ПРОБЛЕМА ЭФИРА: ВОЗМОЖНОЕ И НЕВОЗМОЖНОЕ
В ИСТОРИИ И ФИЛОСОФИИ ФИЗИКИ

Симанов А.Л.

I.

Фундаментальные исследования в физике всегда были связаны с проблемами пространства и времени. Даже в классический период развития физики, когда, казалось бы, господствовало ньютоновское видение пространства как трехмерного бесструктурного вместилища вещей и процессов, исследователи, решая проблему распространения сигналов, пытались “оструктурить” пространство. Да и “очевидная” трехмерность пространства требовала более глубокого обоснования своей природы, чем просто ссылки на теоретическое описание реальности, вполне удовлетворительное в своем трехмерном варианте. Введение представлений об эфире – один из вариантов такого “оструктуривания”, которое вполне согласовывалось с трехмерностью, однако вызвало значительные трудности в интерпретации ряда физических проблем, так что в итоге пришлось пересмотреть основания самой физики. Такой пересмотр привел к созданию специальной теории относительности (СТО).

Создание СТО “сняло” проблему эфира, попросту отказав ему в праве на существование. И до сих пор любые попытки ввести в научный обиход представления об эфире в какой бы то ни было форме считаются, по меньшей мере, антинаучными, подобно попыткам разработать вечный двигатель. Но, тем не менее, эти попытки повторяются вновь и вновь. Чем же так привлекательна идея эфира в любых ее ипостасях? Здесь, на мой взгляд, можно указать на несколько моментов, определяющих у современных исследователей интерес к нему. Прежде всего – его очевидная субстанциональность и определенная наглядность. Кроме того, эфир можно попытаться представить как некую первосубстанцию, первоматерию. Но основное, конечно, то, что создание непротиворечивой модели эфира, по мнению сторонников этого направления, позволит не только переформулировать теорию относительности, а, возможно, и отказаться от нее, создав теорию более фундаментальную и более “физическую”. Очевидно, что все эти положения требуют дополнительных разъяснений.

Известно, что волновой процесс представляет собой распространение колебаний в какой–либо среде. Гук, современник Ньютона, сторонника и одного из авторов корпускулярной теории, предположил, что и свет распространяется в некой среде. Эту идею поддержал Гюйгенс, который и дал этой среде название “эфир”.  Свой труд – “Трактат о свете”– он начинает с критики теорий Декарта, Гримальди и Ньютона. Отмечая, что “доказательства, приводимые в этом трактате, отнюдь не обладают той же достоверностью, как геометрические доказательства (выделено мною – А.С.), и даже весьма сильно от них отличаются, так как в то время, как геометры доказывают свои предложения с помощью достоверных и неоспоримых принципов, в данном случае принципы подтверждаются при помощи получаемых из них выводов. Природа изучаемого вопроса не позволяет, чтобы это происходило иначе” [1]. Гюйгенс утверждает, что в принципе для высокой степени правдоподобия  достаточно того, что “вещи, доказанные с помощью... предполагаемых принципов, совершенно согласуются с явлениями, обнаруживаемыми на опыте, особенно когда таких опытов много и, что еще важнее, главным образом, когда открываются и предвидятся новые явления, вытекающие из применяемых гипотез, и оказывается, что успех опыта в этом отношении соответствует нашему ожиданию” [2]. Этот познавательный принцип, к обсуждению которого я еще вернусь, и послужил методологической основой, определившей обоснование существования эфира и определение его свойств. Если свет состоит из корпускул, то как он может распространяться прямолинейно, не испытывая отклонений, особенно в телах? И как это может быть, чтобы два пересекающихся пучка лучей, то есть два потока частиц, не возмущали друг друга путем взаимных соударений? Поскольку свет возникает, например, от огня и пламени – от тел, находящихся в очень быстром движении, этот же свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предметы, то есть разъединять их на части, постольку “нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого–то вещества” [3]. Но что это за вещество?

Ответ на этот вопрос Гюйгенс искал, сопоставляя движения звука и света, определяя, в каких отношениях они похожи друг на друга и в чем они расходятся. Показав таким образом, что веществом, движением которого мог бы быть свет, не может быть воздух, так как свет распространяется и в безвоздушном пространстве, Гюйгенс утверждает, что это должно быть некой эфирной материей – “утонченной материи частиц”. Такие частицы, по его мнению, должны “сколь угодно приближаться к совершенной твердости и сколь угодно быстро восстанавливать свою форму” [4]. Интерес представляет его замечание, что частицы эфира, несмотря на свою малость, могут состоять из еще более мелких частиц и благодаря своей упругости обеспечивать распространению света одну и ту же скорость. Эта материя заполняет всю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так что она не проявляет свойств тяжести, но очень жесткая и упругая. Подобную идею выдвигал и Декарт, но Гюйгенс пошел значительно дальше. Он утверждал, что такие свойства вполне обеспечивают механизм распространения света – от частицы к частице через посредство вторичных сферических волн. Это волнообразное движение, вызываемое столь малыми частицами и движениями, способно распространяться на большие расстояния, потому что “бесконечное число волн, исходящих, правда, из различных частичек светящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой” [5]. Интересен тот факт, что именно это и представляет собой известный принцип построения огибающей волны, вошедший во все учебники физики как принцип Гюйгенса. Он истинен, несмотря на то, что основания для его формулировки считаются ложными. Именно с помощью этого принципа Гюйгенс блестяще объяснил частичное отражение, преломление и полное внутреннее отражение, корпускулярный подход к которым вынуждал создавать крайне сложные теории с массой дополнительных гипотез. Объяснение и экспериментальное подтверждение двойного лучепреломления в кварце явилось триумфом теории Гюйгенса. Однако считая колебания эфира продольными, хотя Гук уже выдвигал предположение о поперечности световых волн, Гюйгенс не смог объяснить ряд оптических явлений и отметил, что “по–видимому, нужно принять еще другие предположения сверх сделанных мною, хотя последние и сохраняют все свое правдоподобие, будучи подтвержденными столькими доказательствами” [6].

Дальнейшее развитие представления о физическом эфире получили, в частности и, прежде всего, в исследованиях Френеля, экспериментально обосновавшего волновой характер света и слившего воедино три принципа волновой теории: принцип элементарных волн, принцип огибающей и принцип интерференции. В отличие от геометризированной оптики Гюйгенса Френель придал распространению света физический смысл, используя для описания этого процесса понятие импульса элементарной световой волны [7]. Тем самым было окончательно согласовано прямолинейное распространение света с его волновым механизмом. При изучении поляризации Френель пришел к выводу, что световая волна совершает поперечные колебания [8], и этим самым поставил перед эфирной гипотезой света неразрешимую проблему: из поперечности колебаний следует, что эфир, будучи тончайшим и невесомым, должен в то же время быть и наитвердейшим, ибо только твердые тела передают поперечные колебания. Пытаясь разрешить эту проблему, Френель построил свою модель эфира, согласно которой эфир, заполняя всю Вселенную, пронизывает и все тела, которые вызывают изменение механических свойств и характеристик эфира. Из–за этих изменений при переходе упругой волны возбуждения в эфире из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, на поверхности раздела часть волны проникает в вещество, а часть – поворачивает обратно. (Этим обосновывалось и явление частичного отражения, долгое время бывшее непонятным физикам). Скорость распространения волновых колебаний в среде зависит от длины волны, а при заданной длине волны она тем меньше, чем более преломляющей является среда. В результате было закончено построение волновой оптики, объяснившей все известные тогда световые явления на основе гипотезы о светоносном эфире. И, хотя и главное противоречие в свойствах эфира не было устранено, представления об эфире утвердились в физике до конца XIX в.

В первом случае существовали два варианта решения. Первый, который в данном случае менее интересен, но к его анализу мне придется возвратиться при обсуждении противостояния идеи эфира и СТО, “геометризации” и “физикализации” пространства, сводился к отождествлению пространства и пустоты, в которой двигаются атомы (корпускулярно–пустотный вариант). Казалось, что успех ньютоновской механики, основанной в том числе и на идее абсолютного пространства, обосновал истинность такого решения. Отождествление пространства с пустотой казалось очевидным и из самых общих соображений. Действительно, пространство существует везде, в то время как вещественные предметы находятся лишь в отдельных областях пространства, которые отделяют эти предметы друг от друга и позволяют их идентифицировать и дифференцировать. Пространство от материи, таким образом, не зависит, как не зависит отсутствие материи (пустота) от ее наличия. Пространство не зависит и от времени, потому как благодаря отсутствию материальной сущности не имеет качеств, способных изменяться. Само движение возможно только потому, что существует пустое пространство. Ньютон полагал, что он доказал существование такого пространства возникновением центробежных сил при вращательном движении, которое является абсолютным. А абсолютное движение возможно в абсолютном пространстве. Таким образом, пространство предстает перед нами как необходимое условие существования материи, не зависит от последней, является пустым и абсолютным [9]. Это пространство, как и движение в нем, можно с легкостью “геометризировать”, что и было проделано Ньютоном и его последователями. Потому, видимо, “Математические начала натуральной философии” так напоминают геометрический трактат [10]. Казалось бы, в таком пространстве и в такой физике эфиру места нет.

Телесность, с точки зрения Декарта, неограниченна в своей протяженности, потому пространство бесконечно. “... Этот мир, или протяженная материя, составляющая универсум, не имеет никаких границ, – утверждал философ, – ибо, даже помыслив, что они где–либо существуют, мы не только можем вообразить за ними беспредельно протяженное пространство, но и постигаем, что они действительно таковы, какими мы их воображаем. Таким образом, они содержат неопределенно протяженное тело, ибо идея того протяжения, которое мы постигаем в любом пространстве, и есть подлинная и надлежащая идея тела” [14]. Кроме того, поскольку не могло быть всеобщей бестелесной пустоты для создания мира, постольку мир, а, следовательно, и пространство вечны. Но какова структура пространства? Видимо, она определяется взаимным расположением примыкающих друг к другу материальных тел, не имеющих пор, то есть тел, мыслимых мельчайшими. Однако это только первый, совершенно очевидный для Декарта вывод. Он идет дальше и глубже: структура пространства определяется еще и движением материальных тел. Действительно, утверждает он, “во всем универсуме существует одна и та же материя и мы познаем ее единственно лишь в силу ее протяженности” [15]. Все свойства, которые воспринимаются в материи, сводятся к ее делимости и подвижности в своих частях. Стало быть, “материя способна принимать различные состояния, которые, как мы видели, могут вытекать из движения ее частей” [16]. Тем самым движение есть не что иное, как действие, посредством которого данное тело переходит с одного места на другое, а в более общем смысле – “есть перемещение одной части материи, или одного тела, из соседства тех тел, которые с ним соприкасались и которые мы рассматриваем как находящиеся в покое, в соседство других тел” [17]. Если пустоты нет и все частицы примыкают друг к другу, то движение одной из них вызывает движение всех других. В итоге “нигде нет ничего неизменного”, всюду царит вечное изменение. Это приводит к изменению плотности и появлению пластичности материи, то есть возникают локальные возмущения ее, а, следовательно, и протяженности – пространства. Пространство, таким образом, анизотропно и неоднородно.

В физике Декарта взаимодействие тел сводится к соударениям, в результате чего траектории движения искривляются. Каждое соударение не превращает прямолинейное движение в криволинейное, оно лишь меняет одно прямолинейное направление на другое, также прямолинейное. Но большое число соударений всегда дает замкнутую траекторию, образуя тем самым вихрь, так как тело может двигаться в заполненном пространстве только в том случае, когда одно тело уступает место, дорогу другому, то – третьему и т.д., пока последнее из захваченных вихрем тел не займет внешнее место первого тела. Возникающие завихрения перемещающихся масс определяют криволинейный характер геометрии движения материальных тел, в частности планет [18]. Эту концепцию вихрей Декарт связывает с представлениями об абсолютной упругости тел и абсолютно упругом ударе. Иначе и быть не могло – все дело в представлении о форме и размерах тела, его сущности как о свойствах, сохраняющихся при движении и гарантирующих тождественность тела самому себе. Фактически, мы имеем здесь физикализацию геометрии (или геометризацию физики?).

Все тела по Декарту состоят из мельчайших частиц (“... деление необходимо следует из природы материи”), но это не атомы в традиционном их понимании. Существует три рода таких частиц, определяющих структуру мира. Отличие этих частиц определяется характером их движения [19]. Частицы первого рода – осколки, отделившиеся от остальной материи и движущиеся с такой скоростью, которой достаточно для их деления на бесконечное число более мелких частиц, приспособленных к точному заполнению мельчайших уголков и промежутков. Вторые – форма всей остальной материи, которая делится на округлые частицы, но и эти частицы могут делимы на еще более мелкие. Третий род частиц – это грубые частицы, имеющие форму, малопригодную для свободного движения, каким обладают частицы двух первых родов. Именно из частиц второго рода, по Декарту, и состоит эфир, в котором распространяется свет. Среда, состоящая из таких частиц, подобна жесткому стержню, который смещается под действием движения частиц светящегося тела и воздействует на глаз. Таким образом, мы видим здесь эфирный, но ярко выраженный корпускулярный характер света. В связи с этим отмечу, и далее воспользуюсь этим, что и в эфирной волновой  теории света последний является волной, связанной с колебательным движением  частиц эфира. Следовательно, и волновая теория света носит корпускулярный характер?

Исходный пункт критики Лейбницем картезианства – невозможность индивидуализации тела, лишенного других свойств, кроме протяженности. Действительно, если вещь обладает только протяженностью, то в мире не может быть движения [20]. “... Всякое действие тела есть движение” – утверждал философ [21]. Не может быть в этом случае ни разнообразия, ни сцепления частей тела, ни их непроницаемости. В конце концов, сама протяженность тела не имеет смысла, если тело не обладает динамическими свойствами. Тело проявляет свою протяженность благодаря непроницаемости, в то время как по Декарту непроницаемость связана с частями самого пространства (что представляет собой физикализацию пространства). Иными словами, по Лейбницу непроницаемость является выражением динамических непространственных свойств тела. Протяженность же – результат действия непротяженной динамической субстанции, вернее, множества таких субстанций, которые Лейбниц назвал монадами. Эти монады, по его словам, создают само пространство [22]. Поскольку монады, в отличие от атомов, непротяженны, постольку пространство можно представить как порядок явлений, наблюдаемых в один и тот же момент времени. Тем самым пространство, фактически, объявляется феноменологической категорией. И поскольку монады относились к метафизическому миру духовных сущностей, постольку они не оказали какого–либо влияния на развитие физики, хотя некоторые сторонники концепции монад приписывали им характеристики непротяженных силовых центров. Однако эта концепция вела к представлению о протяженности атомов и к иерархии дискретных частей материи, что казалось крайне привлекательным, а также к концепции пространства, свободного от материальных тел и в то же время имеющего определенную структуру, обусловленную монадами. Ясно, что здесь много противоречий, но само по себе это было достаточно привлекательным с точки зрения попыток объяснить структуру и природу пространства не некоей пустотой, что вызывало еще большие трудности, но чем–то более конкретным. Тем более что лейбницевский вариант вводил в научный оборот представления о специфической форме актуальной бесконечности – такой бесконечности, которая может быть сосчитана, но практически такой пересчет невозможен и ненужен. Появляется принципиально пересчитываемое конечное множество, но рассматриваемое в качестве бесконечно большого, так как пересчитываемые элементы не сравнимы с ним, поскольку их поведение определяется другими законами, чем поведение множества. Таким образом, осуществляется логический переход к атомистике как иерархии протяженных тел. Но это было реализовано гораздо позже. Пока же монады использовались в физике как некое основание для существования разного рода первичных субстанций, типа электрической жидкости Франклина, в том числе и эфира.

Итак, какие же уроки можно извлечь из этого этапа развития физики и ее философии? Сначала выскажу очевидное и общепризнанное: шла борьба между сторонниками дискретного и континуального представлений, между атомистами и субстанционалистами. И тот, и другой подходы стремились объяснить одни и те же явления с разных позиций, но в обоих случаях возникали трудности, для разрешения которых необходимо было привлечение взглядов своих противников. И в представлениях об эфире и распространении света это нашло свое, пожалуй, наиболее яркое воплощение. Действительно, только корпускулярные представления о свете, распространяющемся либо в виде особого рода частиц – световых корпускул, в пустоте, либо в некой среде – эфире (в этом случае свет представлял собой смещение, изменение положения, места частиц эфира), не объясняли такие явления, как, например, интерференция или двойное лучепреломление.

Эта вторая тенденция выражена в том, что постоянно выявляются новые связи между объектами, явлениями и процессами, которые должны были, кажется, всегда оставаться отдельными, независимыми друг от друга. Это приводит к тому, что одна теория, одно описание охватывают разнородные, а порой и разнокачественные, объекты, явления, процессы. Как следствие, происходит объединение теорий и упрощение описания: одна формула охватывает описание широкого класса объектов, явлений и процессов. Иными словами, физика стремится к единству. А идея единства мира делает возможным и стимулирует поиск объяснения природы этих объектов, явлений и процессов. Очень долго считалось, что идея эфира позволит этой тенденции реализоваться в полной мере, поэтому во все времена она играла столь значительную роль в физических теориях.

Фундаментальный вклад в изучение электромагнетизма внес Фарадей, который был буквально вынужден результатами своих эмпирических исследований обратиться к проблеме строения материи. Начал он с традиционной критики атомизма. Если атомы и пространство, рассуждал Фарадей, представляют собой два различных структурных компонента мира, то следует признать непрерывность только пространства, так как атомы представляют собой различные и отделенные друг от друга объекты. Пространство, таким образом, должно пронизывать все тела, отделяя атомы друг от друга. Возьмем какой–нибудь изолятор, например, сургуч. Если бы пространство было проводником, то изолятор должен был бы проводить ток, потому что пространство служило бы как бы металлической сеткой. Следовательно, пространство является изолятором. Но возьмем какой–нибудь проводник. И здесь все атомы окружены пространством, но если пространство – изолятор, то ток не может проходить от атома к атому. Получается, что пространство должно быть проводником. Мы имеем, таким образом, теорию, противоречащую самой себе, и такой теории не место в системе физического знания [24].

Но не видим–ли мы здесь объяснение одного неизвестного через другое неизвестное? Да, нам непонятная сущность эфира, обладающего противоречивыми свойствами, но не понятна и сущность силы, а сами силовые линии – материальны–ли они? Существуют–ли некие реальные объекты, которые мы можем определить как силовые линии, как центры сил? Отсутствие ответов на эти вопросы вернуло исследователей на какзалось–бы проторенные, а потому понятные хотя бы на интуитивном уровне тропы классического механицизма или эфира, в зависимости от их пристрастий и склонностей, что мы видим на первых этапах развития электродинамики.

Первые этапы развития электродинамики в ее объяснительном варианте, казалось бы, подтверждали существование эфира. Свет, электричество и магнетизм, ранее представлявшиеся совершенно независимыми друг от друга, объединились в одно – электромагнетизм. Максвелл пытался объединить их механическим образом, создав механическую модель электромагнитных явлений. “В различных местах этого трактата, – пишет Максвелл, приступая к изложению электромагнитной теории света, – делалась попытка объяснения электромагнитных явлений при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство между этими телами. Волновая теория света также допускает существование какой–то среды. Мы должны теперь показать, что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды... Мы можем получить численное значение некоторых свойств среды, таких, как скорость, с которой возмущение распространяется через нее, которая может быть вычислена из электромагнитных опытов, а также наблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, что скорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как и скорость света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах, мы получили бы серъезное основание для того, чтобы считать свет электромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической и электрической очевидности даст такое же доказательство реальности среды, какое мы получаем в случае других форм материи на основании совокупности свидетельств наших органов чувств” [27].

Лоренц пытался разрешить эти проблемы, не используя механического истолкования – он считал, что в последнем случае (и это действительно так) есть противоречие с третьим законом Ньютона – законом действия и противодействия. Им была выдвинута идея ввести в уравнения Максвелла дискретную структуру электричества. Лоренци принял существование эфира как единого, геометрически неизменного диэлектрика, лишенного внутренних движений, не подверженного внешним механическим воздействиям. Вещество же, по его мнению, состоит исключительно из элементарных частиц электричества. По этой гипотезе каждый движущийся электрон создает вокруг себя электромагнитное поле, а при изменении своего движения он излучает электромагнитные волны. “Таким образом, уравнения Максвелла являются усредненными статистическими уравненями электромагнетизма, вытекающими из “лоренцевской тонкой структуры” [29]. Исходя из таких предпосылок, Лоренц получил пять основных уравнений, из которых, по его мнению, вытекали все законы электромагнетизма. Хотя эта теория и была воспринята с известной долей скептицизма, тем не менее А.Пуанкаре отмечал, что “эта теория..., бесспорно, лучше всех истолковывает известные нам факты, освещает больше реальных отношений, чем любая другая, и свойственные ей черты войдут в наибольшем числе в будущее окончательное построение” [30]. Теория была очень привлекательной, потому что она очень просто истолковывала ряд явлений, которые не могли объяснить в достаточной мере удовлетворительно прежние теории, в том числе и теория Максвелла в ее первоначальной форме. К числу таких явлений относились аберрация света, частичное увлечение световых волн, магнитная поляризация, явление Зеемана.

Оставалась, таким образом, нерешенной проблема согласования электродинамики, классической механики и результатов опытов Физо и Майкельсона–Морли. И хотя при всем том, что электродинамика, как и классическая механика, удовлетворительно описывала реальность в контексте исследуемого ею предмета, стремление к единству физики требовало в обязательном порядке согласования двух этих отраслей физического знания. Такое согласование стало возможным при отказе от идеи эфира, но при полной потере ясности в понимании природы и структуры материи, пространства и времени. Оно было осуществлено с созданием специальной теории относительности, решившей эту проблему, но обострившую проблему структуры материи.

(Продолжение следует)

Литература

1. Гюйгенс Х. Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла // Голин Г.М., Филонович С.З. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.): Справ. пособие. М.: Высшая школа, 1989. С. 131.

2. Там же, с. 131 – 132.

3. Там же, с. 132.

4. Там же, с. 133.

5. Там же, с. 135.

6. Там же.

10. См.: Ньютон И. Математические начала натуральной философии // Крылов А.Н. Собр. трудов. Т.VII. М.–Л., 1936.

11. Декарт Р. Сочинения в 2 т. Т. 1. М.: Мысль, 1989. С. 350.

14. Там же, с. 359.

15. Там же.

16. Там же, с. 360.

17. Там же.

18. Там же, с. 360 – 366.

19. См.: Там же, с. 396 – 398.

20. См.: Лейбниц Г.–В. Сочинения в 4–х томах. Т. 1. М.: Мысль, 1982. С. 80 –102.

21. Там же, с. 84.

23. Пуанкаре А. О науке. М.: Наука. С. 107.

25. Цит.по: Льоцци М. История физики, с. 276.

26. Там же.

27. Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.: Гостехиздат, 1954. С. 550 – 551.

29. Там же, с.321.

30. Пуанкаре А. О науке, с. 110.