Физика веры - Татьяна Тихоплав

Однако в первом издании генерального труда о всемирном тяготении (хотя и не только о нем), в “Математических началах натуральной философии”, вышедшем в свет в 1687 году, всякое предположение об эфире отсутствует. Но во втором издании этого труда в 1713 году Ньютон уделяет серьезное внимание “некоторому тончайшему эфиру, проникающему во все сплошные тела и в них содержащемуся, коего силою 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 колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам” (69, с. 32).

В течение своей долгой и плодотворной жизни великий ученый менял свои позиции многократно. Время от времени Ньютон просто замечал, что об эфире ничего достоверно неизвестно, неизвестно даже, есть он или нет, и потому не желает он, Ньютон, даже мнения своего высказывать по этой проблеме! А потом все-таки снова и снова высказывает мнение, и оно то за существование эфира, то против него.

Кандидат физико-математических наук С. Смирнов, специально изучавший проблему сложных отношений Ньютона с эфиром, пришел к разрешению этой загадки благодаря существованию воспоминаний друзей Ньютона. и выяснилась удивительная вещь: Ньютон не только верил в Бога — вездесущего и всемогущего, но и не мог представить его себе иначе, чем в виде особой субстанции, пронизывающей все пространство и регулирующей все силы взаимодействия между телами, а тем самым — все движения тел, все, что происходит в мире. То есть Бог — это и есть эфир! С точки зрения церкви — это ересь, И вот Ньютон (добрый христианин и добрый физик) не смеет писать об этом своем убеждении, а только иногда проговаривается в дружеских беседах (69, с- 34).

Интуиция никогда не подводила Ньютона. Не подвела она и с эфиром.

Особая материальная субстанция, пронизывающая все пространство и регулирующая ВСЕ силы взаимодействия, правда, существенно отличающаяся от того эфира, который представляли во времена Ньютона, была обнаружена учеными XX века, исследована и названа физическим вакуумом.

Авторитет Ньютона прибавил авторитета и эфиру. Современники и потомки обратили гораздо больше внимания на те высказывания великого физика, которые утверждали существование эфира, чем на другие, ставившие это существование под сомнение.

Под понятие ”эфир” стали подводить все, что, как мы теперь знаем, вызывается гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные силы мира до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира брались объяснять любые явления и любой процесс.

Особенно возрос интерес к эфиру после открытия электромагнитного поля. Вот где особая упругая среда казалась незаменимой для последовательного преобразования электрических и магнитных полей одно в другое, Искусный теоретик электромагнитных волн Д. Максвелл в своих построениях словно воочию видел возникающие при этом натяжения эфира. Что-то вроде поля упругих сил, действующих в деформированном растянутом или сжатом куске резины.

Эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, по которой идут световые волны; эфир нес ответственность за все проявления электромагнитных сил; да вообще ответы на почти все загадки природы: физические, химические, биологические — требовалось найти именно в эфире. Для одновременного выполнения всех этих функции ему надлежало обладать весьма разными и часто слишком противоречивыми свойствами.

Например, бурное развитие волновой теории света заставило наделить эфир просто фантастическими свойствами. Когда англичанин Томас Юнг и француз Оггостен Френель пришли к выводу, что свет представляет собой не продольные, а поперечные колебания, им было трудно осмыслить результат как реальный. Чтобы обеспечить движение поперечных световых волн со скоростью, определенной достаточно точно еще в XVII веке, эфир должен был обладать фантастической упругостью, Большей, чем самая упругая сталь. Упругость же — свойство, прежде всего, твердого тела, да и то не всякого, В то же время эфир должен быть для света прозрачнее, чем любой газ, и не должен мешать движению звезд и планет.

Каждое новое достижение волновой теории света заставляло наделять эфир все новыми и новыми свойствами. Это — с одной стороны, а с другой — не было и экспериментов, которые позволили бы отрицать эфир. Постепенно, однако, объяснения световых явлений на основе эфирной гипотезы стали выглядеть все более искусственными. Стало складываться убеждение о несовершенстве основ классической физики. С целью выхода из кризиса был взят курс на разработку специальной физики — физики больших скоростей, близких к скорости света (релятивистская физика).

В первую очередь следовало проверить действенность основных положений классической физики при световых и околосветовых скоростях.

Классическая физика базируется на трех законах Ньютона, причем все законы вытекают как частный случай из законов общей теории. Классическая физика, таким образом, представляет собой пример великолепно разработанной теории, детали и общие принципы которой не претерпевают никаких изменений или исправлений уже несколько столетий.

В основе классической физики лежит абсолютность пространства и времени, согласно которой ход времени (длительность его единицы, например, секунды) и размер тела (величина единицы длины, например, метра) неизменны в любых системах отсчета и не зависят от того, покоится система отсчета или движется каким-либо образом.

Важнейшей основой классической физики является также принцип относительности Галилея, утверждающий, что опыты, проводящиеся в неподвижной системе, и такие же опыты, проводящиеся в системе, движущейся равномерно и прямолинейно, дадут одинаковые результаты, то есть все законы механики сохраняются для любых инерциальных систем отсчета. Инерциальные системы отсчета — системы, свободные от внешних воздействий и которые, следовательно, движутся равномерно прямолинейно или находятся в состоянии покоя (18,с.220).

И, наконец, к основным положениям классической физики относится правило сложения скоростей: если источник движения, сообщающий телу скорость или среда. в которой тело движется со скоростью U, имеют в том же направлении скорость V относительно неподвижного наблюдателя, то скорость тела W относительно этого наблюдателя определяется правилом сложения скоростей, согласно которому W = V + U (20, с. 24).

2.1.2. Опыт Физо

Прежде всего, возник вопрос о справедливости правила сложения скоростей при световых явлениях. Для его решения необходимо было провести эксперимент по сложению скорости движения среды (например, воды) со скоростью распространения света в этой среде. Но как провести такой эксперимент? Трудности его проведения заключались в том, что скорость света в воде U = с/n = 225 000 км/с, где с — скорость света в вакууме, с = 300 000 км/с; n — показатель преломления воды, n = 1,33. Скорость воды можно было бы сделать примерно 10 м/с, что в десятки миллионов раз меньше скорости света. Поэтому такой эксперимент долго не удавалось осуществить.

Но оказалось, что указанное небольшое изменение скорости света можно измерить, если использовать явление интерференции. Интерференция — это сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы: волн на поверхности жидкости; упругих (например, звуковых); электромагнитных (например, радиоволн или световых). Причем интерферируют только когерентные волны, то есть волны, имеющие постоянную разность фаз во времени (70, с. 290), Такими когерентными волнами-лучами являются, например, лучи, исходящие из одной точки источника света. Если два луча от одной точки источника света пустить по разным направлениям, а затем привести в одну точку, то в этой точке будет происходить интерференция света; если разность хода лучей, измеренная в количестве совершенных полуволн, составит четное число, то происходит сложение энергий этих лучей, и точка будет наиболее светлой; если же разность хода составит нечетное число полуволн, то энергии лучей вычитаются, и точка будет наиболее темной.

Таким образом, в зависимости от разности хода лучей освещенность в точке их встречи будет меняться. Зная длину волны света (от 0,4 микрона до 0,7), можно рассчитать, какую величину изменения скорости света можно измерить. Расчеты показали, что можно сделать установку, позволяющую определить изменение скорости света на одну стомиллионную долю, что даже лучше, чем требуется.