Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Эфир существует, эфира не существует. Люди были на Луне, людей не было на Луне. У слона есть хобот, у слона два хобота. Всё это излюбленные темы для дискуссий. Но если опустить бурю эмоций и попытки спорить ради спора, а заодно невероятное желание бросаться … в ближнего своего, то в остатке будет чистая наука.
И я уверен, что многим моим читателям эта пустая грязь в обсуждениях мало интересна, а вот разобраться с вопросом с позиции физики будет очень даже импонировать. Давайте попробуем с научной точки зрения рассмотреть проблему эфира и узнать, что с ней стало в текущем понимании. Откажемся на время от бессмысленного спора.
Ну и что уж тут говорить. Эфира не существует. Так говорит наука. И наука права. А теперь, после того, как в вас побурлило, я скажу, что вопрос куда более интересен, чем кажется на первый взгляд.
Представьте, что вы всю жизнь верили в невидимую субстанцию, которая заполняет весь космос и служит основой для распространения света. Затем один эксперимент доказывает, что этой субстанции нет. Вы с облегчением выбрасываете концепцию в мусор истории. А спустя сто лет обнаруживаете, что у вас снова появилось примерно то же самое, только в трёх разных обличьях и с другими именами. Но всё равно оно имеет привкус эфира. И это, в общем-то, и есть то, что случилось с эфиром. Его как бы нет и он как бы и есть.
Старый эфир
Для древних греков эфир был пятым элементом. Для натурфилософов XVII–XIX веков он стал логичным инженерным решением. Если свет — это волна, значит, ему нужна среда для распространения. Волна на воде — это колебания воды. Звук — колебания воздуха. Что же колышется, когда проходит свет?
Ответ казался очевидным. Есть световой эфир — абсолютная, неподвижная, всепроникающая субстанция. Максвелл вписал его в свои уравнения. Лоренц строил на нём теорию электронов. Физики-экспериментаторы придумывали, как его взвесить. Эфир обладал рядом интересных свойств и умел переизлучать световые лучи, а не просто колебаться.
Даже сам Эйнштейн как-то сказал, что не мыслит себе Вселенную без эфира. Ибо между объектами явно должно что-то находиться.
Но однажды Альберт Майкельсон построил интерферометр с зеркалами, который был способен уловить разницу в скорости света вдоль и поперёк предполагаемого эфирного ветра. Логично было полагать, что если эфир сам может передавать движение, то если вращение совпадает с направлением волны в эфире, то скорость будет выше, а если нет — логично ниже.
В 1887 году вместе с Эдвардом Морли Майкельсон провёл эксперимент с поразительным результатом. Разницы не было. Совсем. Эфирный ветер не дул. Это переворачивало абсолютно всю идею.
Эйнштейн, несмотря на фразы в поддержу логики эфира, в итоге поставил финальную точку. Специальная теория относительности 1905 года не нуждалась в эфире как опоре для света. Скорость света в вакууме одинакова для любого наблюдателя. Эфир стал концептуально избыточным. Физика торжественно его похоронила.
Или нет? Ведь и пространство-время — это своего рода эфира. Некоторая математическая субстанция или каркас всего сущего, который есть абсолютно везде.
Эфир вернулся с Хиггсом?
В середине XX века физики-теоретики столкнулись с неудобным фактом. Элементарные частицы — W- и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия — по всем расчётам должны были быть безмассовыми. Но они оказались чудовищно тяжёлыми. Откуда у них масса?
В 1964 году несколько групп физиков независимо предложили механизм. Всё пространство Вселенной заполнено скалярным полем, которое взаимодействует с частицами и тем самым наделяет их инертной массой. Это поле известно как поле Хиггса и существует повсюду, даже в абсолютной пустоте. Вакуум буквально пропитан им насквозь.
В 2012 году на Большом адронном коллайдере обнаружили квант этого поля или бозон Хиггса. Поле реально. Оно не переносит свет и не является механической средой в старом смысле. Но оно пронизывает весь вакуум и определяет свойства материи. Ничего не напоминает?
Если бы физики XIX века услышали это описание без названия, они бы назвали всё это эфиром, но другой природы. И, по сути, правы и те, и эти.
Квантовый вакуум и шуточки
Квантовая механика сделала пустоту ещё более странной. Принцип неопределённости Гейзенберга запрещает любой системе находиться в состоянии абсолютного покоя. Даже при нулевой температуре, в отсутствие всяких частиц, поля не могут успокоиться полностью. Они флуктуируют.
Квантово-полевая теория описывает вакуум как море виртуальных частиц — пар частица-античастица, которые рождаются и аннигилируют за времена, столь малые, что их нельзя непосредственно наблюдать. Это не метафора и не математический артефакт. Это реальность, у которой есть измеримые последствия.
Вспомним, например, эффект Казимира. Два незаряженных металлических листа, сближенные на расстояние долей микрометра, притягиваются друг к другу. Причина описывается просто — это квантовые флуктуации вакуума внутри зазора оказываются подавлены по сравнению с флуктуациями снаружи, что создаёт разность давлений. Пустота толкает пластины друг к другу. Эффект измерен экспериментально. Он работает.
Ещё есть Лэмбовский сдвиг — это незначительное расщепление энергетических уровней водорода, которое классическая теория не предсказывала. Он тоже объясняется взаимодействием электрона с виртуальными фотонами вакуума. Квантовая электродинамика воспроизводит его с точностью до десятого знака после запятой.
Вакуум современной физики постоянно кипит и бурлит. Он имеет структуру, энергию и динамику. Он участвует в физических процессах.
Физика полей
Ещё нужно вспомнить про квантовые поля. Это очень объёмный пласт знаний, потому мы обозначим самое главное. Тут тоже много пересечений.
Согласно теории поля, для каждого взаимодействия и частицы существует собственный вариант особого вида материи. Электромагнитные поля и всякие разные. Они могут взаимодействовать друг с другом, а могут и нет.
Поля заполняют любую пустоту и есть абсолютно везде. Просто где-то они имеют нулевую напряженность. Но именно поля и именно их взаимодействие рождают абсолютно всё от звёзд до радиоволны.
Современная физика ушла от эфира не так далеко. Это парадоксально, но это факт. Как, например, радиоволна проходит через космос? Да практически также, как это и было во времена эфира.
Есть особый вид материи, который заполоняет всё и именуется электромагнитным полем. Именно в нём распространяется колебание, именуемое радиоволной или светом. Это не эфир в прямом смысле и физические свойства там другие, но идея промежуточной субстанции всё также есть.
Хитрая тёмная энергия
Есть ещё кое-что интересное. В 1998 году астрономы, наблюдавшие вспышки сверхновых, обнаружили нечто совершенно неожиданное. Вселенная расширяется с ускорением. Гравитация должна была бы это расширение тормозить. Но что-то, напротив, его разгоняет.
Это что-то назвали тёмной энергией. По современным оценкам, она составляет около 68% от полного энергетического бюджета Вселенной. Она равномерно распределена по всему пространству. Её плотность не меняется при расширении Вселенной и она не «разбавляется» с ростом объёма. Она действует на всё и везде.
Наиболее распространённая интерпретация отождествляет тёмную энергию с энергией вакуума — той самой нулевой энергией квантовых полей, которую описывает квантовая теория поля. Проблема в том, что теоретические предсказания и наблюдаемая величина расходятся примерно на 120 порядков и это один из крупнейших численных конфликтов в истории физики.
Но сама идея остаётся — пустое пространство имеет ненулевую плотность энергии, которая движет Вселенную. Пустоты нет. Есть субстанция без вещества. Чем не эфир? Очередная среда со странным свойствами.
Так что изменилось, а что нет?
Сама идея эфира чрезвычайно интересная и интригующая. Если вы хоть немного ориентируетесь в современной физике, то вы должны видеть множество интереснейших пересечений в понимании вопроса.
В некоторой степени весьма поверхностно было судить о несуществовании эфира по одному лишь эксперименту, который и поставлен не то, чтобы сильно точно. Впрочем, сегодня действительно правильно говорить, что эфира нет.
Эфира нет, но есть нечто, что функционирует на фундаменте такой логики и оно уже вполне научно. Это просто эволюция взглядов. В этих жарких спорах мало кто скажет, что сама-то идея эфира была правильной. И тут меня удивляет, что даже вполне серьезные ученые, далёкие от обсуждений в комментариях, так уверенно заявляют, что эфира нет. Пусть его нет, но есть, например, электромагнитное поле. Ошибиться в параметрах не тоже самое, что ошибиться в концепции.
Между тем, важно не смешивать понятия. Старый эфир был механической средой — он должен был колыхаться, как желе, когда через него проходит световая волна. Именно эту концепцию убила специальная теория относительности. Скорость света не зависит от движения источника или наблюдателя и никакой механической среды нет.
Современные наследники эфира всё же принципиально иные сущности. Поле Хиггса — это скалярное поле, у него нет выделенного направления в пространстве, оно не создаёт абсолютной системы отсчёта. Квантовый вакуум — это состояние квантовых полей, а не классическая субстанция. Тёмная энергия описывается через космологическую постоянную Эйнштейна или динамические скалярные поля (квинтэссенция). Все они согласуются с принципом относительности.
Тем не менее общая интуиция остаётся верной пустое пространство не является пустым. Оно имеет физические свойства. В нём происходят процессы. Оно влияет на то, как ведут себя частицы, поля и сама Вселенная в целом. И это самое важное.
Вместо итога
В 1900 году лорд Кельвин произнёс знаменитую фразу о «двух маленьких облачках» на горизонте физики. Первое облачко — результаты Майкельсона — Морли. Второе — ультрафиолетовая катастрофа. Из первого выросла теория относительности. Из второго — квантовая механика. Оба «облачка» перевернули физику.
Отказ от эфира тоже был шагом вперёд — он освободил физику от ложной механистической картины. Но параллельно наука нарабатывала новый язык для описания того факта, что вакуум не является абсолютной пустотой. Просто этот язык оказался куда более математически изощрённым и куда менее наглядным, чем желеобразная субстанция.
Может быть, дело именно в наглядности. Людям нужна субстанция — что-то, что можно представить. Эфир давал эту субстанцию на блюдечке. Квантовые поля и тензор энергии-импульса вакуума этого не дают. Представить правильно поле просто невозможно. Но это проблема нашего воображения, а не физической реальности.
Физик Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, предложил называть современный вакуум словом сетка. По его мнению, пространство насыщено полями настолько плотно, что можно говорить о структурированной среде — просто релятивистски-инвариантной, в отличие от старого эфира. Это не возврат назад. Это переосмысление.
Все вопросы современной физики крутятся вокруг одной темы. Что такое пустое пространство и чем оно заполнено? Это тот же вопрос, который задавали Декарт, Ньютон и Максвелл — просто теперь у нас несравнимо лучший инструментарий и несравнимо более честное понимание того, как мало мы знаем.
Физика не отказалась от идеи активного вакуума. Она её переизобрела. Не столь важно, как именно называть ЭТО. И хватит уже спорить не о чём.
Поделись видео: