РЕФЕРАТЫ ПО НАУКЕ И ТЕХНИКЕ
Реферат: Эфир или физический вакуум?
Эфир или физический вакуум?
Юрий Обухов, Игорь Захарченко
Эфир
Понятие об эфире исходит из глубокой древности – в древнеарийскую эпоху оно относилось к особому состоянию материи, называемому «акаша» (пятый элемент материальной природы). Вот как понятие «акаша» освещено в трактате С.Вивекананды «Раджа-йога»: «Это всюду находящееся и все проникающее нечто. Все, что имеет форму, все, что представляет собою результат соединений, все развилось из этой Акашы. Акаша это то, что стало воздухом, жидкостями, твердыми телами. Она сама не может быть замечаема, так как настолько тонка, что находится вне всех обыкновенных восприятий и может быть видима только тогда, когда станет грубою, примет форму. При начале творения существует только эта Акаша; при конце цикла твердые тела, жидкости и газы, все разложатся опять в Акашу».
Две с половиной тысячи лет назад древние греки подхватили и развили это понятие под именем αιυηρ (эфир, небо). В 1618г. 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 XIX веке, когда Максвелл, опираясь на созданную им модель эфира, получил фундаментальные уравнения электродинамики.
К началу XXв. 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 (1881г.), Морли и их последователями, и продолжались на протяжении всего столетия [1]. Эксперименты дали нулевой результат: движение Земли относительно эфира не выявлено. Это интерпретировалось, как доказательство отсутствия эфира, несмотря на попытки Лоренца объяснить нулевой результат сокращением размеров тел вдоль движения [2]. 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 движений, входящие в Ньютоновскую формулу сложения скоростей (v+c), также должны удовлетворять этому условию. При расчете опыта Майкельсона–Морли это условие оказалось выполненным только для скорости Земли (v), второе слагаемое – скорость света (c) – этому условию явно не удовлетворяет. Таким образом, применение механики Галилея–Ньютона незаконно, поскольку нарушает границы её применимости. Для расчета опыта нужна иная механика [3], отличная от классической и релятивисткой. Основу этой новой механики составляют существование абсолютной системы отсчета, связанной с эфиром, и вытекающее отсюда неравноправие инерциальных систем. 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
Вакуум (по-латински vacuum) – пустота, т.е. пространство без материи и энергии. Физический вакуум – пространство, не содержащее реальных частиц и энергии, поддающейся непосредственному измерению. Согласно современным физическим представлениям, это наиболее низкое энергетическое состояние любых квантованных полей, характеризующееся отсутствием реальных частиц. Возможность виртуальных процессов в физическом вакууме приводит к ряду эффектов взаимодействия реальных частиц с вакуумом, регистрируемых экспериментально. Физический вакуум представляет собой множество всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые в отсутствии внешних полей не могут превратиться в реальные. По современным представлениям в вакууме непрерывно образуются и исчезают пары частиц–античастиц: электрон–позитрон, нуклон–антинуклон... Вакуум наполнен такими «не вполне родившимися», появляющимися и исчезающими частицами. Они не поддаются регистрации и называются виртуальными. Однако при определенных обстоятельствах виртуальные частицы становятся реальными. Так, например, столкновения частиц высоких энергий или сильные поля рождают из вакуума снопы различных частиц и античастиц. Т.е. 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. Т.е. представления о физическом вакууме были логически получены из принципа относительности. 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» [4].
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, лежащего в основе СТО:
Специальная теория относительности содержит внутреннее противоречие, известное как парадокс двух близнецов. Предпринимались попытки разрешить этот парадокс привлечением общей теории относительности (ОТО), но это имело успех лишь для малых скоростей движения [5]. В общем случае релятивистских скоростей парадокс остается неустранимым. Наиболее отчетливо нарушения причинно следственных связей между событиями выявляются в «парадоксе трех близнецов» (рассмотренном в [3]), являющимся развитием мысленного эксперимента с близнецами.
Существуют современные эксперименты, устанавливающие зависимость скорости света от направления распространения волны. Серия таких экспериментов была выполнена Стефаном Мариновым, в опытах было выявлено направление распространения световой волны, в котором имеет место превышение скорости света с на величину 360±40км/с. Результаты экспериментов Маринова вступают в противоречие с постулатом СТО об инвариантности скорости света.
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. Концепция эфира заставляет по иному взглянуть на взаимодействие реальных частиц с виртуальными (представляемое в рамках концепции физического вакуума). Указанное взаимодействие есть не что иное, как взаимодействие реальных частиц с реальным эфиром, исключающим необходимость введения искусственных посредников, каковыми являются виртуальные частицы.
Теоретическое обоснование концепции эфира
Не касаясь конкретных моделей эфира, выделим два его свойства, необходимые для дальнейшего изложения: свойство среды-носителя взаимодействий и его неувлекаемость движущимися телами (неподвижность). Таким образом, электромагнитная волна представляет собой распространение возбуждения неподвижной среды-эфира.
Альтернативная интерпретация опытов Майкельсона–Морли
Опыт Майкельсона–Морли в момент становления СТО был проинтерпретирован в соответствии с принципом относительности, а именно: скорость света в любой системе координат имеет одинаковую величину «с» и не зависит от направления распространения волны (т.е. изотропна). Однако из опытов Майкельсона–Морли такой результат не вытекает. В экспериментах Майкельсона–Морли, установлен факт изотропии времени двустороннего распространения света (t++t–=const) здесь t+; t– – интервалы времени одностороннего распространения света на отрезке оптической линии длиной L 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 очевидную альтернативную версию: «t+ не равно t–, при условии t++t–=const». Если ввести величину, называемую скоростью двустороннего распространения света и определяемую как: c=2L/(t++t–), то для этой величины (а вовсе не для скорости одностороннего распространения света) из опытов Майкельсона–Морли действительно вытекает инвариантность и изотропность (см. подробнее в [3]).
Такое, казалось бы, незначительное отличие в интерпретации опыта Майкельсона–Морли приводит к диаметрально противоположному результату: к отказу от принципа относительности и к возрождению концепции эфира.
Теория светоносного эфира (СЭТ)
Альтернативная, корректная интерпретация опытов Майкельсона–Морли позволила построить теорию на следующих постулатах:
О существовании среды распространения взаимодействий (эфира, не увлекаемого движущимися телами) исвязанной с ней абсолютной системы отсчета; свет в указанной среде распространяется прямолинейно и изотропно со скоростью с=299792458±1,2м/с.
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 разными скоростями v1 и v2 (называемыми в дальнейшем абсолютными) (см. [3]):
|
x2 = (x1 – u01t1)/γ; y2 = y1; z2 = z1; t2 = γ t1; u02 = –u01/γ2; |
|
(1) |
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 формулы t2=γt1 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.
Важным следствием приведенных преобразований является абсолютный характер понятия одновременности событий. События одновременные в одной инерциальной системе отсчета (dt1=0) будут одновременны в любой другой системе (dt2=0), что принципиально отличается от СТО. Соответственно сокращение размеров тел, вытекающее из преобразований (1), является отражением сближения атомов и молекул, составляющих тела вдоль направления движения. В СТО сокращение размеров тел имеет совершенно иной характер, а именно, является следствием неодновременности событий (события, произошедшие одновременно в одной системе отсчета, в другой инерциальной системе отсчета одновременными не являются).
Закон преобразования энергии (E) и импульса (p) при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, согласно СЭТ, имеет вид:
px2 = γpx1, py2 = py1, pz2 = pz1, E2 = (E1 – u01px1)/γ.
Связь энергии и импульса в инерциальной системе отсчета, имеющей абсолютную скорость v0, определяется соотношением:
(1 – v02/c2)E2/c2 + 2(v0/c)pxE/c – p2 = m2c2.
При v0/c
