Вопреки общепринятому представлению, не все нуждается в какой-либо среде для перемещения. Преодоление этого представления вроде бы устраняет необходимость в существовании эфира. Но не стоит торопиться.
По всей Вселенной распространяются различные типы сигналов. Некоторые из них, например звуковые волны, требуют наличия среды для распространения. Другие, такие как световые или гравитационные волны, вполне довольны тем, что проходят через вакуум пространства, казалось бы, не нуждаясь в среде вообще. Независимо от того, как они это делают, все эти сигналы могут быть обнаружены по их воздействию на материю и энергию, с которыми они взаимодействуют: как во время путешествия через пространство, так и до их прибытия в конечный пункт назначения.
Но действительно ли возможно, чтобы волны путешествовали через вакуум пространства сами по себе, без какой-либо необходимости в “среде” для распространения? Для некоторых из нас это очень нелогичное понятие, поскольку представление о том, что вещи существуют сами по себе и движутся через некую форму пустого небытия, просто не имеет никакого смысла.
Но на самом деле многие вещи в физике не имеют интуитивного смысла, поскольку не люди указывают природе, что имеет, а что не имеет смысла. Вместо этого мы можем лишь задавать Вселенной вопросы о ней самой посредством экспериментов, наблюдений и измерений и следовать за ее ответами, стараясь делать правильные выводы. Хотя опровергнуть существование эфира (или чего-либо другого, ненаблюдаемого) невозможно, мы можем изучить доказательства и позволить им привести нас туда, куда они ведут.
На заре науки – до Ньютона, сотни и даже тысячи лет назад – мы могли исследовать только крупномасштабные, макроскопические явления. Волны, которые мы наблюдали, были самых разных видов, включая:
- рябь, которую ветер вызывал на одежде на вешалке или в парусах корабля;
- волны на море, океане или озере;
- волны, распространяющиеся по земле во время землетрясения;
- волны, возникающие в натянутой струне, которую дергают, ударяют или колеблют;
- или даже звуковые волны, воздействие которых может по-разному ощущаться в воздухе, воде или через твердую землю.
Во всех этих случаях проявления волн участвует материя. Материя обеспечивает среду для распространения этих волн, и поскольку среда либо сжимается и разжимается в направлении распространения (продольная волна), либо колеблется перпендикулярно направлению распространения (поперечная волна), сигнал переносится из одного места в другое.
Когда мы начали изучать волны более тщательно, появился третий тип. В дополнение к продольным и поперечным волнам был обнаружен тип волны, в которой каждая из участвующих частиц движется по круговой траектории – поверхностная волна. Было показано, что характеристики ряби на воде, которые ранее считались исключительно продольными или поперечными волнами, также содержат этот компонент поверхностной волны.
Все три типа волн являются примерами механических волн, когда энергия переносится из одного места в другое через материальную, вещественную среду. Волна, проходящая через пружину, лебедку, воду, Землю, струну или даже воздух – все они требуют импульса для создания некоторого начального смещения от равновесия, а затем волна переносит эту энергию через среду к месту назначения.
Серия частиц, движущихся по круговым траекториям, может создать макроскопическую иллюзию волн. Точно так же отдельные молекулы воды, которые движутся по определенной схеме, могут создавать макроскопические волны воды, отдельные фотоны создают явление, которое мы воспринимаем как световые волны, а наблюдаемые нами гравитационные волны, вероятно, состоят из отдельных квантовых частиц, которые их составляют: гравитонов.
Поэтому вполне логично, что, открывая новые типы волн, мы предполагали, что они обладают свойствами, сходными с теми классами волн, о которых мы уже знали. Еще до Ньютона эфиром называли пустоту космоса, в которой находились планеты и другие небесные объекты. Знаменитая работа Тихо Браге “De Mundi Aetherei Recentioribus Phaenomenis“, написанная в 1588 году, буквально переводится как “О последних явлениях в эфирном мире“.
Предполагалось, что эфир – это среда, присущая пространству, через которую перемещаются все объекты, от комет до планет и самого света звезд. Однако вопрос о том, является ли свет волной или корпускулой, оставался предметом спора на протяжении многих веков. Ньютон утверждал, что это корпускула, а его современник Христиан Гюйгенс – что это волна. Вопрос не был решен до 19 века, когда эксперименты со светом однозначно выявили его волнообразную природу. (Благодаря современной квантовой физике мы теперь знаем, что он ведет себя еще и как частица, но его волнообразную природу нельзя отрицать).
Это подтвердилось, когда мы начали понимать природу электричества и магнетизма. Эксперименты по ускорению заряженных частиц не только показали, что на них влияют магнитные поля, но и то, что при изгибе заряженной частицы магнитным полем она излучает свет. Теоретические разработки показали, что свет сам по себе является электромагнитной волной, распространяющейся с конечной, большой, но поддающейся измерению скоростью, сегодня известной как скорость света в вакууме.
Если свет – это электромагнитная волна, а все волны требуют среды для распространения, и – поскольку все небесные тела движутся через среду космоса – то, конечно, сама эта среда, эфир, и есть та среда, через которую движется свет. Таким образом, самым большим вопросом оставалось определить, какими свойствами обладает сам эфир.
Один из самых важных моментов, касающихся того, чем не может быть эфир, был выяснен самим Максвеллом, который первым вывел электромагнитную природу световых волн. В письме Льюису Кемпбеллу в 1874 году он писал:
“Возможно, стоит также знать, что эфир не может быть молекулярным. Если бы это было так, он был бы газом, и пинта его имела бы те же свойства в отношении тепла и т.д., что и пинта воздуха, за исключением того, что он не был бы таким тяжелым”.
Другими словами, чем бы ни был эфир – или, точнее, то, через что распространялись электромагнитные волны, – он не мог обладать многими традиционными свойствами, которыми обладают другие среды, основанные на материи. Он не может состоять из отдельных частиц. Он не мог содержать тепло. Он не может быть проводником для передачи энергии. Фактически, единственное, что оставалось делать эфиру, – это служить фоновой средой для вещей, которые перемещаются, но не требуют среды, как, например, свет.
Если вы разделите свет на две перпендикулярные составляющие и соедините их вместе, они создадут интерференционную картину. Если есть среда, через которую проходит свет, интерференционная картина должна зависеть от того, как ваш аппарат ориентирован относительно этого движения.
Все это привело к самому важному эксперименту по обнаружению эфира: эксперименту Майкельсона-Морли. Если бы эфир действительно был средой для прохождения света, то Земля, вращаясь вокруг своей оси и обращаясь вокруг Солнца, должна была бы проходить через эфир. Даже если мы вращаемся со скоростью около 30 км/с, это значительная часть (около 0,01%) скорости света.
С помощью достаточно чувствительного интерферометра, если бы свет был волной, проходящей через эту среду, мы должны были бы обнаружить сдвиг интерференционной картины света в зависимости от угла, под которым интерферометр наклоняется к направлению нашего движения. Майкельсон в одиночку попытался измерить этот эффект в 1881 году, но его результаты оказались неубедительными. Через 6 лет вместе с Морли они достигли чувствительности, которая составляла всего 1/40 величины ожидаемого сигнала. Их эксперимент, однако, дал нулевой результат; доказательств существования эфира не было вообще.
Энтузиасты эфира закручивали себя в узлы, пытаясь объяснить этот нулевой результат:
- Возможно, эфир притягивали объекты, перемещающиеся в пространстве, такие как Земля, и поэтому получен нулевой результат.
- Возможно, существует стационарный, неподвижный эфир, и когда объекты двигались через него, они испытывали сокращение длины и замедление времени, что объясняет нулевой результат.
- И возможно, только возможно, тот же самый эфир, через который проходил свет, чем бы он ни был, позволял распространяться и гравитационной силе Ньютона.
Все эти возможности, несмотря на произвольные константы и параметры, серьезно рассматривались вплоть до появления теории относительности Эйнштейна. Как только пришло осознание того, что законы физики должны быть, и фактически были, одинаковыми для всех наблюдателей во всех системах отсчета, идея “абсолютной системы отсчета”, которой абсолютно точно являлся эфир, перестала быть необходимой или приемлемой.
Все это означает, что законы физики не требуют существования эфира; они прекрасно работают и без него. Сегодня, с нашим современным пониманием не только специальной относительности, но и общей относительности – которая включает в себя гравитацию – мы признаем, что как электромагнитные волны, так и гравитационные волны не требуют никакой среды для распространения. Вакуум пространства, лишенный каких-либо материальных образований, достаточен сам по себе.
Однако это не означает, что мы опровергли существование эфира. Все, что мы доказали, и все, что мы способны доказать, это то, что если эфир и существует, то он не обладает свойствами, которые можно обнаружить в любом эксперименте, который мы способны провести. Все, что мы доказали и действительно можем доказать, это то, что если эфир и существует, то у него нет свойств, которые можно было бы обнаружить с помощью любого эксперимента, который мы можем провести. Он не влияет на движение света или гравитационных волн через него ни при каких физических обстоятельствах, что эквивалентно утверждению, что все, что мы наблюдаем, согласуется с его небытием.
Визуализация расчета квантовой теории поля, показывающая виртуальные частицы в квантовом вакууме. (В частности, для сильных взаимодействий.) Даже в пустом пространстве эта энергия вакуума отлична от нуля, и то, что кажется «основным состоянием» в одной области искривленного пространства, будет выглядеть иначе с точки зрения наблюдателя, где пространственная кривизна отличается. Пока существуют квантовые поля, эта энергия вакуума (или космологическая постоянная) тоже должна присутствовать.
Если что-то не оказывает никакого наблюдаемого, измеримого воздействия на нашу Вселенную каким-либо образом даже в принципе, мы считаем эту “вещь” физически несуществующей. Но тот факт, что ничто не указывает на существование эфира, не означает, что мы полностью понимаем, что такое пустое пространство или квантовый вакуум. На самом деле, сегодня в этой области существует целый ряд открытых вопросов, на которые нет ответов.
Почему пустое пространство все еще имеет ненулевое количество энергии – темной энергии, или космологической постоянной – присущей ему? Если пространство дискретно на каком-то уровне, подразумевает ли это предпочтительную систему отсчета, где этот дискретный “размер” максимален в соответствии с правилами относительности? Могут ли свет или гравитационные волны существовать без пространства, через которое они распространяются, и означает ли это, что в конце концов все-таки существует некая среда распространения?
Как сказал Карл Саган: “Отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия”. У нас нет доказательств существования эфира, но мы никогда не сможем доказать и обратное: что эфира не существует. Все, что мы можем продемонстрировать, и уже продемонстрировали, это то, что если эфир существует, то он не обладает свойствами, влияющими на материю и излучение, которые мы наблюдаем, и поэтому бремя доказательства лежит не на тех, кто пытается опровергнуть его существование – бремя доказательства лежит на тех, кто утверждает, что эфир действительно существует.
Читайте также: Земля, вода, воздух и огонь: почему пятый элемент (эфир) полностью игнорируется?