Чому з фізики була вигнана теорія світлоносного ефіру?

В історії науки є чимало помилкових теорій, які проіснували тривалий час. Теорія ефіру - яскравий тому приклад. Протягом трьох століть вона була загальновизнаною концепцією і лише на початку минулого століття звалилася під вантажем експериментальних даних.

Гіпотетичний світлоносний ефір являє собою речову середовище, в якому поширюються електромагнітні хвилі (гамма-промені, радіохвилі теплове випромінювання, світло), подібно звуку в повітрі.

Ефір твердий, невагомий, що охоплює весь всесвіт і захоплюємося за собою рухомими тілами. Така основна суть цієї теорії, яка успішно восполняла потреба людської свідомості, який прагнув наділити пусте космічний простір (вакуум) чимось матеріальним. Можливо, з цієї причини з теорією не хотіли розлучатися навіть після остаточного спростування.

Від Аристотеля до Декарта і Максвелла

Давньогрецькі філософи розглядали ефір в якості небесного речовини, «п'ятого елемента» природи в доповненні до чотирьох наявними - повітрю, вогню, землі і воді, і вважали, що навіть видимі небесні тіла складаються з ефіру.

Аристотель придумав спеціальний термін «п'ята елементу» - квінтесенція, який пізніше був прийнятий на озброєння європейськими схоластами. Античні уявлення залишалися незмінними до 1618 року, коли французький вчений Рене Декарт сформулював гіпотезу світлоносного ефіру і пізніше розвинув її у своїх «Засадах філософії». Ця гіпотеза і стала загальновизнаною в науці.

Декартівський ефір складається з кулястих частинок, знаходиться в постійному русі і утворює вихори. Під дією тиску і відцентрової сили ці частинки приходять в рух, сприймається людиною як світловий потік. В кінці XVII століття були розроблені дві різні моделі світла: корпускулярна (світло як потік частинок) і хвильова (світло як сплеск в ефірі).

Ісаак Ньютон був прихильником першої моделі і розглядав ефір в якості переносника світлових частинок. Однак хвильова теорія незабаром отримала велику підтримку у авторитетних фізиків наступного століття - Томаса Юнга і Жана Френеля, адже з нею узгоджувалися такі оптичні явища, як дифракція і інтерференція. Ці вчені вважали, що світло являє собою пружні коливання пружного ж ефіру.

Хоч з хвильової оптикою було все більш-менш ясно, залишалося загадкою, що являє собою ефір, які його властивості і як з позиції цієї теорії пояснити поляризацію і заломлення світла. Подальшим розвитком моделей займалися Анрі Навьє, Огюстен Луї Коші, Джордж Габрієль Стокс, Вільям Томсон та інші вчені, але істотного прориву на цій ниві домогтися не вдалося. З появою електродинаміки Максвелла ефір став носієм не лише для світла, а й для електрики і магнетизму.

Як Майкельсон і Морлі ловили ефірний вітер

До кінця XIX століття почали вимальовуватися явні недоліки і труднощі в теорії ефіру, незважаючи на велику кількість витончених концепцій. Перш за все, вони не давали відповідей на питання про будову речовини, не пояснювали основні види фізичних взаємодій, не враховували електромагнітних явищ. До того ж астрономами була виявлена зоряна аберація, а це означало, що ефір нерухомий, однак за припущенням Френеля, він може захоплюватися рухомим речовиною.

У 1868 році, Максвелл вирішив раз і назавжди довести існування ефіру і розробив для цього досить дотепний досвід, який трохи пізніше був здійснений двома американськими фізиками - Альбертом Майкельсоном і Генрі Морлі. Завданням експерименту було виявлення так званого «ефірного вітру» за допомогою інтерферометра (що таке ефект інтерференції, знайоме кожній сучасній людині зі шкільного курсу фізики).

Якщо Земля, обертаючись навколо Сонця, рухається щодо ефіру півроку в одному напрямку, а півроку в іншому, то, природно, «ефірний вітер» повинен обдувати планету кожні півроку з різних сторін. У цьому випадку показання інтерферометра в перші і в другі півроку були б різними. Але на жаль, Майкельсона і Морлі не вдалося зареєструвати будь-яких зсувів. А якщо «ефірного вітру» не існує, отже, немає і самого ефіру.

Цей досвід хоч і завдав важкого удару по традиційної теорії, однак повне її «вигнання» з фізики наступило лише після розробки Альбертом Ейнштейном спеціальної теорії відносності. З приходом СТО, яка, до речі, отримала безліч експериментальних підтверджень і описала цілий ряд фізичних ефектів, саме поняття «ефір» стало зайвим, а електромагнітне поле почало розглядатися як окремий фізичний об'єкт.

Він пішов, але обіцяв повернутися?

Ейнштейн пропонував назвати ефіром фізичний вакуум, однак цей термін уже набув репутації головного «ворога» теорії відносності, тому від нього змушені були відмовитися. Тепер «ефір» згадується головним чином лише в статтях з історії науки. Проте з'явилися так звані «альтернативщики», які навіть після остаточного спростування продовжують відстоювати гіпотезу світлоносного ефіру.

Їхні аргументи зводяться в основному до невірної інтерпретації досвіду Майкельсона-Морлі, внутрішні суперечності СТО, відомому як парадокс близнюків, і експерименту Стефана Маринова з розповсюдження світлової хвилі. В даний час створено безліч ефірних теорій, з'явилася навіть ефірна фізика, але міжнародним науковим співтовариством вона не визнається в силу незаперечних доказів теорії відносності, як приватної, так і загальної.

Наука розвивається, на зміну старим моделям приходять більш точні концепції. Можливо, така ж доля коли-небудь спіткає теорію Ейнштейна, і про неї будуть читати в підручниках історії наші нащадки ...