Эргодинамика движущихся тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эргодинамика движущихся тел

Математик может говорить все,

что взбредет ему в голову, но физик

обязан сохранять хотя бы крупицу

здравого смысла.

Уиллард Гиббс.

Под эргодинамикой мы будем понимать изменение структуры материальных тел вследствие изменения модуля скорости их движения. Идеи эргодинамики не возникли из небытия. “Мотивы” этих идей обнаруживают себя в специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна, которая утверждает, что в природе действует фундаментальный закон - принцип относительности, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково, независимо от того, неподвижна эта система или находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Из чего следует, что во всех инерциальных системах отсчета законы природы одинаковы, а потому должны выражаться одними и теми же уравнениями. Достигается это равноправие инерциальных систем релятивистскими парадоксами СТО, математическим выражением которых являются преобразования Лоренца. Именно релятивистские парадоксы являются эргодинамическими мотивами, и, в силу этого, именно они обуславливают целесообразность рассмотрения СТО в рамках данной работы. Следует сказать, при этом, что в истории ее создания есть много очень непонятного. К примеру, в течении более десяти лет проблемам относительности посвящали свои работы очень известные физики-теоретики того времени, такие как Пуанкаре, Лоренц, Лармор, Фогт, Фицджеральд и многие другие, менее известные, кто ссылался на их работы. К 1905 году Пуанкаре сформулировал практически все основные положения теории: ненужность эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени, условность понятия одновременности событий, принцип относительности, преобразования Лоренца, и т.д. Однако автором теории стал совершенно никому не известный в научном мире 26-летний клерк патентного бюро Альберт Эйнштейн, опубликовавший в июне 1905 года в журнале “Анналы физики” статью “К электродинамике движущихся тел” [1]. Подобное можно было бы оправдать гениальностью молодого человека, если бы не одно существенное обстоятельство. Быть напечатанной в каком-либо научном журнале эта статья могла, но она не могла стать фундаментальной физической теорией, не могла принципиально, ибо, как будет показано, эта теория внутренне противоречива. Более того, противоречива постановочно, т.е. противоречива в своих исходных положениях, развитием которых она и является. А это значит, что для доказательства ее недостоверности не требовалось никаких экспериментов. Но ни Пуанкаре, ни Лоренц не только не выступили с критикой статьи Эйнштейна, но и более того, они способствовали признанию ее в качестве фундаментальной физической теории. В самом деле, вот мнение Пуанкаре об Эйнштейне, в связи с приглашением его на должность профессора Высшего политехнического училища в Цюрихе в конце 1911 года: “Г-н Эйнштейн - один из самых оригинальных умов, которые я знал; несмотря на свою молодость, он уже занял весьма почетное место среди виднейших ученых своего времени. То, что нас больше всего должно восхищать в нем, - это легкость, с которой он приспосабливается к новым концепциям и умеет извлечь из них все следствия. Он не держится за классические принципы и, когда перед ним физическая проблема, готов предусмотреть любые возможности” [2]. А вот мнение Лоренца, которое он высказал в 1912 году: “Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего строго и точно действующего закона” [3].

Такое поразительное единодушие метров теоретической физики в оценке статьи “К электродинамике движущихся тел” является, пожалуй, самым главным парадоксом теории относительности. Парадоксом, который достижениями физической науки того времени оправдать невозможно.

1. С исторической точки зрения к открытию принципа относительности привела гипотеза о движении Земли, особенно о вращении ее вокруг своей оси. Вопрос заключался в следующем: если Земля вращается, то почему мы этого не замечаем, т.е. не наблюдаем в экспериментах, совершаемых на её поверхности? Обсуждение этой проблемы привело к выводу уже средневековых учёных, что вращение Земли не оказывает никакого влияния на какие-либо опыты, проводимые на её поверхности.

Так Николай Орем (XIV), французский натурфилософ, математик, доктор богословия парижского университета, последовательно рассматривал все доводы против вращения Земли, содержащиеся в трудах Птолемея, и находил их неправильными. Он делает вывод, что «никаким опытом нельзя доказать, что небо движется в своем дневном движении, а Земля остается неподвижной». При этом он рассматривал пример движущегося корабля:

“Подобным образом, если бы воздух был закрыт в движущемся судне, то человеку, окруженному этим воздухом, показалось бы, что воздух не движется…Если бы человек находился в корабле, движущемся с большой скоростью на восток, не зная об этом движении, и если бы он вытянул руку по прямой линии вдоль мачты корабля, ему бы показалось, что его рука совершает прямолинейное движение; точно так же, согласно этой теории, нам представляется, что такая же вещь происходит со стрелой, когда мы пускаем ее вертикально вверх или вертикально вниз. Внутри корабля, движущегося с большой скоростью на восток, могут иметь место все виды движения: продольное, поперечное, вниз, вверх, во всех направлениях -- и они кажутся точно такими же, как тогда, когда корабль пребывает неподвижным” [4].

В XV веке, среднеазиатский математик и астроном Ала ад-Дина Али ал-Кушчи так же пришел к выводу, что вращение Земли не влияет на какие-либо опыты, проводимые на её поверхности.

“Считают, что суточное движение светил на запад возникает с действительным движением самой Земли с запада на восток. Поэтому нам кажется, что светила восходят на востоке и заходят на западе. Такое ощущение бывает у наблюдателя, сидящего на корабле, движущемся по реке. Наблюдателю известно, что берег воды неподвижен. Но ему кажется, что берег движется по направлению, противоположному направлению корабля” [5]. эргодинамика материальный свет эфир

Получили развитие эти идеи и в эпоху Возрождения. Так в сочинении “Об учёном незнании” кардинал Николай Кузанский (1401 - 1464) писал: “Нам уже ясно, что наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным. В самом деле, если бы кто-то на корабле среди воды не знал, что вода течет, и не видел берегов, то, как бы он заметил движение судна? В связи с этим, …каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а все остальное движется…” [6].

Аналогичные мысли содержатся и в сочинении итальянского философа Джордано Бруно (1548 - 1600) “О бесконечности, Вселенной и мирах”: “…как это заметили древние и современные наблюдатели природы и как это показывает тысячью способов чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и соотнесения с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плавающем корабле, если они не знают, что вода течет, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности земли. Я могу считать, что если бы я находился на солнце, луне или на других звездах, то мне всегда, казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается все окружающее, вокруг которого вращается этот объемлющий меня мир, в центре которого я нахожусь. Вот почему я не уверен в различии между подвижным и устойчивым” [7].

Однако «отцом» принципа относительности заслуженно считается Галилео Галилей, который придал ему чёткую физическую формулировку, обратив внимание, что, находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется.

“Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, - пишет Галилей в своей книге “Диалог о двух главнейших системах мира - птоломеевой и коперниковой”, - запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. Прыгая, вы переместитесь по полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать больших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа, на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, как вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку, и, бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей... И причина согласованности всех этих явлений заключается в том, что движение корабля обще всем находящимся на нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой, так как если бы вы были на ней, т. е. на открытом воздухе, не следующем за бегом корабля, то должны были бы видеть более или менее заметные различия в некоторых из названных явлений” [8].

На основании этих наблюдений Галилей делает вывод, который в последствии Пуанкаре назовет принципом относительности Галилея: “Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия” [8].

Но свою завершенность принцип относительности Галилея нашел в механике Ньютона. В “Математических началах натуральной философии” Ньютон так сформулировал принцип относительности: “Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения”. [9] Иначе говоря, механические движения относительны, но законы движения абсолютны. И если раньше принцип относительности воспринимался, как некое чудо природы, то Ньютон дает ему физическое обоснование: принцип относительности является 5-м следствием законов динамики, из чего с необходимостью следует, что применимость принципа относительности ограничена только областью механический процессов. А это значит, что в рамках механики понятие скорости не может иметь абсолютного значения, равно как, лишено смысла и понятие системы отсчета абсолютно покоящейся или абсолютно движущейся.

2. Во времена Галилея и Ньютона люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. Однако в 1727 г. английский астроном Брэдли (Брадлей), намереваясь определить параллакс неподвижной звезды г-Дракона, открыл явление аберрации света, действие которой приводит к тому, что видимое направление на звезду не совпадает с геометрическим направлением на нее в тот же момент времени. В 1729 году Брэдли нашел этому явлению правильное объяснение: аберрация есть результат сложения скорости света и скорости орбитального движения Земли, и является следствием конечной скорости света. Брэдли предположил величину аберрации равной

. (1)

Скорость х - это скорость движения Земли на орбите. Брэдли она была известна, так как к тому времени был известен радиус земной орбиты. Зная длину пути, пройденного Землей за год, можно вычислить, что х = 30 км/сек. Зная эту скорость и угол аберрации , по формуле (3) легко рассчитать скорость света с. Угол аберрации оказался равным = 20,2ґґ. Этот угол дает значение скорости света с = 301000 км/сек., подтверждая справедливость вычисления скорости света датским астрономом Ремером с = 300870 км/сек. (в современных единицах).

Следует заметить, что наблюдение аберрации обусловлено не истинной скоростью Земли, а только изменением направления скорости при ее орбитальном движении. Звездная аберрация была первым наблюдательным подтверждением теории Коперника, следовательно, она объективно свидетельствовала в пользу того, что принцип относительности к оптическим явлениям не применим: находясь внутри системы отсчета Земля, включающей в себя звезды и Солнце, обнаружить движение Земли возможно, и обусловлена эта возможность постоянством скорости света, т.е. тем, что свет не втянут в общее движение Земли и тел, находящихся на ее поверхности.

3. При объяснении аберрации Брэдли исходил из корпускулярной теории света, но существовала еще и волновая теория. Волновая теория света привела к возникновению в физике понятия об эфире, как о всепроникающей среде, в которой могут распространяться упругие возмущения и волны. Считали, что эфир заполняет все мировое пространство, неподвижен, и обладает ничтожно малой плотностью, чтобы не создавать заметного сопротивления движению небесных тел, не обнаруженного многовековыми наблюдениями астрономов. Установленная при изучении поляризационных явлений поперечность световых волн позволила считать эфир несжимаемым и способным испытывать лишь упругие деформации. Обозначая через ? модуль сдвига и с плотность эфира, получим для скорости распространения света в эфире выражение

. (2)

В 1804 году английский физик Т. Юнг показал, что звездную аберрацию можно объяснить и на основе волновой теории света. При этом Юнг сделал следующие предположения. Земля и все тела на земле пронизаны, пропитаны эфиром, но при движении Земли и тел на ее поверхности они не могут этот эфир увлечь за собой или сколь-либо существенно его возмутить. Поэтому возникает “эфирный ветер”, пронизывающий все тела на движущейся Земле, который наблюдатель на Земле может “ощущать” и регистрировать. Тела не способны задерживать эфир, как “неспособны удерживать ветер кроны деревьев”, писал Юнг. Таким образом, световые волны, идущие от звезды, не будут принимать участия в движении телескопа, и если принять, что телескоп направлен на истинное положение звезды, а Земля, для простоты, движется перпендикулярно направлению на звезду, то изображение звезды будет смещено от центрального перекрестья в фокусе на расстояние, равное тому, которое пройдет Земля за время, пока свет будет идти через трубу телескопа.

Следует сказать, что волновая теория света существенно меняла представление о движении тел в природе. Если в механике Ньютона физический смысл имеют относительные движения тел, то с учетом неподвижного эфира появляется возможность говорить об абсолютных движениях. В самом деле, материальные тела, совершая движения относительно друг друга, вместе с тем, совершают движения и относительно неподвижного эфира. И движение материальных тел относительно эфира отличается от движения относительно друг друга тем, что движения тел относительно эфира носят абсолютный характер. Если, к примеру, тело движется относительно тела со скоростью , то ее можно изменить, действуя силой как на тело , так и на тело Изменить же движение тела относительно эфира можно только приложением силы к нему, а не к какому-либо телу. Скорость тела относительно эфира не зависит от движения других тел, и имеет смысл даже тогда, когда все остальные тела перестанут существовать.

Поскольку скорость света относительно эфира постоянна, то относительно материальных тел, движущихся в эфире, она переменна и зависит от их скорости относительно эфира. Следовательно, измеряя скорость тела относительно света, или, что тоже самое, скорость света относительно тела, можно придать скорости тел абсолютный смысл, как скорость тела относительно эфира. В этом случае, система отсчета, связанная с эфиром, получает преимущественное значение по сравнению со всеми другими инерциальными системами, и скорость тела в этой системе становится абсолютной скоростью тела в пространстве. То обстоятельство, что природа эфира неизвестна, не является существенным для данной частной задачи. Вопрос о скорости перемещения тел по отношению к эфиру имеет непосредственный физический смысл, независимо от природы эфира и его частных свойств. А если это так, то должны существовать и способы ее измерения. Понятно, что последние рассуждения справедливы только в том случае, если эфир действительно неподвижен.

4. Однако свет распространяется не только в пустоте, но и проходит через различные прозрачные тела (стекло, вода и т.п.). При этом в оптически прозрачных телах скорость света меньше скорости в эфире, и выражается формулой Поэтому, признавая вслед за Юнгом, что эфир пронизывает все тела, не создавая какого-либо сопротивления их движению, необходимо так же признать, что заключенный в телах эфир взаимодействует с телами: этим взаимодействием либо уменьшается упругость эфира ?, либо увеличивается его плотность с. И эти изменения свойств эфира обобщенно выражаются коэффициентом преломления .

Но тела могут двигаться, поэтому возник вопрос о влиянии движения тел на оптические явления. Впервые об оптике движущихся тел заговорил английский естествоиспытатель Джон Мичелл, выдвинув предположение, что движение линзы или призмы должно сопровождаться изменением ее коэффициента преломления. Так как Земля, считал Мичелл, движется в неподвижном эфире со скоростью , то скорость света, идущего от звезды, в стекле призмы при приближении к звезде будет [(, а при удалении от звезды, через полгода, [()]. Следовательно, показатель преломления n призмы, через которую наблюдается звезда, для света звезды должен в течение года периодически изменяться, а потому луч от звезды должен периодически отклоняться от своего начального положения и по прошествии года должен возвращаться в свое начальное положение.

Опыт для проверки предположения Мичелла поставил в 1810 году французский физик Араго. Он использовал свет конкретной звезды, ожидая получить угловое смещение 2ґ. Но он не обнаружил никакого эффекта, обусловленного движением линзы вместе с Землей относительно звезды, и пришел к выводу, что движение линзы вместе с Землей на показатель преломления не влияет. Эти результаты можно было бы объяснить полным увлечением эфира веществом линзы, если бы знать, как объяснить само полное увлечение. Араго не знал, и потому обратился к французскому физику Френелю с просьбой объяснить отрицательный результат его опыта.

Френель нашел объяснение, о чем сообщил Араго в письме в 1818 году, опубликованному в том же году во французском научном журнале. При этом Френель поставил вопрос более широко - как влияет движение Земли на оптические явления на Земле вообще, т.е. поставил задачу найти и нашел единый подход для объяснения оптики движущихся сред, так что аберрация у него перестала быть изолированным астрономическим оптическим явлением, требующим для своего объяснения особых рассуждений.

Френель сразу же отказался от объяснения опыта Араго тем, что эфир полностью увлекается Землей, так как тогда невозможно было бы объяснить явление аберрации, ибо ее объяснение Френель видел, следуя Юнгу, в том, что эфир не увлекается движущейся Землей. Но в отличие от Юнга, Френель, все же допустил предположение, что Земля сообщает пропитывающему и окружающему ее эфиру часть своей скорости, но очень малую часть (очень “пористая” Земля “частично” увлекает эфир). Что позволило ему рассматривать опыт Араго, состоящим из двух эффектов: эффекта аберрации и эффекта частичного увлечения эфира движущейся призмой. При таком подходе отрицательный результат опыта Араго можно было объяснить тем, что оба эти эффекта в точности компенсируют друг друга. Из этого условия и следовало искать значение скорости частичного увлечения эфира призмой, с учетом скорости ее движения х и коэффициента преломления .

В этих целях, Френель сформулировал две гипотезы:

а) различие скоростей света в стекле призмы и в окружающем ее неподвижном эфире происходит исключительно из-за различия плотности эфира , пронизывающего тело призмы, и плотности эфира , находящегося вне призмы, так что справедливо соотношение Упругость эфира вне призмы и внутри нее принимается равной;

б) движущаяся в неподвижном эфире призма увлекает с собой не весь эфир, ее пропитывающий, а только ту его часть, которая является избытком плотности эфира над плотностью эфира в пустом пространстве, т.е. плотность эфира, переносимого призмой равна [)].

Далее Френель предположил, что когда движется только часть такой комбинированной среды, а другая ее часть покоится, то скорость волны в такой среде, распространяющейся в направлении движения среды, увеличивается на скорость движения центра масс комбинированной среды, т.е. в нашем случае увеличится на величину

(3)

так что общее выражение для скорости волны будет иметь вид

(4)

Френель убедился в справедливости своей формулы (4) в частных предельных случаях. Эта формула очевидно верна, когда плотность увлекаемой части эфира равна нулю, тогда так как по формуле

Формула, очевидно, так же верна и тогда, когда увлекается весь эфир; тогда так как по формуле

Вполне понятно, что для волны, распространяющейся во встречном направлении движения среды, скорость волны уменьшится на величину

(5)

Как видно, Френель, фактически, попросту угадал свою формулу увлечения (4), предположив простую экстраполяцию линейной зависимости увеличения скорости волны в среде, в зависимости от степени увлечения этой среды. Следуя этим предположениям, Френель сделал соответствующие построения для двух положений прямоугольной призмы и, используя в расчетах необходимые ему приближения показал, что “движение Земли в первом приближении по константе аберрации не оказывает никакого влияния на преломление света от звезды “.

Более того, из своей формулы частичного увлечения эфира Френель вывел интересное следствие. Если трубу телескопа наполнить водой, то наличие воды в телескопе никак не будет влиять на величину аберрации. Пройдет много лет и в 1871-72 гг. английский астроном Эйри, рискуя испортить большой гринвичский телескоп, наполнил его водой и повторил опыт Брэдли по наблюдению звезды г-Дракона. Он наблюдал звезду вблизи зенита с помощью вертикально установленного телескопа выстой 35,3 дюйма. По теории немецкого астронома Клинкерфуса за полгода угловое смещение звезды должно было составить около 30ґґ, в то время как в опыте смещение не превышало 1ґґ и лежало в пределах ошибок эксперимента. Опыт, как видим, подтвердил, в согласии с теорией Френеля, что угол аберрации для наполненной трубы остается таким же, как и для пустой.

В 1851 г. французский физик Л. Физо поставил опыт по измерению скорости света в движущейся воде. Опыт обнаружил, что при скорости света в неподвижной воде , где n - показатель преломления воды, и при скорости воды имеет место неплохое совпадение скорости света с формулой Френеля (4).

Если бы эфир совершенно не увлекался водой, то скорость света в движущейся воде не должна бы отличаться от скорости света в неподвижной воде: должно было бы равняться . Если бы эфир, заключенный в воде, перемещался вместе с водой, то скорость света по отношению к воде должна бы равняться u, следовательно, для получилось бы значение . Совпадение результатов опыта с формулой Френеля было истолковано в том смысле, что имеет место “частичное увлечение” эфира, тем большее, чем больше коэффициент преломления, что количественно неплохо согласуется теорией Френеля.

В 1845 году английский физик Дж. Стокс опубликовал работу “Об аберрации света”, в которой изложил свою теорию аберрации. Он предположил, что Земля, двигаясь с постоянной скоростью в межпланетном пространстве переносит какую-то часть эфира с собой, подобно шару, движущемуся с постоянной скоростью в вязкой неподвижной жидкости, вследствие чего, в близи поверхности Земли и не высоко в горах “эфирного ветра” нет. Но по мере удаления от земли скорость “эфирного ветра” нарастает, пока на не очень большом расстоянии она не станет равной скорости эфира, покоящегося в межпланетном пространстве относительно Земли. Таким образом, можно предположить, что в системе отсчёта, жёстко связанной с Землёй, эфир натекает на Землю стационарным сплошным потоком, обтекая её со всех сторон с некоторым полем скоростей независимом от времени. В момент написания этой работы Стокс не знал еще работы Френеля 1818 года по теории аберрации, о чем свидетельствует отсутствие ссылок на работу Френеля в этой работе, и его статья, появившаяся через несколько месяцев, уже в 1846 г., в которой Стокс подробно излагает по-своему теорию Френеля, называет ее “замечательной” и дает ее интересное развитие. Однако здесь же, в этой статье 1846 г. Стокс отмечает, что теперь “мы столкнулись с любопытным случаем существования двух совершенно различных теорий, одинаково хорошо объясняющих явление”. Справедливости ради, следует сказать, что обе теории - Стокса и Френеля - оказались в состоянии количественно объяснить звездную аберрацию, опыты Араго и Эйри, но объяснить опыт Физо в некотором приближении смогла только теория Френеля.

5. До сих пор мы рассматривали эфир как гипотетическую упругую среду, в которой световые волны распространяются с постоянной скоростью. Но в 1864-м году английский физик, математик и механик Д. К. Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрических и магнитных полях, и обобщив законы, установленные экспериментальным путем, разработал электромагнитную теорию эфира, изложив ее в статье “Динамическая теория электромагнитного поля” [10]. Согласно теории Максвелла, эфир существует как физическая среда, которая при наличии в ней зарядов проявляет себя состоянием электрического поля, а при наличии токов - состоянием магнитного поля. При этом электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого - электромагнитного поля: всякое изменение магнитного поля порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле. “Та теория, которую я предлагаю, - пишет Максвелл, - может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть также названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления”. И далее: “Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии”.

Как видно, Максвелл приходит к ясному пониманию эфира как вида материи, выражая все ее электромагнитные проявления системой из двадцати уравнений с двадцатью неизвестными. С точки зрения поля теория свела в единую систему все знания по электричеству и магнетизму, объяснив результаты всех предшествующих исследований в этой области.

Однако значение теории, как принято считать, стоит не только в том, что она обобщила уже известное, но и в том, что она предсказала существование в эфире нового явления - электромагнитных волн. Из решений уравнений Максвелла следовало, что любые изменения электромагнитного поля, т.е. переменное электромагнитное поле, должно порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в эфире с постоянной скоростью, которая определяется физическими свойствами эфира - его диэлектрической и магнитной проницаемостью. Теоретическое значение скорости электромагнитных волн совпадало со скоростью света, вычисленной по результатам оптических опытов А. Физо. Это совпадение побудило Максвелла сделать вывод о том, что “свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений”. Это подтверждало предположение Фарадея об электромагнитной природе света, высказанное им в 1846 году, что свет является очень короткими электромагнитными волнами.

После создания теории Максвелла стало понятно, что существует только один эфир - носитель электрических, магнитных и оптических явлений, так что судить о его свойствах теперь можно не только на основе оптических, но и электромагнитных явлений.

Следует сказать, что при создании своей теории, Максвелл, прежде всего, ставил задачу найти математический аппарат, который мог бы описывать физические представления Фарадея о полях. В этих целях Максвелл использовал метод аналогий и моделей. Под физической аналогией он понимал то частное сходство каких-либо двух областей, благодаря которому одна является иллюстрацией другой. Поскольку различные классы физических явлений могут иметь одинаковую математическую форму законов, то по известным решениям задач в одной, уже известной, области можно получить решения задач в другой, неизвестной. Максвелл выдвигал различные модели электромагнитного поля, принимая в качестве аналога те или иные механистические образы, математическое описание которых уже были получены.

Стремление Максвелла наглядно представить электромагнитное поле в виде механического образа - это безусловная дань господствующему тогда механицизму, освященная традицией классической физики, для которой понять - значит наглядно представить. Кроме того, попытки такого рода связаны также еще с одной важнейшей чертой стиля мышления Максвелла - постоянным стремлением за математическим описанием видеть природу, придавать физический смысл любому уравнению физики. Что, несомненно, характеризует его, как физика самого высокого достоинства.

Уравнения выводились, но построить единую модель, которая могла бы дать удовлетворительную интерпретацию всех электромагнитных явлений, Максвеллу не удавалось. В конце концов, ему стало ясно, что эта задача не выполнима. Он отказался от попыток построения механистической модели, и стал рассматривать свои уравнения электромагнитного поля как уравнения, описывающие свойства эфира, т.е. пытаясь создать физическую модель эфира, Максвелл, фактически, создал математическую модель индукционных и силовых взаимодействий электромагнитного поля, очень нужную инженерной физике. Именно это обстоятельство стало причиной того, что в последствии О. Хевисайд и Г. Герц приведут систему уравнений Максвелла к более простому виду. Изучая труды Максвелла, они придут к выводу, что используемый им математический формализм не является лучшим средством для описания его физических идей. В этих целях они воспользуются векторной алгеброй, так что уравнения Максвелла в формулировке Хевисайда и Герца представляют собой систему из четырех уравнений в векторной записи (для функций D, E, H, B), принятую и в наши дни, которая дополняется тремя материальными уравнениями, характеризующими электрические и магнитные свойства той среды, в которой имеют место быть электромагнитные явления. Некоторое время эта система уравнений называлась уравнениями Хевисайда - Герца. Эйнштейн в своей статье “К электродинамике движущихся тел” назвал их уравнениями Максвелла - Герца. Как видно, изменился математический формализм, но сущность теории осталась прежней - это математическая, т.е. расчетная, модель индукционных и силовых взаимодействий электромагнитного поля. Поэтому, принимая эту теорию в качестве “рабочей гипотезы”, следует иметь в виду, что из математической модели не выводятся фундаментальные свойства эфира, характеризующие его природу. Тот факт, что одно и тоже уравнение может описывать разные явления, не является основанием их физического отождествления, т.е. из математического отождествления явлений не следует с необходимостью их физическое отождествление. Поэтому из решений уравнений Максвелла не могут быть выведены, скажем, поле образующие свойства эфира, не может быть получен твердый ответ на вопрос, является ли эфир абсолютно неподвижным или он увлекается движущимися телами, как и уравнение волны, полученное из решений уравнений Максвелла, еще не является достаточным основанием утверждать, что переменное электромагнитное поле распространяется в эфире в виде волны. Тем более, что есть достаточно оснований утверждать [22], что свет является не электромагнитной волной, а потоком фотонов, которые обладают атрибутивными свойствами, в том числе и такими, которые напоминают волновые. Следовательно, уравнение электромагнитной волны следует считать не более чем математическим заблуждением, а теорию Максвелла нуждающейся в развитии. Но вводить в теорию, под видом ее развития, такие, угодные математике, нелепости, как скалярно-векторный потенциал заряда, или оправдывать для силы Лоренца нарушение третьего закона Ньютона - это не развитие электромагнитной теории, а ее деградация. Всякая математическая модель полезна в целях получения практически полезных результатов, но подменять физическую природу она не может, а потому о фундаментальных свойствах эфира мы можем судить только на основании экспериментальных фактов, а не выводить их из математических спекуляций.

6. В рамках теории Максвелла, не вызывает сомнения тот факт, что заряды, токи, постоянные магниты взаимодействуют с эфиром, в результате чего эфир переходит в состояние того или иного поля, так что, в целях удобства, заряды, токи и постоянные магниты можно именовать носителями электромагнитного поля, но источником поля является эфир.

Не вызывает сомнения и тот факт, что когда носитель поля, скажем, постоянный магнит мы переносим из комнаты в комнату, то вместе с ним перемещается и его магнитное поле. С учетом физической природы поля, это значит, что вопрос о движении магнитного поля прямо связан с фундаментальной проблемой оптики движущихся тел, а это, в свою очередь, значит, что электромагнитные взаимодействия являются экспериментальной базой решения этой проблемы. В этой связи, представляет интерес, так называемая, “машина Фарадея”, или иначе, - униполярный генератор тока.

В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции - возникновение электрического тока в проводнике при изменении магнитного поля, которое достигалось движением постоянного магнита относительно проводника. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита приведет к такому же следствию. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое простое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии, по образующей диска) снимается ЭДС индукции, которая фиксируется гальванометром. В другом варианте униполярного генератора вместо подковообразного магнита Фарадей использовал цилиндрический магнит, магнитное поле которого направлено параллельно оси вращения диска. Один из экспериментов с этим генератором сильно озадачил Фарадея: оказалось, что ЭДС индукции возникает в диске и в том случае, когда магнит вращается вместе с диском. Казалось бы, здесь не было относительного движения проводника и магнита, но, в нарушение открытого им закона электромагнитной индукции, прибор фиксировал наличие ЭДС в диске. Это явление логического объяснения не находило, так появился парадокс Фарадея. Парадокс Фарадея устранялся, т.е. явление получало логическое оправдание в предположении, что при вращении магнита его поле не вращается. В силу своей невероятности, выдвинуть такую гипотезу мог либо сумасшедший, либо гений, но как свидетельствует Г.Г. Ивченков [11], ссылаясь на статью Ричарда Уолтерса, опубликованной в 2005 году в американском журнале “Люди и Энергия” (People / Energy) [12], именно к такому выводу пришел Фарадей.

"Закрепляя медный диск на торце цилиндрического магнита, - пишет Ричард Уолтерс, - и вращая диск вместе с магнитом, Фарадей получил электрический потенциал. Анализируя (держа в уме) этот феномен много лет, он заключил, что, хотя магнит и вращается, но магнитное поле остается неподвижным. Таким образом, он сделал вывод, что металл магнита движется через собственное магнитное поле и их относительное движение преобразуется в электрический потенциал.

Эксперименты Фарадея привели его к революционному заключению, что магнитное поле - это свойство пространства (принадлежность самого пространства), а не чего-то, присоединенного к магниту, что попросту служит (посредничает) для создания поля".

Забегая вперед, следует сказать, что Фарадей оказался светлым гением, ибо в физической науке утверждалось положение, значение которого можно только не до оценить, но переоценить невозможно. И оно не осталось не замеченным, во-первых, потому, что это положение выдвинул Фарадей, чей научный авторитет в среде здравомыслящих людей был безупречен, а во-вторых, потому, что его легко можно было проверить, вращая магнит при неподвижном диске: если положение Фарадея верно, то ЭДС индукции в диске не возникнет. Эксперименты, проводимые многими физиками после смерти Фарадея, показывают, что ЭДС в униполярном генераторе наводится:

а) при вращении диска относительно неподвижного магнита;

б) при вращении диска вместе с магнитом;

в) что особенно важно, ЭДС не наводится при вращении магнита

относительно неподвижного диска.

Таким образом, для получения ЭДС необходимо вращение проводящего диска, стоит ли при этом магнит или вращается вместе с диском - значения не имеет. Очевидный механизм наведения ЭДС - “магнитная” сила Лоренца, поскольку закон магнитной индукции Фарадея не работает по определению, так как Именно лоренцев механизм наведения ЭДС позволяет заключить, что условия б) и в) выполняются потому, что при вращении магнита его магнитное поле остается неподвижным. А поскольку магнитное поле - это состояние эфира, то неподвижен и эфир. Г.Г. Ивченков, экспериментально подтвердив условия наведения ЭДС и проанализировав работу униполярного генератора и униполярного мотора совместно, в силу их обратимости, т.е. проанализировав все возможные компенсационные спекуляции, пришел к выводу, что “магнитное поле является статическим образованием и не движется с его носителем”, подтверждая, тем самым, революционный вывод Фарадея. Как видно, эксперименты с униполярным генератором объективно свидетельствуют о том, что, во-первых, эфир, как вид материи, существует, а во-вторых, что он абсолютно неподвижен.

Разделяя концепцию неподвижного эфира, Максвелл предложил идею “решающего опыта”, который, на его взгляд, способен неопровержимо подтвердить неподвижность эфира, обнаружив зависимость скорости света от движения измерительного прибора. В качестве движущейся системы отсчета Максвелл предложил использовать Землю, которая перемещается по орбите со скоростью v ? 30 км/с. В статье об эфире для девятого издания Британской Энциклопедии Максвелл писал: “Если бы можно было измерить скорость света по времени, которое ему требуется, чтобы пройти расстояние между двумя точками на поверхности Земли, а потом полученные данные сравнить со скоростью света в обратном направлении, то мы смогли бы определить скорость движения эфира относительно этих двух точек” [13]. Однако в письме, опубликованном в английском научном журнале “Нэйчур” не задолго до смерти, Максвелл выразил сомнение, что человеку когда-либо удастся найти ответ на этот вопрос, поскольку, по его мнению, основная трудность в постановке этого эксперимента состоит в том, что он должен быть опытом «второго порядка», т.е. в нем требуется зафиксировать величину, пропорциональную квадрату отношения скорости Земли к скорости света (порядка ).

7. Альберт Майкельсон, молодой офицер ВМС США, во время прохождения в 1880 - 1882 гг. стажировки в научных центрах Германии и Франции, придумал свой эксперимент для определения скорости движения эфира относительно Земли. По крайней мере, так утверждает Майкельсон, хотя верится в это с очень большим трудом. В 1881 году он предпринял первую попытку обнаружить “эфирный ветер” с помощью интерферометра, изготовленного по его чертежам на инструментальном заводе в Берлине. В интерферометре Майкельсона пучок света расщеплялся полупрозрачным зеркалом на два, а затем эти два пучка снова соединялись. Майкельсон полагал, что поскольку два пучка света проходят туда - обратно одинаковые расстояния, но различными путями (один - по направлению движения поверхности Земли, другой - перпендикулярно ему), то они должны иметь и различные скорости относительно Земли. Следовательно, волны этих двух пучков при соединении будут иметь различные фазы, что должно дать соответствующую интерференционную картину.

Интерферометр имел очень высокую чувствительность к разного рода помехам (колебаниям температуры, вибрациям и т.п.), поэтому эксперимент проводили в подвале Потсдамской обсерватории, поместив его в нишу в кирпичном фундаменте. “Но и в этом надежном месте, - пишет Бернард Джефф, американский биограф Майкельсона, - прибор изводил Майкельсона, реагируя на малейшую вибрацию, вызванную даже шагами человека, идущего по каменной мостовой за квартал до обсерватории” [13].

Явление аберрации, результаты опытов Фарадея и Физо позволяли не сомневаться в положительном результате поиска “эфирного ветра”. Однако после математической обработки протоколов измерений оказалось, что интерферометр не обнаружил задержки в распространении света ни в каком направлении. Происходило лишь ничтожное смещение интерференционных полос, что свидетельствовало о том, что оба луча распространялись с одинаковой скоростью. Так называемый “эфирный ветер” не оказывал совершенно никакого влияния на скорость света независимо от направления луча - по “ветру” или поперек него. Напрашивался вывод, что Земля неподвижна относительно эфира, т.е. эфир движется вместе с Землей. Именно такой вывод и сделал Майкельсон, обнародовав его в августовском номере “Американский естественнонаучный журнал” за 1881 год. Статья была озаглавлена “Относительное движение Земли и светоносного эфира”. Его заключение было кратко и не оставляло места для сомнений: “Гипотеза неподвижного эфира ошибочна” [13].

Этот вывод был не просто неожиданным, он оказался совершенно несовместимым с явлением аберрации и результатами опытов Фарадея, ибо они свидетельствовали о существовании абсолютно неподвижного эфира. Можно было предположить, что эфир в непосредственной близости от Земли увлекается ею и является неподвижным относительно земной поверхности, согласно гипотезе Стокса. Но такое предположение опровергалось результатами опытов Физо: увлечение эфира атмосферной оболочкой Земли, с учетом численного значения коэффициента преломления воздуха, практически отсутствует.

Усовершенствовав интерферометр, Майкельсон повторил этот опыт в 1887 году совместно с профессором химии Эдвардом Морли в Кливленде (США, штат Огайо), полагая, что это будет решительная попытка “изловить” неуловимый эфир. Когда результаты измерений были сведены воедино и проанализированы, оказалось, что смещения интерференционных полос того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было, т.е. результат и этого эксперимента показал, что “время необходимое свету, чтобы пройти прямой и обратный путь вдоль покоящегося относительно Земли твердого стержня, не зависит от пространственной ориентации последнего” [15]. А это значит, что относительно любой инерциальной системы отсчета свет распространяется с постоянной скоростью, не зависящей от скорости движения этой системы, т.е. результаты опытов Майкельсона позволили говорить о новом законе природы - об инвариантности скорости света при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

Прошло уже слишком сто лет, но опыты Майкельсона все еще современны. По словам Роберта Оппенгеймера, видного американского физика, отца атомной бомбы, эксперимент Майкельсона “был одним из великих и решающих экспериментов в истории науки” [14], а по словам английского ученого Дж. Бернала, “величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки” [13]. И это не удивительно, ведь, именно, по результатам эксперимента, а точнее, по их отсутствию и была создана специальная теория относительности. Сам Эйнштейн говорил, что существование или опровержение теории относительности связано с результатами эксперимента. Так на обеде, данном 15 января 1931 г. в честь Эйнштейна в Калифорнийском технологическом институте, на котором присутствовал Майкельсон, Эйнштейн произнес следующий тост: “Я пришел к тем, кто в течение многих лет были моими верными друзьями и сопутствовали мне в моей работе. Вы, уважаемый д-р Майкельсон, начали эту работу, когда я был совсем маленьким мальчиком меньше трех футов ростом. Именно Вы указали физикам новые пути и своей замечательной экспериментальной работой проложили путь развитию теории относительности. Вы нанесли непоправимый урон существовавшей тогда теории эфира и способствовали появлению идей Лоренца и Фицджеральда, из которых впоследствии развилась специальная (а затем и общая) теория относительности (и теория гравитации)” [16].

8. В 1900 году А.А. Белопольский доказал, что эффект Доплера имеет место и в оптике, из чего необходимо следует, что результаты опыта Араго не достоверны. Известно, что движение приемника света (линзы, в опыте Араго) относительно источника света необходимо сопровождается эффектом Доплера, т.е. изменением частоты света, принимаемого приемником. Коэффициент преломления линзы, в свою очередь, зависит от частоты света. Зависимость показателя преломления от частоты света называется дисперсией, и именно из-за дисперсии свет раскладывается призмой в спектр. Следовательно, коэффициент преломления линзы зависит от состояния ее движения относительно источника света, так что опыты Араго оказались недостаточно точными. Во времена Араго эффект Доплера еще не был известен, потому он и счел результаты своих опытов вполне достоверными.

Теория Френеля встретила в свое время многочисленные возражения. Нам же достаточно ограничиться тем обстоятельством, что она основана на ошибочных результатах опытов Араго, а потому не может быть признана правильной. Естественно, поэтому, полагать, что правильная теория не должна объяснять частичное увлечение эфира, так как такого явления в действительности не существует. Поэтому и любая теория, объясняющая частичное увлечение эфира является ошибочной по той же причине - она объясняет не существующее в природе явление. Поскольку теория Стокса так же основана на ошибочных результатах опытов Араго, поэтому и она не может быть признана правильной. Так что и любая теория объясняющая полное увлечение эфира тоже является ошибочной, ибо она объясняет не существующее в природе явление.

К абсолютно неподвижному эфиру приходит и Эйхенвальд в 1904 году, анализируя результаты своих опытов по изучению магнитного действия тел, движущихся в электростатическом поле. “Так как электромагнитные явления, - пишет Эйхенвальд, - представляет собой единственную, известную в настоящее время связь материи с мировым эфиром, то естественным является вопрос, не сопровождается ли движение материи в электромагнитном поле движением самого эфира. Вопрос этот, как увидим ниже, решается в отрицательном смысле на основании наших опытов с диэлектриками, движущимися в электростатическом поле. С другой стороны, в области чисто оптических явлений такой же ответ на поставленный вопрос дается известным опытом Физо над скоростью распространения света в движущихся жидкостях. Все вместе взятое позволяет нам сделать следующее заключение:

То, что мы называем в настоящее время мировым эфиром и что проникает собой все материальные тела, мы должны считать неподвижным даже внутри самой материи, находящейся в движении” [18].

И далее: “Итак, наши опыты могут быть объяснены только такой теорией, которая принимает эфир неподвижным или которая приводит к понятию о неподвижном эфире; при этом мы должны принять эфир неподвижным не только вблизи движущихся тел, но и внутри самих движущихся диэлектриков”. При этом следует заметить, что, говоря о том, что “мы должны принять эфир неподвижным …внутри самих движущихся диэлектриков”, Эйхенвальд имел ввиду, что заряд, находящийся внутри диэлектрика и неподвижный относительно него, движется по отношению к производимому самим этим зарядом полю.

Как видно, опыты Эйхенвальда объективно свидетельствуют, что как магнитное, так и электростатическое поле есть состояние эфира; и поскольку эфир неподвижен, то движение заряда - это не движение с ним им произведенного электростатического поля, а движение относительно произведенного им электростатического поля.

Поскольку эфир неподвижен, а думать иначе у нас теперь нет оснований, то из опыта Эйри необходимо следует, что в весомой материи, вообще, а в оптически прозрачных телах, в частности, эфира нет. Вещество любого оптически прозрачного тела является самостоятельной светонесущей средой с соответствующей электрической и магнитной проницаемостью и, следовательно, с соответствующей скоростью света в этой среде.

Из опыта Физо следует, что скорость света зависит от движения светоносной среды: зависимость не полная, а частичная. Механизм этой зависимости неясен. Над результатами своих опытов Физо размышлял многие годы. Интуиция подсказывала ему, что, несмотря на совпадение в некотором приближении результатов опыта с расчетами по формуле Френеля, предположения, на которых основывался ее вывод, вызывают очень большие сомнения, поэтому впоследствии могут быть пересмотрены. Сам Физо склонялся к мысли, что эфир неподвижен, а результаты опытов имеют обусловленность в эффекте Доплера, полагая, что эффект Доплера имеет место и в оптике.