869 - 1947 гг.) также разделял эти представления, отмечая, как и Дж.Дж. Томсон, важную роль вихревых движений в Природе. Он показал сходство уравнений Максвелл для ЭМ поля и уравнений аэродинамики в применении к вихревым движениям.
Работы Миткевича и Кастерина подверглись критике со стороны А. Иоффе, обвинившего их в идеологических преступлениях. "Группа Миткевича, Тимирязева, Кастерина, создав себе фетиш из эфира, атомных шариков, силовых трубок… отгородились от новых идей… Путь Тимирязева, Миткевича, Кастерина – антиленинский и антисталинский, это путь борьбы с диалектическим материализмом" (А. Иоффе журнал "Под знаменем марксизма", № 11-12, 1937 г.). В те времена (см. дату публикации) такая характеристика была равносильно требованию к НКВД арестовать и уничтожить оппонентов.
Концепция универсального эфира с самого начала содержала в себе принципиальную трудность типа "порочного круга". А именно: если частицы эфира передают воздействия от одного тела к другому, то что же передаёт воздействия от одной частицы эфира к другой? Для построения физической модели передачи этого воздействия пришлось бы ввести новый эфир, и так далее. Если же попробовать оборвать этот процесс, предположив, что частицы (универсального) эфира при сближении на некоторое малое расстояние способны передавать энергию или импульс, то 1) малость - понятие относительное: в микроскоп "малые" расстояния между частицами видятся большими, и обратно, на дальнем расстоянии удалённые тела (например, звёзды Млечного пути) кажутся близкими; 2) чтобы частица эфира "ощутила" малость расстояния- близость другой частицы эфира, она должна обладать неким полем – которое, по сути, есть тот же эфир, только опять "новый". При рассмотрении обычных посредников в передаче воздействий – воздушной среды, твёрдого тела,… – подобная трудность не возникает, поскольку соответствующие физические модели (а также их математические представления) заранее считаются приближёнными. Однако "универсальный эфир" не может быть "универсальным".
Концепция светового эфира как среды, в которой распространяется только свет (ЭМ волны) – аналогично воздушной среде, в которой распространяется звук – избегала "порочного круга". Но у неё обнаружились другие сложности. С самого начала такому эфиру приходилось придавать необычные свойства, чтобы, с одной стороны, он мог реагировать на возмущение источника, а с другой – не мешать движению через него плотных тел – например, планет. Затем возник вопрос: "увлекают ли тела в своём движении эфир"? На него имелось три ответа: 1) эфир полностью неподвижен; 2') тела увлекают его частично; 2'') тела увлекают полностью. Опыты конца XIX века показали, что ни одна из этих возможностей не выполняется, и уже А. Пуанкаре поставил вопрос: "наш эфир – существует ли он в действительности?" (1900 г.)
Проблема светового эфира - "физической" проводящей среды для света (ЭМ волн) стала менее актуальной, когда было замечено, что получить волновые эффекты можно и без допущения посредующей среды – представив частицы света подобными корпускулам с инерцией, характеристики которых меняются при движении волнообразно, как у волчка. "Сплошная среда" со своими внутренними связями, обеспечивавшими распространение волнового движения, в такой модели больше не требовалась. Это представление примерно соответствовало взглядам Ньютона, пытавшегося построить объединённую инерционно- корпускулярную и волновую модели света.
На некоторое время мнение, что свет (ЭМ волны) так распространяется в пустом пространстве- вакууме стало общепринятым, и от концепции эфира как проводящей свет среды отказались. Однако после того, как начала выясняться сложная структура самого вакуума, представление об эфире – светоносной среде – вновь стало обсуждаться. Так, физик и историк науки Уиттекер отмечал: "Мне кажется абсурдным сохранять название "вакуум" для категории, обладающей таким количеством физических свойств, а вот исторический термин "эфир" как нельзя лучше подходит для этой цели".