Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо

Как уже было известно к тому времени, звуковые волны — это механические волны, для передачи которых требуется упругая материальная среда. Когда мы разговариваем, эта среда - воздух; когда мы подносим ухо к железнодорожному рельсу, чтобы узнать, едет ли по путям поезд, эта среда - металл, из которого сделан рельс. Свет как электромагнитное излучение не нуждается в материальной среде для распространения. Однако эта мысль была невозможной в XVII-XIX веках, поскольку большая часть теорий пользовалась для объяснения различных физических явлений механическими моделями. В этом контексте родился так называемый световой эфир, то есть материальная среда, позволяющая передачу света. В 1818 году эта концепция была предложена Френелем, который, кроме того, определил свойство света как поперечной волны. Известно, что в 1678 году голландский математик, физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629-1695) говорил об эфире как о среде, необходимой для передачи света, а в 1709 году Исаак Ньютон рассуждал об эфирной среде, колебания которой способствуют отражению, преломлению и дифракции света. Однако именно Френель начал эксперименты, имевшие целью наблюдать эффекты, которые могут быть объяснены существованием светового эфира.

Речь шла о довольно волшебной среде со сложным поведением. С одной стороны, она должна иметь необходимые жесткость и упругость, чтобы позволить распространяться электромагнитным колебаниям. С другой стороны, эта среда должна быть достаточно пластичной, чтобы объекты такой величины, как планеты, свободно проходили через нее. Во время своих лекций Томсон проводил аналогии с глицерином, воском, желе и другими веществами, хотя признавал, что так и не нашел материала с подходящими свойствами. Ему были известны ограничения такого подхода к проблеме. За некоторое время до этого ученый указывал:

«Думаю, мы все должны чувствовать, что тройной союз между эфиром, электричеством и весомой материей - это результат в большей степени отсутствия у нас знаний, [ ...] чем действительность».

ЭКСПЕРИМЕНТЫ МАЙКЕЛЬСОНА И МОРЛИ

В случае существования эфира Земля в своем движении должна ощущать эфирный ветер, проявляющийся в изменении скорости света в зависимости оттого, испускался он в направлении движения Земли или нет. В 1881 году польско-американский физик Альберт Абрахам Майкельсон приспособил интерферометр для оптического эксперимента, в котором проявилось бы это изменение.

Как видно на рисунке, источник света испускает луч, который после столкновения с полупрозрачным зеркалом разделяется на два: передаваемый дальше и отраженный. Последний падает на подвижное зеркало и после отражения в нем возвращается к полупрозрачному зеркалу и вновь делится на передаваемый, который продолжает свое движение до точки наблюдения, и отраженный, который возвращается к источнику. Переданный луч отражается в другом зеркале, затем в полупрозрачном и доходит до точки наблюдения. Благодаря компенсационной пластине из того же материала, что и полупрозрачное зеркало, а также использованию подвижного зеркала, обеспечивается равенство расстояний, пройденных обоими пучками света. Когда два луча соединяются в точке наблюдения, они вызывают интерференцию, то есть мы наблюдаем ряд светлых и темных полосок, характеристики которых связаны с расстоянием, пройденным обоими лучами, и скоростью света. Майкельсон направил один луч в направлении движения Земли, а другой - перпендикулярно ему. Присутствие эфира вызвало бы изменение скорости обоих лучей с последующим изменением в полосах интерференции, но результаты опыта не показали ничего подобного: «Следствие гипотезы о стационарном эфире, таким образом, оказалось неверным, и мы должны сделать вывод о том, что гипотеза ошибочна».

В поисках большей точности

В 1887 году Майкельсон в сотрудничестве с американским ученым Эдвардом Уильямсом Морли поставил ряд экспериментов с модифицированным интерферометром, в котором расстояние, пройденное обоими лучами, с помощью нескольких зеркал увеличилось примерно до 11 м. Это повысило точность эксперимента, но результаты снова были отрицательными. С тех пор было поставлено множество подобных экспериментов, некоторые из них — с помощью высокоточных приборов. В 2009 году Свен Герман и его коллеги установили, что возможная разница в скорости света в зависимости от направления распространения, вызванного движением Земли, меньше, чем 1 часть от 10¹⁷·

Томсон попытался решить проблему, изменив теорию эфира: он перешел от статической структуры, которая рассматривалась до сих пор, к динамической, предусматривавшей распространение электромагнитного поля с правильными свойствами. Однако это изменение не принесло плодов, поскольку в новой теории был нужен всего 21 независимый коэффициент, и для проведения экспериментальных наблюдений их поведение должно было быть согласованным. В Балтиморских лекциях Томсон настаивал на том, что следует с осторожностью подходить к гипотезам, в которых световой эфир рассматривается как идеальный способ найти ответ на накопившиеся вопросы. При этом ученый считал, что действительно существует «реальная материя между нами и самыми дальними звездами и свет состоит в реальных движениях этой материи».

Вы можете представить себе частицы одной вещи — вещи, движение которой представляет собой свет. Эту вещь мы называем световым эфиром. Это единственное вещество, которому мы доверяем, и если мы в чем-то можем быть уверены, так это в его реальности и вещественности.

Лекция Томсона в Филадельфии

Однако конец дискуссии приближался. Польско-американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) и американский химик и физик Эдвард Уильямс Морли (1838-1923) уже начали ставить эксперименты, означавшие начало конца эфира, который наступил, когда Альберт Эйнштейн опубликовал в 1905 году свою специальную теорию относительности.

И все же, несмотря ни на что, Томсон упорно продолжал поиск решения, которое включало бы эфир. Незадолго до смерти он написал:

«Мне кажется вполне вероятным, что на самом деле у эфира нет никакой структуры. [ ... ] Нет никакой сложности в этом понятии о твердом упругом теле, полностью однородном, которое занимает все пространство. [ ...] О световом эфире часто говорят как о флюиде. Но уже более 30 лет, как я оставил, основываясь на доводах, которые до сих пор кажутся мне убедительными, идею о том, что эфир - это жидкость, снабженная чем-то похожим на упругость, характерную для движения. [ ...] В этом месте мы сталкиваемся с вопросом: является ли эфир несжимаемым? Должно быть, что-то нас вынуждает ответить: да, он несжимаемый, он подвержен законам всемирного тяготения. Но когда сегодня мы пытаемся понять движение, производимое эфиром в весомых и электрических атомах, которые движутся внутри него, мы можем только убедиться в том, что эфир сжимаемый. И если поверить в этот последний факт, то мы должны принять, что на эфир не воздействует гравитация».