Існує ефір?

Один з наших передплатників надіслав наступне питання:

У дорелятивистской фізики існував термін «ефір», який був середовищем, в якому поширюється світло. Наскільки я знаю сучасна офіційна наука заперечує існування ефіру. Чому так? Які є докази на користь відсутності існування ефіру?

Що ж, давайте розбиратися. По мірі розвитку фізики об’єктом вивчення нерідко ставали різні хвилі і коливання, такі як наприклад:

• хвилі на поверхні води;
• брижі виникає на поверхні матерії (наприклад вітрила) під дією вітру;
• ударні хвилі розповсюджуються через землю при землетрусі;
• звукові хвилі та ін.

У всіх цих випадках поширення хвиль залучено речовина, яка надає середовище для поширення хвиль. По мірі того, як середовище стискується і розтягується (у випадку з поздовжніми хвилями) або коливається (у разі поперечних хвиль) відбувається поширення хвилі. Це приклади механічних коливань при яких енергія переноситься з однієї точки в іншу через механічну середу.

Є світло хвилею або потоком частинок спочатку було не цілком зрозуміло. Так Ньютон вважав світло потоком частинок, а наприклад Христіан Гюйгенс вважав світло хвилею. Тільки в 19-му столітті експериментально було доведено, що світло володіє хвильовими властивостями (хоча зараз ми вже знаємо, що світло проявляє властивості хвилі, так і частинок).

Більше того, подальший розвиток такого напрямку у фізиці, як електромагнетизм, дозволило встановити, що світло є електромагнітною хвилею, яка поширюється з кінцевою, дуже великий, але цілком вимірної швидкістю. Зараз ця швидкість відома як швидкість світла у вакуумі.

За аналогією з механічними коливаннями фізики припустили наявність середовища, в якій поширюються електромагнітні хвилі і назвали її ефіром (насправді сам термін ефір з’явився набагато раніше, але це не суть важливо). Виникло закономірне питання, що якщо середовищем поширення електромагнітних хвиль є ефір, то які його властивості?

Досить скоро вчені встановили, що ефір не може мати молекулярну природу, складатися з окремих частинок, брати участь у термодинамічних взаємодіях і т. п. По суті єдиним властивістю ефіру виявилося те, що він служить середовищем для поширення світла.

Це призвело до серії експериментів по виявленню ефіру, найбільш відомі з яких експерименти Майкельсона-Морлі. Якщо ефір дійсно є середовищем поширення світла, то наша планета – Земля рухається крізь ефір по мірі обертання навколо своєї осі і навколо Сонця.

Ідея експерименту Майкельсона-Морлі. Якщо розділити світ на дві перпендикулярних компоненти, а потім зібрати їх воєдино, то ми отримаємо інтерференційний візерунок, який, у разі коли припущення про існування ефіру вірно, повинен залежати від орієнтації інтерферометра в просторі.

І хоча швидкість Землі щодо Сонця невелика – всього 30 км/c, що становить близько 0.01% швидкості світла, з допомогою чутливого інтерферометра ми повинні виявити зрушення інтерференційного візерунка, в залежності від того, під яким кутом знаходиться інтерферометр до напрямку руху.

Майкельсон провів перший експеримент в 1881-му році, але його результати були сумнівні з-за низької чутливості інтерферометра. Шість років потому разом з Морлі йому вдалося досягти високої чутливості на новому інтерферометрі (похибка не більше 2.5% від величини зсуву, яку вони очікували отримати, проте експеримент дав негативний результат. Ніякої різниці в інтерференційних візерунках в залежності від напрямку руху Землі і орієнтації інтерферометра в просторі виявлено не було.

Інтерферометр Майкельсона-Морлі і результати експериментів

Ентузіасти ефіру намагалися по-різному пояснити негативний результат експерименту Майкельсона-Морлі, зокрема одні з них припускали, що ефір захоплюється проходять крізь нього масивними тілами (такими як Земля) або що ефір є стаціонарним і нерухомим, а рухомі об’єкти крізь нього відчувають скорочення довжини і уповільнення часу, що пояснює негативний результат. З появою теорії відносності ідея ефіру стала надмірною і цей термін став практично зник з наукового вжитку.

Негативний результат експериментів Майкельсона-Морлі, втім, не означає, що відсутність ефіру доведено. З експериментів Майкельсона-Морлі (і інших) слід тільки те, що якщо ефір і існує, то у нього немає властивостей, які можна виявити експериментально.

Ефір, навіть якщо він існує, ніяк не впливає на рух світла або гравітаційних хвиль, не взаємодіє з речовиною і не проявляє себе яким-небудь іншим способом. Тобто можна сказати, що все що ми знаємо на даний момент узгоджується з припущенням, що ефіру не існує.