Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Проделали опыт, измерили угол и получили, что в «водяном» телескопе он остается прежним.

Это уже ни на что не было похоже!

Однако все неприятности на время притушил Френель, предложив очень произвольную и очень остроумную гипотезу о характере увлечения эфира сплошными средами. Он сказал: допустим, что плотность эфира в сплошных средах больше, чем в пустоте. Тогда эфир в пустоте — «внешний эфир» — движущимся телом не увлекается. А эфир, который находится внутри тела, частично увлекается. Френель мотивировал это тем, что количество эфира, втекающего в движущееся тело, должно равняться количеству вытекающего. А поскольку плотность эфира внутри тела больше, чем снаружи, то количество эфира внутри останется постоянно только тогда, когда скорость движения «внутреннего эфира» относительно тела меньше, чем «внешнего эфира».

Такая теория объясняла и опыты с коэффициентами преломления и опыты с «водяными» телескопами.

Расчеты, проведенные на основе теории Френеля, показывали, что в принципе эффект-то есть. Коэффициент преломления действительно должен меняться в зависимости от движения тела относительно эфира. И соответственно, аберрация у «водяного» телескопа также должна быть отлична от аберрации в «нормальном» телескопе. Эффект есть. Но в результате частичного увлечения он очень мал. Значительно меньше, чем ожидалось. И относительные изменения коэффициента преломления получаются порядка, v2/c2, а не v/c, то есть «второго порядка малости». (Для Земли v2/c2 ≈ 10–8). Но такие поправки настолько малы, что проверить их экспериментально не представляется возможным. Ведь из доступных нам движений относительно эфира наиболее быстрым является только движение Земли (30 км/сек!).

Здесь впервые упоминается о квадратичном по отношению к V/C эффекте. Его поискам физики посвятили почти все XIX столетие.

Точно так же аберрация в «водяных» телескопах должна отличаться от аберрации в обычных телескопах на величину порядка v2/c2. Достаточно же хороших приборов для обнаружения таких ничтожных изменений не существовало. Поэтому после апелляции Френеля вынесение смертного приговора эфиру было пока отложено.

Мы уж очень долго следим за историей эфира. Самое поучительное, пожалуй, то, как упорно физики держались за эту идею. Теории эфира следовали одна за другой: эфир вихревой, эфир с неравномерной плотностью, эфир, построенный аналогично смолам, эфир, напоминающий систему зубчатых колес. Потом эфиры увлекаемые, неувлекаемые и увлекаемые частично!

Было бы очень опрометчиво насмехаться над всеми этими эфирами.

Теории эфира строились крупнейшими учеными. Эти теории были изящны, тонки, интересны: в них вкладывалось много таланта и выдумки. Все это делалось, чтобы спасти волновую теорию, потому что представить волны вне среды, состоящей из каких-то частиц, физики не могли.

Но чем дальше, тем яснее становилось, что эфир какой-то выродок среди физических субстанций.

Во-первых, никто не мог создать такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы весь комплекс известных фактов.

А во-вторых, гипотетический эфир приходилось наделять столь удивительными качествами, делать до того странные допущения, что примириться с таким эфиром ученые не могли.

Очень хорошо оценил положение с эфиром Кельвин. «Подобные теории могут не нравиться или нравиться, но удовлетворить они не могут».

И помимо всех неприятностей, а их у эфира было достаточно, висел нерешенный вопрос: влияет ли движение относительно эфира на оптические явления хотя бы и во «втором порядке малости»?

Если бы оказалось, что не влияет, пришлось бы отбросить френелевскую теорию частичного увлечения эфира — последнюю хрупкую опору, на которой он держался.

Что же мы можем сказать об эфире?

Эти выводы, естественно, относятся к положению дела в XIX столетии.

1. Волновая природа света заставляет предположить существование эфира — некой загадочной материальной среды. Эта среда удивительна и непонятна по своим свойствам, но без нее трудно представить себе распространение световых волн.

2. Факт аберрации света говорит, что эфир не увлекается Землей при ее движении. В увлекаемом эфире аберрация должна отсутствовать.

3. Отсюда сразу следует, что движение Земли относительно неподвижных звезд должно сказываться во многих оптических явлениях (в частности, изменение коэффициента преломления).

Теория аберрации показывает также, что угол аберрации в «водяном» телескопе отличен от угла аберрации в обычном телескопе.

4. Опыты опровергают пункт 3. Не удается заметить и влияние движения Земли относительно эфира на световые процессы. Все это очень смущает, но…

5. Положение спасает Френель, создав теорию частичного увлечения эфира. По Френелю, утверждение пункта 2 в принципе справедливо, но эффект должен быть ничтожно мал. Движение относительно эфира должно сказываться только «во втором порядке отношения».

6. Пока еще нет опытов, точность которых позволяет обнаружить эффект «во втором порядке», и потому вопрос остается открытым.

Глава X,

главное достоинство которой — довольно подробный рассказ об эффекте Допплера и опыте Майкельсона, а основной недостаток — обилие рассуждений. В этой главе читатель расстается, наконец, с эфиром, чтобы перейти к теории относительности

Я не знаю, что такое этот эфир.

НьютонНеувлекаемый эфир, его расцвет и гибель

Итак, вопрос о существовании выделенной системы отсчета — покоящегося эфира — висел в воздухе. Может быть, стоит еще раз напомнить, что весь бой разгорелся вокруг принципа относительности.

Если движение какой-то системы (допустим, Земли) относительно эфира влияет на оптические явления — принцип Галилея в оптике несправедлив.

Если не влияет — напротив, справедлив.

По Френелю, движение не влияет «в первом порядке отношения v/c». Это утверждение называли иногда практическим принципом относительности.

Очень отрывочные сведения о развитии теории эфира в XIX веке. Эфир и теория электромагнетизма.

Но вот в шестидесятых годах весь вопрос об эфире был поставлен совершенно по-новому, и это еще больше запутало дело.

Уже упоминалось, что Фарадей первым установил связь оптических и электромагнитных явлений. Значение его работ, однако, значительно шире. Он создал твердую экспериментальную основу для дальнейшего изучения электромагнетизма, и после него исследования в этой области стремительно развиваются. Можно сказать, что Фарадей в истории электричества — то же, что Галилей в механике.

Несколько слов о теории Максвелла.

После Галилея, естественно, должен был появиться Ньютон. И вот в 1865 году Джемс Кларк Максвелл создает законченную теорию электромагнитных явлений.

Сходство Максвелла с Ньютоном не только в том, что его работу можно поставить в один ряд с «Началами». Не только в том, что, так же как Ньютон, он создал стройную теорию совершенно нового класса явлений.

Открытие Максвелла явилось полным торжеством метода принципов, причем метод был использован в совершенно новой форме.

Если говорить совсем схематично, Максвелл сделал вот что. Он составил уравнения. Эти уравнения очень хорошо описывали все известные электромагнитные явления. Но это далеко не все.

Среди решений уравнений были такие, которые как будто не соответствовали ничему. Эти решения описывали электромагнитные волны, распространяющиеся в «пустом» пространстве. А во времена Максвелла подобные волны не были еще известны. Из уравнений следовало, что, во-первых, волны поперечны и, во-вторых, они распространяются с определенной конечной скоростью.

Что означают слова «электромагнитные волны поперечны»? Что в них колеблется? Из этих же уравнений следовало, что в электромагнитной волне должны колебаться векторы электрического и магнитного полей, причем векторы эти перпендикулярны к направлению распространения волны.

А откуда взял Максвелл «скорость волн»?

В его уравнении входила некая постоянная величина, размерность которой совпадала с размерностью скорости. И Максвелл сделал смелое предположение. Он допустил, что полученные из уравнений периодические решения описывают реальные электромагнитные волны. При этом неизвестная постоянная величина получила физический смысл — как скорость волн.