Свойства эфира в электродинамике Максвелла и его логическое обоснование с комментариями Исаака Ньютона
Дисклеймер: автор не пропагандирует те или иные идеи, равносильно рассматривая каждую из них и пытаясь не показывать своего отношения к различным научным концепциям. Статьи из цикла "Эфир" не созданы с целью внушить реальность этой гипотезы. Я стараюсь без фриковщины провести тебя по пути развития науки, чтобы ты понял, как люди придумывали различные гипотезы, приведшие к текущему состоянию астрономии и космологии в частности. P.S. Читай эту статью, как в учебнике истории.
Логичное обоснование гипотезы эфира
Человеку свойственно делать выводы, основываясь на эмпирических данных. Да вообще на этом и была построена вся наука еще век-два назад. Это сейчас "извращенные" абстрактные идеи ищут своего визуального подтверждения (например, квантовая механика и ОТО), но раньше homo sapiens делал выводы об окружающем мире, основываясь на наблюдениях. Эфир — не исключение, ведь теоретическая база для этой субстанции была вполне логичная и понятная. Еще Платон в "Кратиле" описывал эфир как "тонкую" материальную субстанцию. И вот, из метафизической ниши eather (или æther, как упоминалось до 19 века) перекочевал в науку. Достаточно было взглянуть на воду или поведение звука в воздухе и предположить о схожей природе материи и в космическом пространстве — о переносчике электромагнитных взаимодействий, реализованном в виде материальной среды.
Ньютон, эфир и теория Лесажа
Одним из интереснейших доказательств его существования была предложена концепция давления эфира на объекты, которое "ошибочно" принимали за гравитационное взаимодействие (иллюстрация 1). Представь себе звезду и планету — практически по всей площади на них падает эфир, кроме тех мест, которые обращены друг ко другу (логично предположить, что давление вещества в области между планетой из звездой будет пониженное относительно остальной части). Именно поэтому внешнее давление заставляет объектам не разбегаться. Еще Ньютон пытался предположить, что такое явление имеет место, но об этом стало известно много позднее, «так как ему не удалось на основании опытов и наблюдений дать удовлетворительные объяснения касательно этой среды и касательно того, как она действует, производя главные явления природы». Уже к 19 веку эта идея изжила себя полностью. Эта концепция, кстати, называется теорией гравитации Лесажа — я намерен посвятить ей статью.
«Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силой и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниям этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны»
— И.Ньютон, Математические начала, стр. 592
«1) Во-первых, я полагаю, что все пространство заполнено эфирным веществом, способным к сжатию и расширению, большой упругости и, одним словом, во всех отношениях весьма похожим на воздух, но значительно более тонким.
2) Я предполагаю, что этот эфир проницает все обычные тела, но, однако, таким образом, что в порах их он более разрежен, чем вне их, и тем более разрежен, чем меньше их поры. И я (вместе с другими) предполагаю, что это является причиной, почему падающий на эти тела свет отклоняется по направлению к перпендикуляру, почему две хорошо отполированные поверхности слипаются в сосуде, из которого выкачан воздух, почему ртуть иногда поднимается до верха стеклянной трубки, даже на высоту больше 30 дюймов,— и одной из главных причин, почему сцепляются части всех тел: это и причина фильтрации и подъема воды в узких стеклянных трубках выше поверхности воды, в которую они погружены, так как я предполагал, что эфир может быть более разреженным не только в ничтожных порах, но даже и в весьма больших отверстиях этих трубок. И тот же принцип может заставить растворители жадно насыщать поры растворяемых ими тел, поскольку окружающий эфир, так же как атмосфера, сжимает их.
3) Я предполагаю, что более разреженный эфир внутри тел и более плотный вне их не могут быть ограничены математической поверхностью, но постепенно перерастают друг в друга, причем внешний эфир начинает становиться более разреженным, а внутренний — более плотным, на некотором небольшом расстоянии от поверхности тела, и проходит все промежуточные стадии плотности в промежуточном пространстве. И это может быть причиной, по которой свет в опытах Гримальди, проходя мимо острия ножа или другого непрозрачного тела, отклоняется в сторону так, как если бы он был преломлен, и при этом преломлении возникает несколько цветов...
4) Когда два движущихся навстречу друг другу тела сближаются, я предполагаю, что находящийся между ними эфир становится более разреженным, чем он был раньше, а пространство, на котором он постепенно становится более разреженным, распространяется на большее расстояние между поверхностями тел. И это происходит потому, что эфир не может так же свободно двигаться вверх и вниз в узком пространстве между телами, как это было до того, как они сблизились...
5) Однако из четвертого предположения следует, что, когда два приближающихся друг к другу тела сближаются настолько, чтобы заставить разрежаться находящийся между ними эфир, они начнут противиться дальнейшему сближению и стремиться отдалиться друг от друга, каковые сопротивление и стремление будут расти по мере сближения потому, что этим они заставляют промежуточный эфир разрежаться все более и более. Но наконец, когда они настолько сблизятся, что избыток давления внешнего эфира, окружающего тела, над давлением разреженного эфира, находящегося между ними, сделается так велик, что превозможет сопротивление этих тел сближению, тогда этот избыток давления заставит их с силой двигаться навстречу друг к другу и заставит их сцепляться друг с другом в такой силой, как это было оказано во втором предположении» — И.Ньютон в письме Бойлю, 1782 год
Свойства эфира
К 1900-му научному сообществу были известны многие свойства эфира: его способность передавать энергию, причем не мгновенно, а с некоторым временем (в качестве примера приведу ограниченную скорость света). Эфир обладает упругостью, так как принимает кинетическую энергию от света (как известно, половина энергии волны света является кинетической, а другая — потенциальной). Плотность эфира составляет 7,4*10^11 электронвольт на кубический сантиметр.
Но что же такое эфир: газ или нечто наподобие темной энергии? Молекулярное строение светоносной субстанции было опровергнуто путем обыкновенных логических размышлений. Если эфир — это газ, то он состоит из молекул. Молекулы при движении расформировываются из одних групп в другие, разбиваются и выбрасывают хаотичные группировки молекул из системы, высвобождая тепло. Таким образом эфир бы нагревался, чего не ученые не наблюдали. Сторонники гипотезы также предполагают, что эфир представляет собой непрерывную однородную среду.
Интересный факт: в октябре 1902 года Дмитрий Менделеев занес эфир в нулевой ряд нулевую группу (см. иллюстрацию 2 ниже), описывал его как «легчайший — в этом отношении предельный — газ, обладающий высокою степенью проницаемости» и дал название "Ньютоний". Советую ознакомиться со статьей Менделеева «Попытка химического понимания мирового эфира».
Кому-то может показаться, что много хороших слов я наговорил про эту субстанцию. Но как бы не так. В следующий раз ты узнаешь о том, почему мир отказался от светоносного эфира, и какое в этом участие принял Альберт Эйнштейн.
Список литературы:
- Джеймс Кларк Максвелл. Речи и статьи (В.Ф. Миткевич), 1940., с. 222-223
- Дмитрий Иванович Менделеев. Попытка химического понимания мирового эфира (М.П. Фролова), 1902., с. 5-40
- James Clerk Maxwell, "Ether" (Encyclopædia Britannica 9th Edition, p. 568-572)