Почему физики ранее и сейчас допускают существование наряду с материей вселенной существование неизвестной субстанции под названием эфир? Причина этого находится в явлениях, породивших теорию сил, действующих на расстоянии и в свойствах света, которые привели к появлению волновой теории. Рассмотрим кратко эти явления.

Человек, не вникающий глубоко в суть явлений и мира вокруг ничего не знает о силах, действующих на расстоянии. Когда мы пытаемся установить причинно-следственные связи между экспериментами, проводимыми над телами, то на первый взгляд кажется, что не существует никакого другого взаимодействия, кроме непосредственного контакта. К примеру передача энергии ударом, давлением, нагревом поверхности тела и т.д. Однако существуют и другие силы, которые влияют на материю, без непосредственного контакта, то есть без среды передачи. В повседневной жизни мы постоянно имеем дело с гравитацией, именно она – та сила, которая действует на расстоянии.

Но так как в повседневном опыте гравитация представляется нам чем-то постоянным, не связанным с причиной, изменяющейся в пространстве и времени, то мы никоим образом не представляем в повседневной жизни причину гравитации, и поэтому ее способность действовать на расстоянии является не представлено нашему сознанию. Только благодаря теории гравитации Ньютона была установлена ​​причина гравитации, которая рассматривалась как сила, действующая на расстоянии и возникающая из масс. Теория Ньютона знаменует собой наиболее значительный шаг, который когда-либо был сделан человеческим разумом в его стремлении установить причинно-следственную связь между явлениями природы.

И все же эта теория вызывала сильное беспокойство у современников Ньютона, поскольку она, казалось, противоречила принципу, вытекающему из других экспериментов, что взаимное действие может происходить только путем контакта и ни в коем случае не путем действия на расстоянии, без среды передачи, выступающей посредником.

Желание познания, присущее человеку, поддерживает такой дуализм лишь отчасти. Как мы могли бы сохранить единую концепцию сил природы? Или мы могли бы попытаться представить себе, что силы, которые кажутся нам действующими при контакте, действуют также и на расстоянии, конечно, на очень небольшом расстоянии - и именно этим путем предпочтительно следовали непосредственные преемники Ньютона, находившиеся под впечатлением его учения. Можно было бы допустить, что силы, действующие на расстоянии от Ньютона, таковы только по видимости, а в действительности они переносятся средой, пронизывающей все пространство, то есть либо движениями, либо упругой деформацией этой среды. Вот как попытка установить единство в наших представлениях о природе сил приводит к гипотезе эфира. Это не принесло, прежде всего, никакого прогресса теории гравитации и физике вообще, так что мы привыкли рассматривать закон сил Ньютона как неприводимую аксиому. Но гипотеза эфира все же играла роль в мышлении физиков, хотя эта роль была по большей части чисто латентной.

Когда в первой половине XIX века было замечено очень близкое сходство, существующее между свойствами света и свойствами упругих волн в весомых телах, гипотеза эфира получила новую поддержку.

Казалось несомненным, что свет следует рассматривать как колебательный процесс упругой и инертной среды, заполняющий все пространство Вселенной. Из поляризации света все же казалось необходимым вывести, что эта среда, эфир, должна обладать характеристиками твердого тела, поскольку только в таком теле, а не в жидкости, возможны поперечные волны. Таким образом, мы должны были прийти к теории квазижесткого эфира, части которого не могут совершать по отношению друг к другу никаких других движений, кроме малых деформационных движений, соответствующих световым волнам.

Эта теория, называемая также теорией неподвижного светящегося эфира, нашла прочную поддержку и в фундаментальном опыте Физо (Арман Ипполит Луи Физо́ — французский физик), имевшем также большое значение для специальной теории относительности и из которого мы были вынуждены заключить, что светящийся эфир принимает не участвует в движении тел. Явление аберрации было также благоприятно для теории квазижесткого эфира.

Эволюция теории электричества по пути, проложенному Максвеллом и Лоренцем, внесла своеобразный и неожиданный поворот в эволюцию наших представлений об эфире. Для самого Максвелла эфир все же был вещью, наделенной чисто механическими свойствами, хотя эти свойства были гораздо более сложного рода, чем свойства осязаемых твердых тел. Но ни Максвеллу, ни его последователям не удалось создать механическую модель эфира, способную дать удовлетворительную механическую интерпретацию законов электромагнитного поля Максвелла.

Законы были ясными и простыми, а механические интерпретации — громоздкими и противоречивыми. Теоретики физики почти незаметно приспособились к такому весьма огорчительному для их механической точки зрения положению вещей, особенно под влиянием электродинамических исследований Генриха Герца. Если раньше они требовали окончательной теории, удовлетворяющей всему, с помощью фундаментальных понятий, принадлежащих исключительно механике, таких как плотность массы, скорости, деформации и силы давления, то постепенно они привыкли признавать наряду с фундаментальными механическими понятиями электрические и магнитные силовые поля как фундаментальные. понятия, не требуя механической интерпретации. И вот так постепенно отказались от чисто механического понимания природы. Но это изменение привело к дуализму принципов, который в конечном итоге стал нетерпимым. Чтобы уйти от этого, мы попытались, наоборот, свести механические принципы к электрическим принципам, особенно с учетом того, что эксперименты, проведенные с лучами – и с высокоскоростными катодными лучами – сильно подорвали уверенность в строгой справедливости механических уравнений Ньютона.

У Г. Герца этот дуализм показан без всякого ослабления. Материя представляется ему не только субстратом скоростей, кинетической энергии и сил механического давления, но и субстратом электромагнитных полей. Но поскольку такие поля возникают и в вакууме, то есть в свободном эфире, эфир также выступает в качестве основы электромагнитных полей. Она во всех отношениях подобна весомой материи и занимает с ней тот же ранг. В материи оно принимает участие в его движениях и имеет скорость повсюду в пустом пространстве, так что скорость эфира непрерывно распределяется по пространству. В принципе, эфир Герца ничем не отличается от весомой материи, частично состоящей из эфира.

Теория Герца не только имела тот недостаток, что приписывала материи и эфиру, с одной стороны, механические свойства, а с другой стороны, электрические свойства, не имеющие между собой никакой логической связи, но она также находилась в противоречии с теорией Герца. результат важного эксперимента Физо по скорости распространения света в движущихся жидкостях и другие убедительные результаты, полученные экспериментальным путем.

Ситуация оставалась неизменной, когда вмешался Х. А. Лоренц. Путем чудесного упрощения теоретических основ ему удалось установить согласие между теорией и опытом. Он достиг этого прогресса в теории электричества — самого значительного со времен Максвелла — за счет лишения эфира его механических свойств, а материи — его электромагнитных свойств. Не только в пустом пространстве, но и внутри материальных тел местонахождением электромагнитных полей является только эфир, а не атомная материя. Элементарные частицы материи, по мнению Лоренца, единственные, способные совершать движения; их электромагнитное действие заключается исключительно в том, что они несут электрические заряды. Таким образом, Лоренцу удалось свести все электромагнитные действия к уравнениям полей в вакууме, установленным Максвеллом.

Относительно механической природы эфира Лоренца можно приятно сказать, что неподвижность — единственное механическое свойство, которое еще оставил в нем Лоренц. Можно добавить, что все изменение, произведенное специальной теорией относительности в представлении об эфире, состояло в том, что она лишила эфир его последнего механического свойства, то есть неподвижности. Мы сразу покажем, как это следует понимать.

Теория электромагнитного поля Максвелла-Лоренца послужила моделью теории пространства-времени и кинематики специальной теории относительности. Таким образом, эта теория удовлетворяет условиям специальной теории относительности, но получает, если рассматривать ее с точки зрения последней, новый аспект. Пусть К — система координат, относительно которой эфир Лоренца покоится. Уравнения Максвелла — Лоренца, прежде всего, остаются справедливыми относительно К. Но, согласно специальной теории относительности, те же уравнения остаются справедливыми в том же направлении по отношению к любой новой системе координат К', которая находится в равномерном поступательном движении. по отношению к К. Теперь возникает тревожный вопрос: почему я должен в теории отдавать явное предпочтение системе К, которой системы К' физически полностью эквивалентны, предполагая, что эфир покоится относительно нее? Такая асимметрия в теоретической структуре, которой не соответствует никакая асимметрия в системе экспериментов, невыносима для теоретика. Мне кажется, что физическая эквивалентность между К и К', если она и не противоречит логически с предположением, что эфир неподвижен относительно К и движется относительно К', тем не менее несовместима с ней.

Точка зрения, которую можно было, на первый взгляд, принять при таком положении вещей, казалось бы, следующая: эфира вообще не существует. Электромагнитные поля не представляют собой состояния среды, а представляют собой независимые реальности, которые нельзя свести ни к чему другому и которые не связаны ни с каким субстратом, точно так же, как атомы весомой материи. Эта концепция тем более необходима, что, согласно теории Лоренца, электромагнитное излучение несет в себе силу импульса и энергии, как весомая материя, и потому, что, согласно специальной теории относительности, материя и излучение являются как раз особенными. формы разреженной энергии. Таким образом, весомая масса теряет свое привилегированное положение и появляется только как особая форма энергии.

Однако более внимательное размышление учит нас, что это отрицание эфира не обязательно требуется принципом специальной теории относительности. Мы можем допустить существование эфира, но тогда мы должны отказаться от приписывания ему определенного состояния движения, то есть мы должны посредством абстракции лишить его последнего механического характера, который еще оставил ему Лоренц. Позже мы увидим, что этот способ видения, логическая возможность которого вскоре станет более очевидной благодаря несколько неуклюжему сравнению, оправдывается результатами общей теории относительности.

Представим себе волны на поверхности воды. Это явление может дать начало двум совершенно различным описаниям. Сначала мы можем проследить, как со временем меняется волнистая поверхность, образующая границу между водой и воздухом, а также, используя, например, небольшие плавающие тела, проследить, как со временем меняется положение каждой частицы воды. Но если бы не было таких малых плавающих тел, позволяющих нам следить за движением частиц жидкости, и если бы мы вообще наблюдали во всем этом явлении только изменение положения пространства, занимаемого водой, - причем это изменение происходит в течение время — тогда у нас не было бы оснований признавать, что вода состоит из подвижных частиц. Но мы все равно можем рассматривать его как середину.

Нечто подобное происходит и в электромагнитном поле. Потому что мы можем представить поле состоящим из силовых линий. Если мы хотим рассматривать эти силовые линии как нечто материальное в обычном смысле, мы склонны рассматривать динамические явления как явления движения этих силовых линий так, чтобы каждую силовую линию можно было проследить во времени. Но хорошо известно, что такой взгляд приводит к противоречиям.

Обобщая, можно сказать: мы можем представить себе протяженные физические объекты, к которым понятие движения не находит применения. Их не следует рассматривать как состоящие из частиц, каждую из которых можно отслеживать во времени.

На языке Минковского (Ге́рман Минко́вский — немецкий математик, разработавший геометрическую теорию чисел и геометрическую четырёхмерную модель теории относительности.) это выражается так: нельзя рассматривать каждый протяженный объект в четырехмерной вселенной как составленный из космических нитей. Принцип специальной теории относительности запрещает нам рассматривать эфир как состоящий из частиц, за которыми можно следить во времени; но гипотеза эфира как таковая не противоречит специальной теории относительности. Мы должны только быть осторожными и не приписывать эфиру состояние движения.

Конечно, с точки зрения специальной теории относительности гипотеза эфира поначалу представляется пустой гипотезой. В уравнениях электромагнитных полей, кроме плотностей зарядов, фигурируют только напряженности полей. Действие электромагнитных явлений в вакууме кажется полностью определяемым этим внутренним законом, не подвергаясь влиянию других физических величин. Электромагнитные поля предстают как окончательные и непреодолимые реальности, и на первый взгляд кажется излишним постулировать однородный и изотропный эфир, состояния которого эти поля должны рассматриваться как представляющие.

Но мы можем, с другой стороны, привести важный аргумент в пользу гипотезы эфира. Отрицание эфира в конечном итоге означает предположение, что пустое пространство не имеет физических свойств. Однако основные факты механики не согласуются с этой концепцией. Механическое состояние системы тел, свободно плавающих в пустом пространстве, зависит не только от ее взаимного положения (расстояния) и относительных скоростей, но и от состояния ее вращения, которое с физической точки зрения не может быть понято как характер принадлежащие системе самой по себе. Чтобы представить вращение системы как нечто реальное, хотя бы с формальной точки зрения, Ньютон объективировал пространство. Помещая свое абсолютное пространство среди реальных объектов, вращение относительно абсолютного пространства также становится реальностью. Ньютон мог бы также назвать свое абсолютное пространство эфиром; главное — это предположить реальным наряду с объектами, доступными наблюдению, объект недоступный, чтобы иметь возможность рассматривать ускорение или вращение как нечто реальное.

Правда, Мах (Эрнст Мах — австрийский физик, механик и философ-позитивист.), чтобы избежать необходимости допускать реальность, недоступную наблюдению, старался ввести в механику вместо ускорения по отношению к абсолютному пространству среднее ускорение по сравнению со всей суммой масс Вселенной. Но сила инерции относительно относительного ускорения далеких масс предполагает действие на расстоянии без промежуточной среды. А поскольку современные физики не верят, что имеют право на такое действие, эта концепция также приводит к эфиру, предназначенному для передачи эффектов инерции. Но это представление об эфире, к которому приводит мировоззрение Маха, существенно отличается от эфира, каким его представляли Ньютон, Френель и Г. А. Лоренц. Этот эфир Маха не только определяет состояние инертных масс, но и сам определяется ими.

Полный расцвет мысль Маха получает в эфире общей теории относительности. Согласно этой теории, метрические свойства пространственно-временного континуума различны в окрестностях каждой точки пространства-времени и обусловлены материей, находящейся за пределами рассматриваемой области. Это пространственно-временное изменение во взаимоотношениях между правилами и часами, или вера в то, что пустое пространствофизически не является ни однородным, ни изотропным – что заставляет нас представлять его состояние десятью функциями, гравитационными потенциалами g µv – эти факты, говорю я, окончательно исключили представление о том, что пространство физически пусто. Тем самым понятие эфира вновь приобрело точное содержание, содержание, которое, конечно, заметно отличается от содержания эфира механической волновой теории света. Эфир теории общей относительности — это среда, лишенная всех механических и кинематических свойств, но определяющая механические (и электромагнитные) явления.

Что особенно ново в эфире общей теории относительности, если сравнивать его с эфиром Лоренца, состоит в том, что состояние первого определяется в каждом месте связями с материей, подчиняющимися определенным законам, и состоянием эфира соседних мест в виде дифференциальных уравнений, тогда как состояние лоренцевого эфира в отсутствие электромагнитных полей n' не определяется ничем вне себя и везде одинаково.

Эфир общей теории относительности можно свести мыслью к эфиру Лоренца, если заменить пространственные функции, служащие для его описания, константами и абстрагироваться от причин, определяющих его состояние. Поэтому мы можем также сказать, что эфир теории общей относительности был выведен из эфира Лоренца посредством релятивистского процесса.

Мы еще не уверены в роли, которую новый эфир призван сыграть в устройстве физического мира будущего. Мы знаем, что оно определяет метрические отношения в пространственно-временном континууме, например, возможности конфигурации твердых тел, а также гравитационных полей; но мы не знаем, играет ли оно существенную роль в образовании элементарных частиц электричества, составляющих материю. Мы также не знаем, отличается ли его структура существенно от структуры эфира Лоренца только в окрестности весомых масс и является ли геометрия космических размерных пространств приблизительно евклидовой. Но мы можем утверждать, основываясь на релятивистских уравнениях гравитации, что отклонение от евклидовой формы должно проявляться в пространствах космических измерений всякий раз, когда средняя положительная плотность материи, сколь бы мала она ни была, существует в мире. В этом случае пространственная Вселенная обязательно должна иметь пределы и иметь конечный размер, размер которого определяется значением этой средней плотности.

Если мы рассмотрим гравитационное поле и электромагнитное поле с точки зрения гипотезы эфира, между ними в принципе существует заметная разница. Ни одно пространство, а также никакая часть пространства не лишены гравитационного потенциала, поскольку именно они придают ему метрические свойства, без которых оно никоим образом не может быть мыслимо. Существование гравитационного поля тесно связано с существованием космоса. С другой стороны, мы вполне можем представить себе часть космоса без электромагнитного поля. Электромагнитное поле, в отличие от гравитационного поля, кажется, поэтому связано с эфиром лишь побочным образом, так сказать, поскольку формальная природа электромагнитного поля еще никоим образом не определяется природой гравитационного эфира. Согласно современному состоянию теории, можно было бы сказать, что электромагнитное поле основано по отношению к гравитационному полю на совершенно новой формальной схеме и что природа, вместо того, чтобы наделить гравитационный эфир полями типа электромагнетизма, могла бы с тем же успехом наделили его полями совершенно другого типа, например скалярными потенциальными полями.

А поскольку, по нашим нынешним представлениям, элементарные частицы материи суть не что иное, как сгущения электромагнитного поля, то наше нынешнее представление о мире признает две реальности, которые, будучи связаны причинной связью, логически совершенно отделены друг от друга: это гравитационный эфир и электромагнитное поле, или, как мы могли бы их еще назвать, пространство и материя.

Естественно, было бы значительным прогрессом, если бы нам удалось объединить гравитационное поле и электромагнитное поле в одном представлении. Только тогда эра теоретической физики, начатая Фарадеем и Максвеллом, достигнет удовлетворительных результатов. Тогда противостояние эфира и материи исчезло бы, и вся физика представляла бы посредством общей теории относительности ту же связную систему идей, что и геометрия, кинематика и теория гравитации. Чрезвычайно остроумную попытку в этом направлении сделал математик Г. Вейль; Однако я не верю, что его теория может соответствовать действительности. Более того, размышляя о ближайшем будущем теоретической физики, мы не должны без лишних слов отбрасывать возможность того, что факты, накопленные квантовой теорией, могут установить непреодолимые ограничения для теории поля.

Подводя итог, можно сказать: согласно общей теории относительности, пространство наделено физическими свойствами; в этом смысле, следовательно, эфир существует. Согласно общей теории относительности, пространство без эфира немыслимо. потому что там не только было бы невозможно распространение света, но даже не было бы возможности существования правил и часов, а следовательно, и пространственно-временных расстояний в смысле физики. Однако этот эфир не следует понимать как наделенный свойством, характеризующим весомые среды, то есть как состоящий из частей, которые можно проследить во времени: к нему нельзя применять понятие движения.

На основе стенограммы конференции в Лейденском университете 5.05.1920г. «Эфир и теория относительности»