III

З приводу думок Д. Менделєєва про атоми ефіру журнал «Хімія і життя» надрукував статтю вченого В. Храмова. Замінивши в обчисленнях великого хіміка застарілі дані, наприклад, – 80°С (у вільному космосі) виправив на – 250°С, він отримав для менделєєвського атома ефіру масу 10^-33 грами, що в мільйон разів менше маси електрона.

В. Храмов пише: «...спеціальна теорія відносності... покінчила зі «світовим ефіром» лише як із нерухомим середовищем, що може служити абсолютною системою відліку. Д. Менделєєв, по суті, лише висловив припущення про існування ще невідомої найменшої частинки матерії (зараз казали б елементарної), подібної до атому благородного газу за своєю хімічною інертністю... усюдисущою і всепронизуючою... Можливо, вчений був правий?»

Храмов відповідає на це питання, намагаючись ототожнити атом ефіру і «невловиме» нейтрино. Адже воно «теж» надзвичайно слабо реагує з речовиною і має мізерну масу спокою.

У поставленому трохи пізніше після виходу статті В. Храмова експерименті, енергію нейтрино оцінили в 10^–18 Дж, що відповідає масі спокою (по формулі А. Ейнштейна m = Е/с²) приблизно 10^–32 грами. Непоганий збіг з атомом ефіру Менделєєва – Храмова!

Генії іноді роблять передбачення, спираючись на абсолютно далекі від істини підстави. Іоганн Кеплер, наприклад, вважав, що планети мають свободу волі. Це не завадило йому запропонувати правильні закони руху планет.

Щоправда, висловлені в кінці попередньої статті (Про Ісака Ньютона і гіпотезу світового ефіру, №1, 2023) думки ставлять під сумнів міркування Д. Менделєєва й оцінки В. Храмова, але ідея сама по собі цікава.

Тут доречно зробити зауваження, спираючись на викладену раніше теорію вимірів. Число вимірів у будь-якому експерименті обмежене, тому і величина елементарної маси теж має бути обмеженою. І значення її – результат непрямого виміру.

Але оцінка – це не просто отримане розрахунком число. Похибка значення числа 10^–33 г (по суті, непрямого виміру маси) має бути ще меншим числом. До речі, саме значення на багато порядків менше, ніж значення маси, які вимірюють в реальних прямих дослідах. Саме тут виникає сумнів у згаданих вище «геніальних» передбаченнях.

Прибічник ідеї ефіру відомий фізик Гендрік Антон Лоренц, розбираючи наукові думки свого часу, пов'язані з ефіром, визнавав, що вони стають усе більш складними і зростає кількість випадків, які не знаходять пояснень.

Вказані зауваження одначе не порушили самого «принципу ефіру». Авторитет Ньютона і Гюйгенса підкріплювали думки інших великих – Фарадея і Максвелла, Канта і Менделєєва.

Поки ефір був такою умоглядною побудовою, як Демокрітова порожнеча, він міг витримати будь-який натиск тих, хто сумнівався. Коли ж кількість його властивостей, з розвитком науки, різко зросла, ситуація змінилася.

Насправді, ефір забезпечував передачу через простір сил всесвітнього тяжіння. По ефіру поширювалися світлові хвилі. Ефір відповідав за всі прояви електромагнітних сил. Та взагалі, саме в ефірі шукали пояснення майже всі загадки природи – фізичні, хімічні, біологічні та інші.

Для одночасного виконання такої кількості функцій йому належало мати аж надто різні і часто суперечливі властивості.

Ідею ефіру античні вчені не могли відкинути вже тому, що її не можна було ні перевірити розрахунком, ні підтвердити дослідами. Нова наука володіла цими потужними засобами.

У Древній Греції дуже любили ставити питання, причому такі, на які і через двадцять п'ять століть нелегко відповісти.

Сьогоднішня фізика теж любить ставити собі питання, але не будь-які, а лише такі, які підпадають під визначення – правильні. Правильні не означає, що на будь-яке подібне питання неодмінно є відповідь. Що мається на увазі?

Академік Мойсей Олександрович Марков пише: «...якщо теорія правильна і повна, вона повинна відповідати на будь-яке таке питання, і відповідати у формі певного наукового передбачення».

Теорія, наукові передбачення якої не підтверджуються, потрапляє у такі, що є нежиттєздатними, і про неї забувають. Дієва фізична теорія має відповідати досить чітким критеріям. Сюди можна віднести такі:

– Висновки теорії не повинні різко заперечувать один одному. Це властивість самоузгодженності. Теорія може суперечити іншим теоріями, але не повинна протирічити сама собі.

– Теорія повинна пояснювати всі відомі результати дослідів в області, де вона працює.

– Теорія, повинна дозволяти аналізувати результати будь-якого нового досліду у відповідній області.

– Закони теорії повинні відповідати фундаментальним законам фізики, а також передбачати раніше невідомі факти, підтвердження яких стає критерієм правильності теорії.

Аби пояснювати нові факти і досліди, гіпотезу ефіру весь час доводилося доповнювати, що виглядало для вчених все більш і більш штучним.

Щоправда, сам факт існування або відсутності ефіру довго не могли підтвердити дослідом вже тому, що гіпотетичний ефір, як згадувалося, поводив себе по-різному.

Тут знову згадаємо теорію вимірів. Ефір завжди вважали найтоншою невагомою матерією, тобто середовищем, що знаходиться на межі можливостей досліду. Тому його спостереження становило складну проблему.

На думку деяких учених, ефір відповідав його назві Аристотелем – «що завжди біжить». Відомий фізик Генріх Герц, який відкрив радіохвилі і обґрунтував на досліді електродинаміку Максвелла, наполягав на тому, що тіла, які рухаються, захоплюють ефір із собою.

Інші, наприклад, видатний голландський фізик Гендрік Лоренц вважали ефір абсолютно нерухомим. При цьому рух тіл у ньому ніяк не відбивається на положенні частинок ефіру.

З'являлися і «проміжні» гіпотези, згідно з якими звичайна речовина лише частково захоплювала з собою ефір у своєму русі.

Лише точний дослід міг підтвердити або спростувати те або інше уявлення про ефір. Про один із можливих дослідів міркував ще Джеймс Клерк Максвелл. Дослід дуже простий, хоча великий фізик сумнівався в його реальності.

Він писав: «Якби можна було знайти швидкість світла, вимірюючи час, який йому потрібний, аби пройти відстань між двома точками на Землі, а потім отримані дані порівняти із швидкістю світла у зворотному напрямі, то стало б можливо визначити швидкість руху ефіру відносно цих двох точок».

Перший серйозний експеримент з метою визначити швидкість ефіру поставив, правда, за своєю схемою, Альберт Майкельсон (1852-1931). У 1881 р. американський науковий журнал оприлюднив доповідь, сенс якої міститься в короткій завершуючій фразі: «Таким чином, доведено, що гіпотеза нерухомого ефіру є невірною».

Це речення – наслідок вражаюче красивого досліду. От як каже про Майкельсона американський письменник Мітчел Уїлсон: «Зі всіх... якостей Майкельсона головні – це витонченість методу дослідження, витонченість інтелектуального аналізу фізичної проблеми... і навіть елегантна зовнішність».

Для опису схеми досліду скористаємося цитатою з того самого Мітчела Уїлсона. «Метод Майкельсона заснований на тому ж явищі, яке викликає веселкові кольори на тонкій плівці масла на поверхні калюжі. Це явище інтерференції. Частина сонячного світла відбивається від зовнішньої поверхні масляної плівки, тоді як частина світла проходить у плівку і відбивається від її нижньої поверхні.

При певному куті падіння світла обидва відбиті промені накладаються. Як і хвилі на воді, хвилі світла або взаємно гасять, або підсилюють одна одну залежно від того, чи збігається гребінь однієї хвилі із западиною або гребенем іншої.

Білий світ складається із хвиль різного кольору (з різною довжиною хвилі). При інтерференції деякі кольори зникають (дві хвилі взаємно гасять одна одну) і замість них на маслі з'являється чорна смужка. У тому місці, де хвилі складаються, видно смуги чистих кольорів спектру».

У досліді Майкельсона промінь світла теж розщеплювався на два, кожен з яких ішов своїм шляхом і при їх накладанні виникали світлі і темні смуги.

Фізик використовував описане явище, аби виміряти швидкість руху Землі в ефірі. В устаткуванні частинки ефіру повинні були гальмувати швидкість променю, який ішов у напрямі руху Землі по своїй орбіті – ефірний вітер дув назустріч цьому променю.

Другий промінь рухався перпендикулярно до першого. Потім за допомогою дзеркал промені об'єднували разом і вони накладалися. Виходила смугаста інтерференційна картина.

Після чого устаткування повертали на дев'яносто градусів. Тепер вже інший промінь йшов проти ефірного вітру. Така зміна, якби ефірний вітер дув насправді, мала б викликати зсув інтерференційної картини. Але... картина з високою точністю залишилася на місці.

Швидкість Землі на орбіті приблизно 30 км/сек, і саме таку швидкість мала б мати ефірна течія. Ефірний вітер саме настільки повинен був би пригальмувати промінь світла, що йде проти нього. Раз цього не сталося, то і ефірного вітру не виникло.

У 1884 році Гендрік Лоренц піддав критиці експеримент Майкельсона і вказав на деякі недоліки в його першому виконанні. У 1887 році А. Майкельсон разом зі своїм земляком Едвардом У. Морлі повторили дослід, урахувавши зауваження.

Зокрема, інтерферометр установили на масивній плиті, що плавала у ртуті, аби зробити максимально плавним необхідний поворот на дев'яносто градусів.

За минуле століття за допомогою приладів, побудованих за тим самим принципом з використанням лазерів, вдалося встановити, що ефірний вітер не дме навіть зі швидкістю 0,5 м/сек.

Історія науки про світло налічує сотні захоплюючих сторінок. Як мінялися наукові уявлення про природу світла, можна довідатись із книги «Свет озарений» О.П. Мороза.

Наскільки подібні, здавалося б, далекі від реальності дослідження виправдовують витрачені зусилля? Варто нагадати, що супутники Юпітера, наприклад, принесли реальну користь вже через декілька десятків років після моменту відкриття їх Галілеєм. По характеру руху цих супутників і тіні, яку один із них (Іо) кидав на Юпітер, в XVII столітті вдалося вперше виміряти швидкість світла. Помилка не перевищувала десяти відсотків.

Як природно, що в кінці XIX століття, нарешті, вдалося точно визначити швидкість світла, не виходячи при цьому за межі рідної планети. Той самий дослідник за допомогою світла завдав нищівного удару ефіру, придуманому заради того ж світла.

Цікаво, що сам А. Майкельсон вважав, що рух ефіру повинен позначитися на русі променю. І дослід свій він ставив, аби підтвердити, а не спростувати загальноприйняту теорію.

Як відомо, експеримент мудріший за експериментатора. Треба віддати належне науковій сміливості і неупередженості фізика, вірі в правильність своїх результатів – адже заявою про «загибель ефіру» він кидав виклик ні більше, ні менше як всій світовій науці.

Пригадаємо, що І. Ньютон, побоюючись критики, майже 18 років не публікував своїх праць по всесвітньому тяжінню. З тієї ж причини К. Гаусс взагалі не опублікував свою роботу з неевклідової геометрії. І це вважаючи, що за кожним з них вже стояв величезний науковий авторитет.

Навіть А. Ейнштейну простіше було кинути виклик старим уявленням. До моменту появи його роботи фундамент спеціальної теорії відносності був уже закладений.

Отже, теорія з багатовіковим стажем була вбита небажаним фактом. Відбулося і... надовго залишалося непоміченим. Але теорії інколи виявляються дуже життєсроможними. Сказати, що доповідь Майкельсона справила враження бомби, що розірвалася, було б неправильно.

Бомба, звичайно, вибухнула і навіть рознесла в клапті гіпотезу ефіру, яку давно підвищили в розряд теорії. Проте більшість учених довго не хотіли помічати цього вибуху. Тут ситуація аналогічна дослідницькому доведенню планетарної будови атома Е. Резерфордом.

Фізики всього світу високо цінували досконалість експериментів Майкельсона з визначення швидкості світла в різних середовищах, зокрема, і у вакуумі. Із захопленням передавали з вуст у вуста, що перший прилад для виміру цієї швидкості Майкельсон виготовив всього в 20 років і носив він тоді чин флотського лейтенанта, причому ціна його приладу становила всього 10 доларів.

Визнання до Майкельсона прийшло швидко. А до його найвідомішого сьогодні експерименту це визнання зовсім не поспішало.

Історики науки підозрюють, що Ейнштейн у пору роботи над спеціальною теорією відносності, можливо, і не знав про цей дослід, результат якого був одним із найважливіших аргументів на користь правильності його ідей.

Над цим фактом невизнання варто замислитися. Чи не дуже часто в історії науки результатом досліду нехтують до пори, поки не виникає теорія, що його пояснює? Підсумків досліду з перевірки авторитетної теорії чекають з куди більшим нетерпінням, ніж появу теорії, що пояснює вже зроблений дослід, який не відповідає прийнятим уявленням.

Байдужість фізиків не прошло повз увагу великого глузівника Бернарда Шоу. Експеримент Майкельсона-Морлі дуже зацікавив великого драматурга, і письменник зробив із результатів досліду правильний висновок, відзначивши, що тепер «вирушає до біса» світлоносний ефір.

Небажання багатьох учених погодитися з безперечним фактом не дуже вразило письменника. Він казав: «Я завжди заперечував здатність будь-якого досліду запевнити людей у тому, у ві що вони вірити не бажають, чи знищити їх віру у те, у ві що вони непорушно вірять».

Та все ж, принаймні, два найбільші фізики, прибічники ефіру, прийняли результат дослідів Майкельсона. Дж. Ф. Фітцджеральд в Ірландії і Г. Лоренц в Голландії знайшли, на їх думку, можливість врятувати теорію ефіру. Вони припустили, що предмети, що рухаються проти течії ефіру, починають все сильніше скорочуватися з наближенням їх швидкості до швидкості світла.

Щоправда, Г. Лоренца з його високою науковою принциповістю і глибоким розумінням усієї попередньої фізики дуже турбувало те, що ця ідея вигадана спеціально для пояснення певного експерименту. Він писав: «…введенню особливих гіпотез для кожного нового досліду притаманна... деяка штучність».

Формули гіпотези чудово описували факти, але їх пояснення виявилося невірним. Врятувати ефір за їх допомогою не вдалось. Ці формули до цих пір входять у підручники фізики з назвою «скорочення Лоренца–Фітцджеральда», але сенс їм надають зовсім інший.

Гіпотеза ця при всіх своїх перевагах мала один дуже важливий недолік: вона наділяла ефір властивостями, які робили його у прямому розумінні неспостережуваним. Теорія не надавала способу виявити швидкість руху чого завгодно відносно «лоренцевского ефіру». Виходило, що такого способу знайти неможливо.

І в той же час не було надійної теорії, яка могла б переважити «ефірну». В більшості своїй учені вважали, що час ефіру ще не вийшов. Як не бентежили їх спогади про загибель «невагомого» теплороду або магнітної рідини, дуже важко було сприйняти думку, що ефір чекає та ж доля.

Дослід Майкельсона повторювали знову і знову в різних модифікаціях. Інколи ефірний вітер начебто виявляли в експерименті, але наступні перевірки знову і знову доводили його відсутність.

Дотепер прибічники старої ефірної картини світу шукають помилки в досліді Майкельсона, намагаються пояснити, чому ефірний вітер не спостерігається.

Дослід багато разів повторювали, причому дуже різні вчені. Інколи в таких експериментах ефірний вітер спостерігали! Правда, потім, коли апаратуру відлагоджували, ефект зникав. Можливо, помилка і виникала під час відлагоджування?

Слід зазначити, що експеримент перевіряли не десятки і навіть не сотні, а тисячі разів.

Дослід Майкельсона підтверджується також кожного разу, коли ми посилаємо світловий або радіосигнал на штучний супутник або на Луну. Час прибуття сигналу ніяк не залежить від того, вздовж руху Землі чи у протилежному напрямку йде промінь світла або радіохвиля. Відбитий від Луни промінь витрачає на шлях назад точно стільки ж часу, як і прямий промінь.

Зауважимо до того, що розраховуючи траєкторії штучних супутників і міжпланетних систем, вчені зовсім не враховують ефірний вітер. Проте їх розрахунки виявляються вірними: апарати летять куди треба.

Цікаво, що на початку XX століття старий порядний «Брокгауз і Ефрон» (відома енциклопедія того часу) в томі, що вийшов у 1904 році, – через 23 роки після першого досліду Майкельсона, – відзначав, що існування ефіру абсолютне і безперечно доведене.

А всього через рік після виходу цього тому енциклопедії невідомий на ті часи експерт патентного бюро в Берні Альберт Ейнштейн надіслав до німецького наукового журналу статтю в 30 сторінок під назвою «До електродинаміки рухомих тіл».

Простір в теорії відносності, як і абсолютний простір Ньютона, і є те матеріальне середовище, що діє на вагомі тіла. Простір прийняв на себе деякі, хоча далеко не всі, функції колишнього ефіру.

Потреба ж в ефірі як середовищі, з яким можна зв'язати абсолютну систему відліку, відпала. Причина в тому, що встановити на досліді абсолютну систему відліку неможливо, всі системи відліку рівноправні.

Після розповсюдження на гравітацію введеного Фарадеєм поняття поля, зникла сама потреба в ефірі Френеля, Ле Сажа або Кельвіна. Відпала потреба в далекодії – гравітаційне та інші фізичні поля перейняли на себе обов'язок передачі силової дії.

З появою теорії відносності первинною фізичною реальністю стало силове поле. Сама властивість пружності важлива для ефіру, виявилась обумовленою електромагнітною взаємодією частинок. Іншими словами, не пружність ефіру пояснювала електромагнетизм, а електромагнітне поле обумовлювало пружність ефіру.

То виходить, що світове матеріальне середовище стало фізиці не потрібним? Значить, треба повертатися до порожнечі? На початку XX століття потреба в старому ефірі зі всім доданим йому набором суперечливих властивостей відпала.

Деяке усюдисуще матеріальне середовище, як вважав сам творець теорії відносності, судячи по деяких його висловах, все ж таки мало б існувати і мати певні властивості.

У двадцяті роки XX століття, після публікації класичних праць зі спеціальної і загальної теорії відносності, Ейнштейн не раз писав в статтях: «...Ефір існує. Згідно загальної теорії відносності, простір немислимий без ефіру... у теоретичній фізиці не можна обійтися без ефіру, тобто континууму (нескінченній безперервній протяжності), наділеного фізичними властивостями».

Тож, повторюється історія, що трапилась з порожнечею в XVII столітті? Тоді, побачивши торрічеллієву порожнечу, багато вчених проголосили, як ми раніше відмічали, що дійсна порожнеча неможлива. Зараз, після того, як теорія відносності зробила ефір непотрібним, багато фізиків не бажали відрікатися від необхідності такого середовища!

Насправді ці дві ситуації схожі лише зовні, тому що ефір Кельвіна і ефір, про який казав Ейнштейн, абсолютно різні. У Ейнштейна фізичними властивостями наділений сам простір.

Для загальної теорії відносності цього досить, у цьому просторі жодне додаткове матеріальне середовище не потрібне. Проте вже сам простір з новими фізичними властивостями можна було б, слідуючи Ейнштейнові, назвати ефіром.

Наступний етап в історії ефіру пов'язаний із квантовою теорією, точніше, з квантовою теорією поля. І тут виникло, по суті, нове поняття – фізичний вакуум. Перед розповіддю про це «нове» поняття слід було б надати вступ у сучасну квантову теорію, яка разом з теорією відносності лежить сьогодні в основі фізики.

Точка зору теорії вимірів дозволяє зробити несподіваний висновок. Велика частина фізичних теорій чи моделей оперує з об’єктами, які неможливо спостерігати. Судити про їх поведінку можна лише непрямо. Одна з таких теорій якраз і пов'язана з ефіром.

Квантова теорія розглядає явища, що відбуваються на межі людських можливостей виміру. Тому теорія непрямих вимірів набуває особливо важливого змісту. Відповідно перевірка висновків квантової теорії вимагає коректної теорії вимірів.

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

 

За темою:

I Про порожнечу і виміри

II Про Ісака Ньютона і гіпотезу світового ефіру