Продовжимо нашу розмову про ефір. Піфагору, Аристотелю та іншим філософам для характеристики ефіру сповна вистачало переконливих міркувань. Але чи досить було такого підходу для людей нового часу, таких як Ньютон, Лаплас, Менделєєв?

II

Погляди Ньютона на ефір заслуговують особливої уваги. Стосунки з ефіром у Ньютона складні, навіть трагічні. Їх історія – це історія суперечливої боротьби вченого як проти, так і за визнання поняття ефір. У різні часи великий фізик відстоював такі уявлення про це поняття.

Перше: Сонце, планети і зірки оточує абсолютне ніщо, яке і заповнює собою абсолютний простір.

Друге: простір заповнено деяким матеріальним середовищем, про яке через відсутність потрібного експерименту можна лише будувати припущення.

Третє: все в світі – і порожнеча між тілами, і самі тіла – пронизано найдрібнішими частинками ефіру. Тут він розділяв дві можливості. За однією: з ефіром пов'язано і тяжіння, і світло. За іншою – лише світло відповідає за будь-які взаємодії тіл на близьких відстанях і за багато процесів у живих організмах, тяжіння ж до ефіру відношення не має.

Приймаючи якусь ідею, він міг відкинути її, а потім повернутися до неї знову, знаходячи нові аргументи за і проти... Як бачите, Ньютон не був одержимий однією ідеєю, його мучили сумніви, але він добивався мети всупереч критиці і несприйняттю оточуючих.

А критики Ньютон, мабуть, боявся, довго зволікав з публікацією своїх чудових робіт і сумнівався у власних ідеях більш за найприскіпливішого опонента.

У трактаті «Нова теорія світла і кольорів» (1672 р.), що він надав лондонському Королівському товариству, Ньютон вперше виклав уявлення про світло, як потік матеріальних частинок. Його сучасник і опонент Роберт Гук відразу протиставив гіпотезі корпускул Ньютона своє уявлення про світло, як хвилі в середовищі світового ефіру.

Через деякий час, Ньютон начебто погодився з тим, що «коливання ефіру корисні і потрібні» і для хвилевої, і для корпускулярної точки зору. Така позиція, щонайменше, дивна для людини, що за її словами «не вигадує гіпотез».

Про світлові хвилі ще до Ньютона і Гука писав італійський вчений Франческо Марія Гримальді (1618-1663), що відкрив хвилеве явище дифракції. У кінці XVII століття Ньютон сперечався з видатним голландським ученим Християном Гюйгенсом, прибічником хвилевої теорії світла, який у 1690 році випустив трактат, побудований на цих думках.

Але «корисності» ефіру Ньютону вочевидь не вистачало для визнання його існування. Ця гіпотеза дає наочне уявлення про світло, але де її підтвердження?

Вже в 1706 році в другому виданні «Оптики» вчений пише: «Чи не помилкові всі гіпотези, в яких світло це тиск або рух, що поширюється через деяке рідке середовище? – середовище, що заповнює його абсолютний простір».

Але ще в 1675 році Ньютон казав: «...якщо ми припустимо, що світлові промені складаються з маленьких частинок, які викидає по всіх напрямах тіло, що світиться, то ці частинки неминуче повинні збуджувати в ефірі коливання...»

І тут знову про ефір, як про дещо безперечне, хоча і не встановлене в дослідах.

У 1679 році в листі до відомого фізика Роберта Бойля Ньютон пише про повсюдну тонку речовину на ім'я «ефір». Вона має різну щільність, складається з частинок різної міри «тонкості». У всіх цих міркуваннях не вистачає досліду для підтвердження або спростування гіпотези.

Спроби з’ясувати природу тяжіння не залишали вченого все його свідоме життя. Ось приклад такого міркування: чим ближче будь-яке тіло до центру тяжіння, тим більш тонкі частинки ефіру заповнюють пори цього тіла, витісняючи з них крупніші частинки ефіру. Такий рух ефіру заставляє тіло прямувати до центру тяжіння, викликає падіння тіла на Землю.

Але для Ньютона подібні думки виглядали недостатньо переконливими. У головній праці про всесвітнє тяжіння «Математичні начала натуральної філософії» (1687 р.) наведених міркувань про ефір не було, але пізніше вони чомусь увійшли до другого видання «Оптики», де йшлося про світло, а не гравітацію.

У наступному виданні «Математичних начал…» (1713) Ньютон пов'язує ефір лише зі світлом: «Тепер... про деякий надтонкий ефір, що пронизує всі суцільні тіла..., силою якого частинки тіл при дуже малих відстанях взаємно притягуються, а стикаючись, зчіплюються, ...заряджені тіла діють на великі відстані, як відштовхуючи, так і притягуючи близькі малі тіла. Світло... передається коливаннями цього ефіру від зовнішніх органів чуття до мозку і від мозку м'язам, але цього не викладеш стисло...», – і знову, – «немає дослідів, які діями цього ефіру підтверджувалися б надійно».

Насправді таких дослідів не було зовсім. Як бачите, тяжіння тут навіть не згадане. Виходить, що тяжіння, заради якого вчений колись звернувся до ідеї ефіру, не має до останнього відношення.

Цікаво, що всі явища, для пояснення яких Ньютон залучив ефір, ми б сьогодні пов'язали з електромагнітним полем, його взаємодією із зарядженими частинками. Так, різні явища геній, з властивою йому інтуїцією, зводив до єдиної основи – ефіру.

Є така сучасна точка зору на складні стосунки Ньютона з ефіром. Ньютон не лише вірив у бога – всюдисущого і всемогутнього, але і не міг уявити його собі   інакше, ніж у вигляді особливої субстанції, що пронизує весь простір і регулює всі сили взаємодії між тілами, а тим самим – всі їх рухи у світі.

Тобто бог – це ефір. Ньютон ніде про це не пише, адже з точки зору церкви – це єресь, і лише інколи ці думки проривалися у нього у дружніх бесідах. Як це співзвучно богові Ейнштейна, «який не грає в кості». Богу, ототожнюваному з гармонійно влаштованою природою, закони якої доступні спостереженню і розумінню людиною.

Внесок Ньютона в історію поняття «ефіру» цікавий ще й тим, що авторитет ученого додав авторитету й ефіру. Тому сучасники і нащадки звернули набагато більшу увагу на підтвердження великим фізиком існування ефіру, ніж на думки, які ставили це існування під сумнів.

Х. Гюйгенс ввів ефір із чисто наукових міркувань, як середовище, по якому поширюються світлові хвилі. Теорія світла Ньютона такого середовища не вимагала, оскільки світло, на його думку, – це корпускули, які можуть летіти і через порожнечу.

Але якщо вже світло – хвилі, то щось неодмінно повинно коливатися, вважав Гюйгенс. Міркував він приблизно так. Якщо помістити звичайний дзвіночок під скляний ковпак, з-під якого викачали повітря, то спостерігач не почує звуку, що він видає. Звук потребує середовища, що переносить його хвилі. Те саме, можна сказати і про світло.

Лише хвилі звуку в повітрі пов'язані з тим, що послідовно стискується і розширюється повітря, ефір же, що несе світло, по Гюйгенсу, абсолютно нестискований, його частинки передають свій рух сусіднім. В результаті швидкість світла має бути нескінченою.

Гюйгенс пише: «...Немає такого тіла, яке рухалося б... від видимого об'єкту до ока, а є стан руху, збурення, яке поширюється з одного місця в інше». Ефір, за його думкою, заповнює простір між тілами звичайної матерії – це пояснювало прозорість деяких речовин.

Багато вчених XVII–XVIII століть, на відміну від Ньютона, ефір богом все-таки не вважали, але робили причиною безлічі природних явищ.

Представник голандсько-германсько-швейцарського сімейства Бернуллі, що дало стільки вчених, що після їх імен і зараз ставлять римські цифри, як у монархів, Яків I Бернуллі вважав, що пояснити тяжіння може лише ефір – тонка пружна рідина. Вона знаходиться не лише між тілами, але і в них. Саме ця рідина робить тверді тіла твердими, оскільки вона, пронизуючи їх пори, протистоїть зовнішньому тиску.

Іоганн Бернуллі, інший видний представник тієї ж сім'ї, пояснював дією ефіру і таке явище, як пружність: ефірні вихори, постійно прагнучи розсунути тверді частинки тіла, перешкоджають спробам змінити його форму.

З поняттям «ефіру» на ту пору пов’язували все, що, як відомо тепер, викликає гравітаційні і електромагнітні сили. Але оскільки інші фундаментальні сили до появи атомної фізики практично не вивчали, то за допомогою ефіру намагалися пояснювати будь-яке фізичне явище.

Знаменита французька енциклопедія, складена в середині ХХ століття в статті «Повітря» повідомляла: «Доктор Гук вважає, що повітря є не що інше, як ефір, або рідка і активна матерія, розлита по всьому простору небесних областей...»

Цей факт, показує, до якої міри інколи енциклопедія може відстати від науки свого часу. Одночасно, це гарна ілюстрація того, як важко розібратися в тому, що ж таке ефір.

У науці теорія Гюйгенса дала поняттю ефіру по-справжньому нове життя. Цим обумовлено те, що пізніше в багатьох наукових працях термін «ефір» часто вживали з неодмінним епітетом «світлоносний» або «світловий».

Ефір у науці XVII - XVIII століть, подібний до теплороду однієї з невидимих і невагомих рідин, вигаданих для пояснення величезної безлічі природних явищ, – від теплоти і горіння, до світла і тяжіння.

Під впливом праць Ломоносова, Лавуазье, Лапласа та інших фізиків і хіміків невагомі рідини і подібні до них речовини полишали підручники і переходили до книжок з історії науки.

Але з ефіром такого не могло статися. Фізика і хімія знайшли і виконали експерименти по перевірці гіпотези флогистона (теплецю), для ефіру ж при тій експериментальній техніці потрібні досліди ще навіть не запропонували. А те, що не можна перевірити, можна лише сприйняти на віру.

Кожне нове досягнення у хвилевій теорії світла примушувало наділяти ефір все новими і новими властивостями. З іншого боку – не було дослідів, які б дозволили заперечувати його існування. Поступово тлумачення світлових явищ на основі ефірної гіпотези ставали все більш наміркованими.

Коли англієць Томас Юнг і француз Огюстен Френель прийшли до висновку, що світло являє собою не подовжні, а поперечні коливання, їм було важко прийняти цей результат як реальність. Коливання «для них» відбувалися в ефірній рідині, але в рідинах не виникають поперечні коливання.

Аби забезпечити рух поперечних світлових хвиль з тією швидкістю, яку досить точно визначили ще в XVII столітті, ефір повинен був мати фантастичну пружність, більшу, ніж у самої пружної сталі. Чим більша швидкість хвиль, тим більш пружним має бути речовина, де вони розповсюджуються.

Пружність – властивість насамперед твердого тіла, до того не будь-якого. У той самий час ефір не заважає руху планет, а для світла він прозоріший, ніж будь-який газ.

Англійський учений Дж. Г. Стокс в 1845 році порівняв ефір із смолою. Ця

речовина досить жорстка для швидких пружних коливань і в той самий час може пропускати крізь себе тверді тіла.

Вчені, що приймали теорію ефіру, приміряли до нього властивості знайомих речовин. Іноді це був газ, іноді рідина або тверде тіло. Часто користувалися моделлю атомного ядра, у вигляді краплі електрично зарядженої рідини. Проте фізики ні на мить не забували, застосовуючи такі моделі, що насправді ядро – не газ, не рідина і не тверде тіло.

Протягом багатьох століть фізики використовували ефір як засіб у боротьбі проти можливості дальнодії – тобто передачі сили від одного тіла до іншого через порожнечу. Ще Галілей твердо вірив, що енергія від одного тіла до іншого переходить при їх безпосередньому контакті.

Тим часом сила тяжіння, вочевидь, діє через порожній космічний простір. Значить, він не порожній, значить, його сповна заповнюють деякі частинки, що передають, наче по естафеті, сили від одних небесних тіл до інших і своїм рухом забезпечують дію закону всесвітнього тяжіння.

У 1690 році Ніколя Фатіо де Дуйе (1664 – 1753) запропонував просту і зрозумілу гіпотезу, що пояснює закон тяжіння Ньютона устроєм ефіру з особливих частинок (кінетична теорія гравітації). Пізніше в 1748 році цю теорію розвинув і зробив широко відомою Жорж Луї Ле Саж (1724 – 1803). Ефір Ньютона просто плинув до центрів тяжіння, захоплюючи з собою пронизані ним тіла. Дуже малі частинки Ле Сажа діяли на будь-які тіла.

Але цю гіпотезу можна перевірити розрахунком. У «ефірному газі» з таких частинок мав би працювати закон всесвітнього тяжіння Ньютона, але при цьому сама Земля гальмувалася б в своєму русі по навколосонячній орбіті і, давно втративши свій «запас швидкості», впала би на материнське світило.

З простотою моделі пов'язано те, що до наших днів з'являються модифікації ідеї Н. Фатіо. Їх автори пропонують інколи досить дотепні способи зберегти за нашою і іншими планетами можливість рухатися по своїй орбіті. Проте в кожної з нових версій ідеї завжди виявляли слабкі місця і знаходили факти, що суперечили таким гіпотезам.

У XIX столітті ідею ефіру спочатку використовували, як основу для теорії електромагнетизму. Ця теорія на той час активно розвивалася. Майкл Фарадей інтуїтивно відчував неприязнь до цієї ідеї, намагаючись обійтися без дивної субстанції, яку ні зважити, ні виміряти. Але на ту пору нічого іншого для пояснення електрики не було. Електрику розглядали як деяку рідину, яку можна було ототожнити лише з ефіром.

В останні десятиліття XIX століття ефір майже визнали і про нього не сперечалися. Але що він собою являє? Конкурували декілька варіантів ефіру.

В одному – Земля проходила через ефір або ефір крізь Землю, яка була прозора для нього. В іншому – частинки ефіру «штовхали» нашу планету, оскільки пройти крізь неї не могли. Інколи ефір підпорядковували закону всесвітнього тяжіння, інколи виводили з-під його влади.

Англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін), побудував модель ефіру з частинок, що оберталися, – «дзиґ». Він шукав механічну систему, яка би чинила опір лише деформації кручення. В одному варіанті дзиґи були рідкі, в іншому тверді. У ще одній його моделі ефір був просто нестискуваною рідиною.

Томсон твердо вірив в існування ефіру, тому що лише така неспостережувана матерія з властивостями газу, рідини і твердого тіла могла пояснити будь-які явища за допомогою законів механіки. На його думку, саме закони механіки були основою всіх явищ природи.

Джеймс Клерк Максвелл теж використовував механічну модель при поясненні електромагнітних явищ. Магнітне поле, згідно Максвеллу, створюють крихітні ефірні вихори, щось на кшталт тоненьких циліндрів, що обертаються. Аби циліндрики не торкалися один одного і не заважали один одному обертатися, він помістив між ними – у ролі мастила – найдрібніші кульки, що обертаються.

І вихори-циліндри, і вихори-кульки складалися з ефіру, але останні вже вважали частинками електрики. Відомий французький математик і фізик Анрі Пуанкаре писав про роботу Максвелла: «...Можна подумати, що читаєш опис виробництва з цілою системою зубчастих коліс, важелів, що передають рух і згинаються від зусиль, відцентрових регулювальників і передавальних ременів».

Модель складна, але вона показувала і пояснювала електромагнітні явища на звичній мові механіки. Часто кажуть, що свої великі рівняння Максвелл сформулював, спираючись на гіпотезу про ефір. Але відношення Максвелла до моделей такого роду відрізнялося від позиції Кельвіна.

Не варто перебільшувати значення для Максвелла як ефірної моделі електромагнетизму, так і ідеї ефіру взагалі. Для нього властивості ефіру були набагато більш невизначеними, ніж для більшості його сучасників. Тому, упевнившись, що світло – це електромагнітна хвиля і електромагнітні коливання поперечні, він ототожнив «світлоносний» і «електричний» ефіри, які на той час існували в теорії паралельно і незалежно.

Дмитро Іванович Менделєєв в статті «Речовина» для енциклопедії Брокгауза і Ефрона, писав про ефір: «Необхідно припустити, що... положення планет в сонячній системі визначає не лише інерція, але і проміжне середовище, що проводить світло і таке, що має особливий стан пружності, нагадуючи тверде тіло.

Так само для складання з атомів речовини необхідно припустити участь світлопроникного середовища, яке невагоме тому, що все пронизує. Так повітря невагоме в повітрі і стає ваговитим лише тоді, коли є можливість його видалити. Світове ж середовище видалити не можна, тобто абсолютну порожнечу, позбавлену світового середовища, отримати неможливо».

З іншого боку, великий хімік не перебільшував роль ідеї ефіру в обґрунтованих фізичних теоріях, як деякі в той час вважали. В одній із статей він пише: «... уявлення про ефір викликане виключно вивченням явищ і потребою дати їх простий розгляд». І далі: «світловий ефір, якщо він реальний, то...», – іншими словами, він допускав можливість того, що ефіру не існує.

Менделєєв шукає на Землі речовини, на які міг би бути схожим ефір. Хоча пружність наближує його до твердих тіл, але напрошується порівняння з газами, причому з інертними, «тому що ці останні не вступають в хімічну взаємодію ні з чим, а світовий ефір, пронизуючи всі тіла, вочевидь, теж з ними хімічно не взаємодіє».

Якщо ефір вважати схожим на газ гелію, то на основі такої аналогії можна спробувати виявити властивості атома ефіру. При цьому Менделєєв скористався методом, яким шукав властивості атомів ще невідомих елементів. Відомо, який блискучий успіх чекав його передбачення.

У міркуваннях про атом ефіру, Дмитро Іванович мимоволі приходив до області, що не має до законів хімії (та і фізики тих років) жодного відношення. Та все ж його пошуки «атома ефіру» залишаються цікавими і сьогодні. І не лише тому, що їх зробив «сам Менделєєв». Цікавий використаний метод.

Дмитро Іванович припускає, що квадрат швидкості частинок ефіру має бути в стільки ж раз більше квадрату швидкості частинок водню, «в скільки разів щільність водню перевершує щільність ефіру, при однакових температурах».

Прийнявши для світового простору відповідно до поглядів того часу температуру – 80° за Цельсієм, Менделєєв на основі простої пропорції визначає мінімальну середню швидкість частинок ефіру – 2000 км/сек, атомна ж маса частинки ефіру виявилася близькою до 10^–32 г.

Достовірність цього значення маси можна розглянути, на основі уявлень про порожнечу з точки зору теорії непрямих вимірів.

Нагадаємо, що вважати цифру, отриману розрахунком, достовірною можна лише за умови, що ця цифра не більше за абсолютну похибку найкращого з відомих вимірів маси. До того ж, розрахункове значення маси має бути більшим за абсолютну похибку її виміру. З цієї точки зору оцінка 10^–32 г, як, втім, і оцінка маси електрону 10^-27г, викликає великі сумніви. Звичайно, ці прості міркування вимагають більш детального аналізу.

О.М. Пальті, ст. наук. співробітник з фізики ВТНП

 

За темою:

Про порожнечу і виміри