В физике теории эфира (также известные как теории эфира ) предполагают существование среды, заполняющего пространство вещества или поля в качестве среды передачи для распространения электромагнитных или гравитационных сил. «С момента разработки специальной теории относительности теории, использующие материальный эфир, вышли из употребления в современной физике и теперь заменены более абстрактными моделями». [1]
Этот ранний современный эфир имеет мало общего с эфиром классических элементов, от которых было заимствовано это название. Разнообразные теории воплощают различные концепции этой среды и субстанции .
Исаак Ньютон предполагает существование эфира в Третьей книге « Оптики» (1-е изд. 1704 г.; 2-е изд. 1718 г.): «Разве эта эфирная среда, переходя из воды, стекла, кристалла и других компактных и плотных тел в пустые пространства, постепенно уплотняются и уплотняются и тем самым преломляют лучи света не в точке, а постепенно изгибая их в кривых линиях?... Разве эта среда не гораздо реже встречается в плотных телах Солнца, звезд , планет и комет, чем в пустом небесном пространстве между ними? И, переходя от них на большие расстояния, не становится ли оно все более и более плотным и тем самым вызывает тяготение этих великих тел друг к другу, а их частей - к тела; каждое тело стремится перейти от более плотных частей среды к более разреженным?" [2]
В XIX веке светоносный эфир (или эфир), что означает светоносный эфир, был теоретической средой распространения света. Джеймс Клерк Максвелл разработал модель для объяснения электрических и магнитных явлений с использованием эфира, модель, которая привела к тому, что сейчас называется уравнениями Максвелла , и к пониманию того, что свет — это электромагнитная волна. [3] Позже, в конце 1800-х годов, была проведена серия все более тщательных экспериментов, включая эксперимент Майкельсона-Морли , в попытке обнаружить движение Земли через эфир, но никакого сопротивления обнаружено не было. Ряд предложенных теорий увлечения эфиром мог бы объяснить нулевой результат, но они были более сложными и имели тенденцию использовать произвольные коэффициенты и физические предположения. Джозеф Лармор рассматривал эфир как движущееся магнитное поле, вызванное ускорением электронов.
Хендрик Лоренц и Джордж Фрэнсис Фитцджеральд предложили в рамках теории эфира Лоренца объяснение того, как эксперимент Майкельсона-Морли мог не обнаружить движение в эфире. Однако первоначальная теория Лоренца предсказывала, что движение сквозь эфир создаст эффект двойного лучепреломления , который Рэлей и Брейс проверили, но не смогли обнаружить ( Эксперименты Рэлея и Брейса ). Все эти результаты потребовали полного применения преобразования Лоренца Лоренца и Джозефа Лармора в 1904 году. [4] [5] [6] [7] Обобщая результаты Майкельсона, Рэлея и других, Герман Вейль позже напишет, что эфир «отправился в страну теней в последней попытке ускользнуть от пытливых поисков физика». [8] Помимо большей концептуальной ясности, специальная теория относительности Альберта Эйнштейна 1905 года могла объяснить все экспериментальные результаты, вообще не ссылаясь на эфир. В конечном итоге это привело большинство физиков к выводу, что прежнее представление о светоносном эфире было бесполезным.
С 16 по конец 19 века гравитационные явления также моделировались с использованием эфира. В заметке в конце своей работы «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл обсудил модель гравитации, основанную на среде, аналогичной той, которую он использовал для электромагнитного поля. Он пришел к выводу, что среда будет иметь «огромную внутреннюю энергию» и ее обязательно придется уменьшать в областях массы. Он не мог «понять, каким образом медиум может обладать такими свойствами», поэтому не стал заниматься этим дальше. [9] Наиболее известной формулировкой является теория гравитации Лесажа , хотя вариации этой идеи высказывались Исааком Ньютоном , Бернхардом Риманом и лордом Кельвином . Например, Кельвин опубликовал заметку о модели Лесажа в 1873 году, в которой он нашел предложение Лесажа термодинамически ошибочным и предложил возможный способ спасти его, используя популярную в то время вихревую теорию атома . Позже Кельвин пришел к выводу:
Эта кинетическая теория материи — мечта, и не может быть ничем иным, пока не сможет объяснить химическое сродство, электричество, магнетизм, гравитацию и инерцию масс (то есть толп) вихрей. Теория Лесажа могла бы дать объяснение гравитации и ее связи с инерцией масс на основе теории вихрей, если бы не существенная эолотропия кристаллов и кажущаяся совершенной изотропия гравитации. Никакого указателя, указывающего на путь, который мог бы привести к преодолению этой трудности или повороту ее фланга, не было обнаружено и не представлялось возможным обнаружить. [10]
Сегодня научное сообщество не считает ни одну из этих концепций жизнеспособной.
Альберт Эйнштейн иногда использовал слово « эфир» для обозначения гравитационного поля в рамках общей теории относительности , но единственное сходство этой релятивистской концепции эфира с классическими моделями эфира заключается в наличии физических свойств в пространстве, которые можно идентифицировать с помощью геодезических . Как утверждают такие историки, как Джон Стачел , взгляды Эйнштейна на «новый эфир» не противоречат его отказу от эфира в 1905 году. эфир. [11] Использование Эйнштейном слова «эфир» не нашло особой поддержки в научном сообществе и не сыграло никакой роли в продолжающемся развитии современной физики. [12] [13]
Квантовую механику можно использовать для описания пространства-времени как непустого в чрезвычайно малых масштабах, колеблющегося и генерирующего пары частиц , которые появляются и исчезают невероятно быстро. Некоторые, например, Поль Дирак [14], предположили , что этот квантовый вакуум может быть в современной физике эквивалентом эфира в виде частиц. Однако гипотеза эфира Дирака была мотивирована его неудовлетворенностью квантовой электродинамикой и так и не получила поддержки со стороны основного научного сообщества. [15]
Физик Роберт Б. Лафлин писал:
По иронии судьбы самая творческая работа Эйнштейна, общая теория относительности, сводилась к концептуализации пространства как среды, в то время как его первоначальная предпосылка [в специальной теории относительности] заключалась в том, что такой среды не существует [..]. Слово «эфир» чрезвычайно негативные коннотации в теоретической физике из-за ее прошлой ассоциации с оппозицией теории относительности. Это прискорбно, потому что, лишенное этих коннотаций, оно довольно хорошо отражает то, как большинство физиков на самом деле думают о вакууме. . . . Теория относительности на самом деле ничего не говорит о существовании или несуществовании материи, пронизывающей Вселенную, а лишь то, что любая такая материя должна обладать релятивистской симметрией. [..] Оказывается, такая материя существует. Примерно в то время, когда теория относительности стала общепринятой, исследования радиоактивности начали показывать, что пустой космический вакуум имеет спектроскопическую структуру, аналогичную структуре обычных квантовых твердых тел и жидкостей. Последующие исследования на больших ускорителях частиц привели нас к пониманию того, что пространство больше похоже на кусок оконного стекла, чем на идеальную ньютоновскую пустоту. Он наполнен «материалом», который обычно прозрачен, но его можно сделать видимым, если сильно ударить по нему, чтобы выбить часть. Современная концепция космического вакуума, ежедневно подтверждаемая экспериментом, представляет собой релятивистский эфир. Но мы не называем это так, потому что это не принято (табу). [16]
Луи де Бройль заявил: «Любую частицу, когда-либо изолированную, следует представлять себе находящейся в постоянном «энергетическом контакте» со скрытой средой». [17] [18] Однако, как указывал де Бройль, эта среда «не могла служить универсальной эталонной средой, поскольку это противоречило бы теории относительности». [17]
Показано, что можно вывести волны де Бройля как реальные коллективные марковские процессы на вершине эфира Дирака.