Ефір або фізичний вакуум

Юрій Обухів, Ігор Захарченко

Ефір

Поняття про ефір виходить з глибокої давнини - у давньоарійських епоху воно ставилося до особливого стану матерії, що зветься «акаша» (п'ятий елемент матеріальної природи). Ось як поняття «акаша» висвітлено в трактаті С. Вівекананди «Раджа-йога»: «Це всюди знаходиться і все проникаюче щось. Все, що має форму, все, що представляє собою результат з'єднань, все розвинулося з цієї Акаша. Акаша це те, що стало повітрям, рідинами, твердими тілами. Вона сама не може бути замечаема, так як настільки тонка, що знаходиться поза всіх звичайних сприймань і може бути видима тільки тоді, коли стане грубою, прийме форму. При початку творення існує тільки ця Акаша; при кінці циклу тверді тіла, рідини і гази, все розкладуть знову в Акаша ».

Дві з половиною тисячі років тому стародавні греки підхопили і розвинули це поняття під ім'ям αιυηρ (ефір, небо). У 1618г. французький філософ, фізик і математик Рене Декарт запропонував розглянути ефір в якості матеріального переносника світла. За його уявленням, світло є стисненням, що розповсюджується в ідеально пружною середовищі (ефірі), яка заповнює весь простір. З тих пір ідея ефіру міцно увійшла в науковий обіг, особливо в працях Ньтона, Френеля, Максвелла, Лоренца. Ефірна концепція досягла кульмінації в XIX столітті, коли Максвелл, спираючись на створену ним модель ефіру, отримав фундаментальні рівняння електродинаміки.

До початку ХХ ст. склалися два погляди на ефір: або він захоплюється рухом тіл, або не захоплюється (нерухомий). З концепції неувлекаемого ефіру слід було нерівноправність інерціальних систем і існування привілейованої (пов'язаної з ефіром) системи відліку званої абсолютної. Експерименти, покликані виявити таку систему відліку і швидкість щодо неї, були виконані Майкельсона (1881г.), Морлі та його послідовниками, і тривали протягом усього століття [1]. Експерименти дали нульовий результат: рух Землі відносно ефіру не виявлено. Це інтерпретувалося, як доказ відсутності ефіру, незважаючи на спроби Лоренца пояснити нульовий результат скороченням розмірів тіл уздовж руху [2]. Очікуваний результат у цих дослідах розраховувався за законами класичної механіки, оскільки наукова громадськість не мала іншого апарата (інший механіки) для оцінки досвіду, на момент його проведення. Однак слід підкреслити некоректність застосування цих законів для випадку поширення світла в ефірі. Головна особливість класичної механіки - це вимога миттєвості поширення взаємодій, тобто закони цієї механіки справедливі тільки за умови малості швидкостей руху в порівнянні зі швидкістю світла. Отже, всі швидкості рухів, що входять до ньютонівську формулу складання швидкостей (v + c), також повинні задовольняти цій умові. При розрахунку досвіду Майкельсона-Морлі це умова виявилося виконаним тільки для швидкості Землі (v), другий доданок - швидкість світла (c) - цій умові явно не задовольняє. Таким чином, застосування механіки Галілея-Ньютона незаконно, оскільки порушує межі її застосовності. Для розрахунку досвіду потрібна інша механіка [3], відмінна від класичної і релятивістському. Основу цієї нової механіки складають існування абсолютної системи відліку, пов'язаної з ефіром, і що випливає звідси нерівноправність інерціальних систем. У результаті некоректної інтерпретації дослідів Майкельсона - Морлі, що завершилася побудовою спеціальної теорії відносності (СТО), був теоретично оформлений відмова від концепції ефіру, а замість ефіру, з розвитком квантової теорії поля, з'явився термін «фізичний вакуум».

Фізичний вакуум

Вакуум (латинською vacuum) - порожнеча, тобто простір без матерії і енергії. Фізичний вакуум - простір, що не містить реальних частинок і енергії, піддається безпосередньому виміру. Відповідно до сучасних фізичних уявлень, це найбільш низький енергетичний стан будь-яких квантованих полів, що характеризується відсутністю реальних часток. Можливість віртуальних процесів у фізичному вакуумі призводить до ряду ефектів взаємодії реальних часток з вакуумом, що реєструються експериментально. Фізичний вакуум являє собою безліч всіляких віртуальних частинок і античастинок, які у відсутності зовнішніх полів не можуть перетворитися в реальні. За сучасними уявленнями в вакуумі безперервно утворюються і зникають пари частинок-античастинок: електрон-позитрон, нуклон-антінуклон ... Вакуум наповнений такими «не цілком народженими», що з'являються і зникають частинками. Вони не піддаються реєстрації і називаються віртуальними. Однак за певних обставин віртуальні частки стають реальними. Так, наприклад, зіткнення частинок високих енергій або сильні поля народжують з вакууму снопи різних частинок і античастинок. Тобто вакуум може бути представлений, як особливий, віртуальний тип середовища. Віртуальність середовища проявляється, зокрема, в неможливості виявити факт руху щодо неї ніякими експериментальними методами, що рівносильно прояву принципу відносності. Концепція рівноправності інерційних систем, звана принципом відносності, є фундаментом теорій породили поняття про фізичному вакуумі. Тобто уявлення про фізичний вакуумі були логічно отримані із принципу відносності. Згідно з даними уявленнями, світло не потребує матеріальної середовищі-носії, а сукупність фотонів утворює вільне електромагнітне поле. Найнижче енергетичний стан цього поля називають «вакуумом електромагнітного поля» [4].

Причини, які спонукають повернутися до концепції ефіру

На основі принципу відносності була створена спеціальна теорія відносності. Ця теорія пояснила накопичилися на той час експериментальні дані і стала фундаментом сучасної фізики високих енергій. Її з успіхом застосовують при проектуванні прискорювачів елементарних частинок і в експериментах з релятивістськими частинками. Тим не менш, є серйозні підстави для того, щоб відмовитися від принципу відносності, що лежить в основі СТО:

Спеціальна теорія відносності містить внутрішнє протиріччя, відоме як парадокс двох близнюків. Робилися спроби вирішити цей парадокс залученням загальної теорії відносності (ЗТВ), але це мало успіх лише для малих швидкостей руху [5]. У загальному випадку релятивістських швидкостей парадокс залишається непереборною. Найбільш виразно порушення причинно наслідкових зв'язків між подіями виявляються в «парадоксі трьох близнят» (розглянутому в [3]), що є розвитком уявного експерименту з близнюками.

Існують сучасні експерименти, встановлюють залежність швидкості світла від напрямку поширення хвилі. Серія таких експериментів була виконана Стефаном Маринове, в дослідах було виявлено напрямок поширення світлової хвилі, в якому має місце перевищення швидкості світла з на величину 360 ± 40км / с. Результати експериментів Маринова вступають в протиріччя з постулатом СТО про інваріантність швидкості світла.

Викладені причини стали підставою для відмови від принципу відносності, що природним чином приводить до ідеї відродження концепції ефіру, для якої характерні нерівноправність інерційних систем, з одного боку, і залежність швидкості світла від напрямку поширення хвилі з іншого. Концепція ефіру змушує по іншому поглянути на взаємодію реальних часток з віртуальними (репрезентована в рамках концепції фізичного вакууму). Зазначене взаємодія є не що інше, як взаємодія реальних часток з реальним ефіром, що виключає необхідність введення штучних посередників, якими є віртуальні частинки.

Теоретичне обгрунтування концепції ефіру

Не торкаючись конкретних моделей ефіру, виділимо два його властивості, необхідні для подальшого викладу: властивість середовища-носія взаємодій і його неувлекаемость рухомими тілами (нерухомість). Таким чином, електромагнітна хвиля являє собою поширення порушення нерухомої середовища-ефіру.

Альтернативна інтерпретація дослідів Майкельсона-Морлі

Досвід Майкельсона-Морлі в момент становлення СТО був проінтерпретований відповідно до принципу відносності, а саме: швидкість світла в будь-якій системі координат має однакову величину «з» і не залежить від напрямку поширення хвилі (тобто изотропна). Однак з дослідів Майкельсона-Морлі такий результат не випливає. В експериментах Майкельсона-Морлі, встановлено факт изотропии часу двостороннього поширення світла (t + + t-= const) тут t +; t-- інтервали часу одностороннього поширення світла на відрізку оптичної лінії довжиною L в прямому (з початку відрізка до кінця - t +) і зворотному (від кінця до початку - t-) напрямках. Прибічники принципу відносності, не маючи можливості виміряти зазначені часи роздільно (через відсутність відповідної техніки і технології) і спираючись на принципово невірний розрахунок досвіду, трактували його результат, як рівність часів t + і t-, відкинувши очевидну альтернативну версію: «t + не дорівнює t- , за умови t + + t-= const ». Якщо ввести величину, яка називається швидкістю двостороннього поширення світла і визначається як: c = 2L / (t + + t-), то для цієї величини (а зовсім не для швидкості одностороннього поширення світла) з дослідів Майкельсона-Морлі дійсно випливає інваріантність і изотропность ( див. детальніше у [3]).

Таке, здавалося б, незначна відмінність в інтерпретації досвіду Майкельсона-Морлі призводить до діаметрально протилежного результату: до відмови від принципу відносності і до відродження концепції ефіру.

Теорія світлоносного ефіру (СЕТ)

Альтернативна, коректна інтерпретація дослідів Майкельсона-Морлі дозволила побудувати теорію на таких постулатах:

Про існування середовища поширення взаємодій (ефіру, не увлекаемого рухомими тілами) ісвязанной з нею абсолютної системи відліку, світло у вказаному середовищі поширюється прямолінійно і изотропно зі швидкістю с = 299792458 ± 1,2 м / с.

Про інваріантності швидкості двостороннього поширення світла в інерційних системах відліку. З постулатів випливають перетворення координат і часу для двох систем відліку (OX1Y1Z1) і (OX2Y2Z2), що рухаються щодо абсолютної системи з різними швидкостями v1 і v2 (званими надалі абсолютними) (див. [3]):

Тут u01 - відносна швидкість системи (OX2Y2Z2), виміряна в (OX1Y1Z1), а u02 - швидкість системи (OX1Y1Z1) відносно (OX2Y2Z2). Слід зазначити, що u01 не дорівнює u02, на відміну від СТО, в якій відносні швидкості систем відліку мають однакову величину. З формули t2 = γt1 випливає залежність швидкості перебігу часу (темпу ходу годинника) від абсолютної швидкості руху інерціальних систем. Системи, що мають різні абсолютні швидкості v1 і v2, не рівноправні: темп ходу годинника вище в системі відліку, що має меншу абсолютну швидкість.

Важливим наслідком наведених перетворень є абсолютний характер поняття одночасності подій. Події одночасні в одній інерційній системі відліку (dt1 = 0) будуть одночасні в будь-який іншій системі (dt2 = 0), що принципово відрізняється від СТО. Відповідно скорочення розмірів тіл, що випливає з перетворень (1), є відображенням зближення атомів і молекул, що складають тіла уздовж напрямку руху. В СТО скорочення розмірів тіл має зовсім інший характер, а саме, є наслідком неодночасність подій (події, що відбулися одночасно в одній системі відліку, в іншій інерціальній системі відліку одночасними не є).

Закон перетворення енергії (E) та імпульсу (p) при переході з однієї інерціальної системи відліку в іншу, згідно СЕТ, має вигляд:

px2 = γpx1, py2 = py1, pz2 = pz1, E2 = (E1 - u01px1) / γ.

Зв'язок енергії та імпульсу в інерціальній системі відліку, що має абсолютну швидкість v0, визначається співвідношенням:

(1 - v02/c2) E2/c2 + 2 (v0 / c) pxE / c - p2 = m2c2.

При v0 / c <<1 формула переходить у відомий вираз СТО [6]:

E2/c2 - p2 = m2c2.

Простір і час виявляються взаємопов'язаними, однак за іншими, ніж у СТО, законам. Метрику простору-часу в інерціальній системі відліку визначають коефіцієнти інваріантної квадратичної форми:

ds2 = c2dt2 - (1 - v02/c2) dx2 - 2v0dtdx - dy2 - dz2.

Важливим наслідком такої метрики є анізотропія простору інерціальних систем. З такої анізотропії випливають порушення закону збереження моменту імпульсу (відзначимо, що відхилення від закону збереження моменту для систем відліку, абсолютна швидкість яких мала v0 / c <<1, має порядок uv0/c2, де u відносна швидкість обертального руху), а також залежність швидкості світла від напряму (α ') поширення хвилі:

з '(α') = з [1 + (v0 / c) · сosα '] -1.

Дана залежність (перші згадки, про яку можна знайти в постулатах С. Маринова [7]) пояснює раніше висловлену думку про незастосовність закону складання швидкостей класичної механіки для визначення швидкості Землі (щодо ефіру) у дослідах Майкельсона-Морлі. З формули випливає, що швидкість світла в інерціальній системі відліку може перевищувати с і при α '= π і абсолютної швидкості системи відліку v0, близькою до c, швидкість c' прагне до нескінченності. Тому, на космічному кораблі, абсолютна швидкість якого близька до c (v0 → c), зможуть спостерігати історію життя зірки, аж до її загибелі, за відносно невеликий проміжок часу польоту космонавтів (передбачається, що корабель летить у напрямку зірки, і на кораблі є прилади, що дозволяють вести спостереження зірки в спектрі, що став через ефекту Доплера наджорстким гамма-випромінюванням). Проте космонавти не зможуть поділитися цією інформацією з земними спостерігачами: за час спостереження еволюції зірки Сонячна система загине. Зірка під час свого життя безперервно випромінює світло, тому навіть після її загибелі в просторі залишається інформація про зірку у вигляді світлового потоку протяжністю дорівнює часу життя зірки, помноженої на швидкість світла с. Корабель, що рухається назустріч цьому потоку, здатний зібрати всю інформацію про зірку за відносно невеликий відрізок часу, в силу закону уповільнення часу на кораблі.

Асимптотика перетворень (1):

Перетворення (1) переходять в класичні перетворення Галілея-Ньютона при малих відносних швидкостях часток (u01 / c <<1) в лабораторній системі відліку, що має малу абсолютну швидкість (v1 / c <<1).

Перетворення (1), застосовані до частинок, абсолютна швидкість яких (v2) близька до c, переходять в перетворення Лоренца СТО [6], якщо мала абсолютна швидкість лабораторної (земної) системи відліку (v1 / c <<1).

Перетворення (1) втрачають сенс при v ≥ c, що має просте фізичне пояснення: матерія, що складається з частинок, зв'язаних силами електромагнітної взаємодії, не може існувати при швидкостях, що перевищують швидкість поширення взаємодії (частки матерії розпадуться, якщо v ≥ c, оскільки при цьому умови хвиля взаємодії між елементами, що складають частки, не встигає за рухом цих елементів).

Таким чином, СЕТ представляє собою більш загальну, ніж СТО, механіку і дозволяє встановити межі застосування останньої.

Експериментальне обгрунтування концепції ефіру

Явище анізотропії швидкості поширення світла в рухомих системах відліку дає змогу експериментально встановити факт руху інерціальної системи відліку відносно абсолютною. Однак існують проблеми і закономірності (доказ яких дано в [3]), що обмежують вибір вимірювальних методик:

Неможливість визначення абсолютної швидкості об'єкта интерференционнымиметодами (на оптичних лініях, нерухомих в лабораторній системі координат).

Проблема синхронізації годин, рознесених у просторі, без попереднього знання величини і напрямки абсолютної швидкості системи відліку.

Досліди С. Маринова

Серія експериментів з визначення абсолютної швидкості Землі, що відповідають вищевказаним закономірностям, вперше була виконана Стефаном Маринове (Австрія). У 1984р. він поставив експеримент [7], що є розвитком досвіду Фізо з зубчастим колесом по вимірюванню швидкості світла. Вимірювалася різниця світлових швидкостей у двох протилежних напрямках (рис.1).

Рис. 1. Схема досвіду С. Маринова

Світло від лазера поділявся на два промені 1 і 3 (процес поділу на малюнку не показаний) і проходив шлях у протилежних напрямках між двома синхронно обертовими дисками. Диски з отворами по периферії, жорстко закріплені на спільній осі, виконували роль синхронізованих затворів, формують імпульси світла, що проходять до фотодетектором 2, 4. Абсолютна швидкість Землі визначалася за формулою:

десь ΔI1, ΔI2 - різниця струмів, що реєструються в детекторі струму 5 при двох рiзних частотах обертання осі N1 і N2. Проблема синхронізації затворів вирішена застосуванням жорсткого, механічного зв'язку між дисками посредствам валу. Значення абсолютної швидкості Землі, визначене в експерименті, склало 362 ± 40 км / с [7]. Варіант експерименту на пов'язаних дзеркалах, виконаний тим же автором [8], дав близький результат.

Описаний досвід Маринова не міг бути виконаний до появи лазерної технології, що дозволяє одержувати досить вузький пучок світла. Так, незважаючи на те, що ідея подібного досвіду була запропонована ще Майкельсона і Морлі, здійснити його у часи становлення СТО було неможливо.

Інтерференційний спосіб визначення абсолютних швидкостей

Альтернативний спосіб вимірювання абсолютних швидкостей безпосередньо випливає з закону перетворення (1): t2 = γt1, за яким відносне уповільнення часу у двох інерційних системах залежить від їх абсолютних швидкостей v1, v2. Розглянемо два годинники, одні з яких рухаються уздовж вектора абсолютної швидкості Землі, а другі в протилежному напрямку, відповідно абсолютна швидкість одних буде більше абсолютної швидкості Землі, а інших менше. Наслідком такого руху, як видно з (1), стане уповільнення темпу ходу одних годин і прискорення темпу інших в порівнянні з годинником, нерухомими відносно Землі. Роль годин в описаній нижче ідеї експерименту [10] виконують лінії затримки світлового сигналу, що рухаються в протилежних напрямках щодо земної системи (рис.2).

Рис. 2. Інтерференційний досвід на рухомих оптичних лініях

Світло від джерела 1 (лазера) після розщеплення 2 проходить через лінії затримки 4 і 5 (котушки з намотаним світловодом довжиною L і показником заломлення n), з виходу яких світлові сигнали надходять на фазовий дискримінатор 3, реєструючий зрушення фаз (Δφ) у момент , коли котушки займають певне положення в просторі. Фазовий дискримінатор і котушки жорстко кріпляться до циліндра. Циліндр зі світловодами обертається з кутовою швидкістю ω, тож напрямок вектора лінійної швидкості котушок (u) змінюється (u = ωr, де r - радіус циліндра). Абсолютна швидкість Землі визначається за формулою:

Наведемо параметри експерименту, описаного в [10] для довжини світлової хвилі λ = 0,5 мкм: висота циліндра 1,2 м, радіус r = 16см, швидкість обертання ω = 3600об/мін (u = 60м / с). Необхідна довжина світловода L складе 2,5 км, при розрахунковій точності вимірювання абсолютної швидкості Землі dv = 3км / с (що на порядок точніше, ніж у досвіді Маринова).

Ефір і космологія

Результати дослідів Маринова дозволяють висунути гіпотезу про те, що т.з. реліктове випромінювання Всесвіту є власним шумом ефіру, оскільки значення швидкості, виміряний в дослідах [7, серпень], близько до швидкості Землі (Сонячної системи) по відношенню до фону реліктового випромінювання, отриманої з астрономічних спостережень. У цьому випадку «реліктове» випромінювання не є власне реліктовим, а значить, не служить доказом походження Всесвіту з теорії Великого вибуху. Інший аргумент прихильників [9] теорії Великого вибуху полягає в поясненні червоного зсуву спектру далеких зірок ефектом Доплера, внаслідок розльоту галактик. Однак існують альтернативні пояснення. Наприклад, причинами зміщення спектру можуть бути: неоднорідність ефіру - зміна його властивостей від центру Всесвіту до периферії (у припущенні, що наша Галактика знаходиться в центральній області Всесвіту), або зменшення енергії електромагнітної хвилі внаслідок проходження гігантського відстані в середовищі-носії, при цьому поглинена ефіром частка енергії згодом може випромінюватися у вигляді шуму (передбачається, що відсоток поглиненої енергії залежить тільки від пройденого відстані і не залежить від частоти хвилі). Концепція ефіру дозволяє обгрунтувати більш природний погляд на Всесвіт. Всесвіт, як і ефір, є вічною, і, отже, не потребує пояснень свого походження. Складові її структурні елементи (галактики) безперервно оновлюються, на зміну гинуть, старим народжуються нові, молоді. Іншого погляду на еволюцію Всесвіту дотримуються послідовники концепції фізичного вакууму, що пояснюють виникнення Всесвіту шляхом вибуху, пов'язаного з народженням елементарних частинок в результаті одного з фазових переходів у вакуумі. Всесвіт, у відповідності з теорією Великого вибуху, не вічна, її очікує загибель або в результаті розльоту галактик («холодна смерть» - модель Всесвіту, що розширюється), або в результаті колапсу («гаряча смерть» - модель осцилюючою Всесвіту). Відповідно галактики гинуть або на самоті (перша модель), або колективно (друга модель). В історії науки ще не було теорії більш «оптимістичною», ніж теорія Великого вибуху.

Про те, що теорія Великого вибуху є вкрай спірною в сучасній науці, свідчать численні праці вчених - фізиків і астрономів. Так шведський астрофізик, лауреат Нобелівської премії Х. Альфвен говорить: «Ця космологічна теорія являє собою верх абсурду - вона стверджує, що весь Всесвіт виникла в якийсь певний момент подібно вибухнула атомну бомбу, що має розміри з шпилькову голівку. Схоже на те, що в теперішній інтелектуальній атмосфері величезною перевагою космології «Великого вибуху» служить те, що вона є образою здорового глузду: credo, quia absurdum («вірую, бо це абсурдно»)! Коли вчені б'ються проти астрологічних нісенітниць поза стінами «храмів науки», непогано було б пригадати, що в самих цих стінах часом культивується ще гірша нісенітниця. »[11].

Висновок

Концепція ефіру, відроджена на основі СЕТ, і експериментально підтверджена в дослідах Маринова принципово відрізняється від концепції фізичного вакууму, подання про який розвинулися з принципу відносності. Основні відмінності двох концепцій полягають в наступному:

Згідно ефірної концепції електромагнітна хвиля являє собою поширення порушення нерухомої середовища-ефіру. У інерціальних системах відліку має місце залежність швидкості світла від напрямку поширення хвилі. Альтернативний погляд склався в сучасній фізиці: світло не потребує середовищі носії і рухається як корпускула, а швидкість поширення світла изотропна і інваріантна в інерційних системах.

Все, що нас оточує, перебуває в ефірі. Структура і динаміка властивостей його елементів визначають такі фундаментальні фізичні поняття, як простір і час. Таким чином, ефір, з яким можна зв'язати абсолютну систему відліку координат і часу, це і є Абсолютна простір-час вічної Всесвіту. На відміну від ефіру, з фізичним вакуумом неможливо пов'язати систему відліку, а що виникає з вакууму Всесвіт має кінцевий час життя.

Ефірному середовищі притаманні всі атрибути матеріального об'єкта: вона шумить радіохвиль («реліктове» випромінювання), є переносником електромагнітних хвиль, щодо ефіру можна експериментально виявити швидкість тіл і частинок. Фізичний вакуум у цьому сенсі - об'єкт віртуальний (не піддається безпосередній реєстрації).

Визнання існування ефіру - це остаточна відмова від принципу відносності і перехід до подання про єдність божественного миру, для об'єднаного всепроникною середовищем - ефіром. Це середовище визначає абсолютну систему відліку просторових координат і часу. У соціальній і духовній сферах, в які принцип відносності проникнув у формі лібералізму і політеїзму, відмова від відносності морально-етичних цінностей означає абсолютизацію понять добра, моралі та справедливості.

Список літератури

КалітеевскійН.І. Хвильова оптика. - М.: Вища школа, 1995.

ЛоренцГ.А., В сб. Принцип відносності. - М.: Атоміздат, 1973.

ОбуховЮ.А., ЗахарченкоІ.І., Світлоносний ефір і порушення принципу відносності, 2001.

ЛандауЛ.Д., ЛіфшіцЕ.М., Квантова електродинаміка. - М.: Наука, 1989.

ПаршінД.А., ЗегряГ.Г. Лекція 27.

ЛандауЛ.Д., ЛіфшіцЕ.М. Теорія поля. - М., Наука, 1988.

МаріновС. Фізична думка Росії. Т. 2, 1995.

MarinovS. General Relativity and Gravitation. 12, p. 57, 1980.

НовіковІ.Д. Еволюція Всесвіту. М.: Наука, 1983.

ЗахарченкоІ.І., ОбуховЮ.А. Заявка на винахід № 2001114292, 2001.

Майбутнє науки. Міжнародний щорічник. Вип. 12. - М., стор.64, 1979.