Эфир или физический вакуум? (стр. 1 из 2)

Обухов Ю.А., Захарченко И.И.

В статье дано сравнение двух различных концепций, стоящих за терминами эфир и физический вакуум. Приводятся теоретические и экспериментальные обоснования концепции светоносного эфира.

Введение.

Существует множество работ, в которых отожествляют эфир и физический вакуум или совершают подмену понятий, называя физическим вакуумом то, что по сути своей является эфиром. Цель статьи - провести разграничительную черту между этими терминами и обосновать отказ от физического вакуума (концептуально связанного с принципом относительности) в пользу эфира (означающего существование привилегированной системы и, следовательно, неравноправие инерциальных систем).

Эфир.

Понятие об эфире исходит из глубокой древности – в древнеарийскую эпоху оно относилось к особому состоянию материи, называемому “акаша” (пятый элемент материальной природы). Две с половиной тысячи лет назад древние греки подхватили и развили это понятие под именем  (эфир, небо). В 1618 г. французский философ, физик и математик Рене Декарт предложил рассмотреть эфир в качестве материального переносчика света. По его представлениям, свет является сжатием, распространяющимся в идеально упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство. С тех пор идея эфира прочно вошла в научный оборот, особенно в трудах Ньтона, Френеля, Максвелла, Лоренца. Эфирная концепция достигла кульминации в ХIХ веке, когда Максвелл, опираясь на созданную им модель эфира, получил фундаментальные уравнения электродинамики.

К началу ХХ в. сложились два взгляда на эфир: либо он увлекается движением тел, либо не увлекается (неподвижен). Из концепции неувлекаемого эфира следовало неравноправие инерциальных систем и существование привилегированной (связанной с эфиром) системы отсчета, называемой абсолютной. Эксперименты, призванные выявить такую систему отсчета и скорость относительно нее, были выполнены Майкельсоном (1881 г.), Морли и их последователями, и продолжались на протяжении всего столетия. Эксперименты дали нулевой результат: движение Земли относительно эфира не выявлено. Это интерпретировалось, как доказательство отсутствия эфира. Ожидаемый результат в этих опытах рассчитывался по законам классической механики, поскольку научная общественность не имела другого аппарата (иной механики) для оценки опыта, на момент его проведения. Однако следует подчеркнуть некорректность применения этих законов для случая распространения света в эфире. Главная особенность классической механики - это требование мгновенности распространения взаимодействий, т.е. законы этой механики справедливы только при условии малости скоростей движения по сравнению со скоростью света. Следовательно, все скорости, входящие в Ньютоновскую формулу сложения скоростей (v + с), также должны удовлетворять этому условию. При расчете опыта Майкельсона-Морли это условие оказалось выполненным только для скорости Земли (v), второе слагаемое - скорость света (с) - этому условию явно не удовлетворяет. Таким образом, применение механики Галилея-Ньютона в данном случае незаконно, поскольку нарушает границы её применимости. Для расчета опыта нужна иная механика, отличная от классической и релятивисткой. В итоге некорректной интерпретации опытов Майкельсона–Морли, завершившейся построением специальной теории относительности (СТО), был теоретически оформлен отказ от концепции эфира, а вместо эфира, с развитием квантовой теории поля, появился термин “физический вакуум”.

Физический вакуум.

Физический вакуум, согласно современным взглядам, представляет собой множество всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые в отсутствии внешних полей не могут превратиться в реальные. Вакуум может быть представлен, как особый, виртуальный тип среды. Виртуальность среды проявляется, в частности, в невозможности выявить факт движения относительно неё никакими экспериментальными методами, что равносильно проявлению принципа относительности. Концепция равноправия инерциальных систем, называемая принципом относительности, является фундаментом теорий породивших понятие о физическом вакууме. Согласно с данными представлениями, свет не нуждается в материальной среде-носителе, а совокупность фотонов образует свободное электромагнитное поле. Самое низкое энергетическое состояние этого поля называют "вакуумом электромагнитного поля".

Причины, побуждающие вернуться к концепции эфира.

На основе принципа относительности была создана специальная теория относительности. Эта теория объяснила накопившиеся к тому времени экспериментальные данные и стала фундаментом современной физики высоких энергий. Ее с успехом применяют при проектировании ускорителей элементарных частиц и в экспериментах с релятивистскими частицами. Тем не менее, есть серьезные основания для того, чтобы отказаться от принципа относительности, как концепции претендующей на универсальную роль в современной физике:

1. Опыты Майкельсона-Морли, приведшие к отказу от концепции эфира допускают альтернативную интерпретацию. Рассматриваемая ниже трактовка опытов связана с признанием эфира.

2. Существуют современные эксперименты, устанавливающие зависимость скорости света от направления распространения волны и вступающие в противоречие с постулатом СТО об инвариантности скорости света. Серия таких экспериментов была выполнена Стефаном Мариновым. Опыты Маринова выявили направление распространения световой волны, в котором имеет место превышение скорости света “с” на величину 360  40 км/с.

Изложенные причины явились основанием для отказа от принципа относительности, что естественным образом приводит к идее возрождения концепции эфира, для которой характерны неравноправие инерциальных систем, с одной стороны, и зависимость скорости света от направления распространения волны с другой.

Альтернативная интерпретация опытов Майкельсона-Морли

На интерферометре Майкельсона-Морли исследовалось время двустороннего распространения света на отрезке оптической линии длиной L. Был установлен факт независимости (изотропии) этого времени от пространственной ориентации оптической линии: t++t_=const, t+ , t_ - интервалы времени одностороннего распространения света в прямом (от начала отрезка к концу - t+) и обратном (от конца к началу - t_) направлениях. Сторонники принципа относительности, не имея возможности измерить указанные времена раздельно (ввиду отсутствия соответствующей техники и технологии) и опираясь на принципиально неверный расчет опыта, трактовали его результат, как равенство времен t+ и t_ , отбросив альтернативную версию: “t+ не равно t_, при условии t++t_=const” Если ввести величину, называемую скоростью двустороннего распространения света и определяемую как: с=2L/(t++t_), то для этой величины (а вовсе не для скорости одностороннего распространения света) из опытов Майкельсона-Морли действительно вытекает изотропия и инвариантность. Такое, казалось бы, незначительное отличие в интерпретации опыта Майкельсона-Морли приводит к диаметрально противоположному результату: к отказу от принципа относительности и возрождению концепции эфира.

Теория светоносного эфира (СЭТ).

Альтернативная, корректная интерпретация опытов Майкельсона-Морли позволила построить теорию на следующих постулатах:

1. О существовании среды распространения взаимодействий (эфира, не увлекаемого движущимися телами) и связанной с ней абсолютной системы отсчета; свет в указанной среде (а также все фундаментальные взаимодействия) распространяется прямолинейно и изотропно со скоростью с =299792458  1.2 м/с.

2. Об инвариантности скорости двустороннего распространения света в инерциальных системах отсчета.

Из постулатов вытекают преобразования координат и времени для двух систем отсчета (OX1Y1Z1) и (OX2Y2Z2), движущихся относительно абсолютной системы с различными скоростями v1 и v2 , называемыми в дальнейшем абсолютными (см. статью на интернет-сайте: http://www.c.dol.ru, 2001):

Здесь u01 - относительная скорость системы (OX2Y2Z2), измеренная в (OX1Y1Z1), а u02 - скорость системы (OX1Y1Z1) относительно (OX2Y2Z2). Следует отметить, что u01 не равно u02, в отличие от СТО, в которой относительные скорости систем отсчета имеют одинаковую величину. Из преобразований вытекает зависимость скорости течения времени (темпа хода часов) от абсолютной скорости движения инерциальных систем. Системы, имеющие разные абсолютные скорости v1 и v2 не равноправны: темп хода часов выше в системе отсчета имеющей меньшую абсолютную скорость. Абсолютная скорость тел не может превышать c (частицы материи распадутся, если v  c, поскольку при этом условии взаимодействие между элементами, составляющими частицы, не успевает за движением этих элементов). Преобразования переходят в преобразования Лоренца СТО, если используется синхронизация часов (процессов), посредством светового сигнала. Таким образом, СЭТ представляет собой более общую, чем СТО, механику и позволяет установить границы применимости принципа относительности.

Пространство и время оказываются взаимосвязанными, однако по иным, чем в СТО законам. Метрику пространства-времени в инерциальной системе отсчета определяют коэффициенты квадратичной формы:

Важным следствием такой метрики является анизотропия пространства инерциальных систем. Из такой анизотропии вытекает зависимость скорости света от направления (a) распространения волны:

Здесь v0 абсолютная скорость лабораторной системы отсчета. Данная зависимость (первые упоминания, о которой можно найти в постулатах С. Маринова) поясняет ранее высказанную мысль о неприменимости закона сложения скоростей классической механики для определения абсолютной скорости Земли в опытах Майкельсона-Морли. Из формулы следует, что скорость света (относительная) в инерциальной системе отсчета может превышать с и при  =  и абсолютной скорости системы отсчета v0, близкой к с, скорость с' стремится к бесконечности.