П. Эренфест icon

П. Эренфест



НазваниеП. Эренфест
Дата конвертации10.09.2012
Размер141.64 Kb.
ТипДокументы

КРИЗИС В ГИПОТЕЗЕ О СВЕТОВОМ ЭФИРЕ

П. Эренфест


Многоуважаемые слушатели!

Позвольте остановить ваше внимание на кризисе, ко­торый в настоящее время угрожает одной основной гипотезе физики. Этот кризис является, как мне кажется, ярким выразителем того своеобразного революционного настрое­ния, которое сейчас господствует в теоретической физике.

Для большей наглядности в дальнейшем изложении я бу­ду исходить из некоего фиктивного опыта, который для краткости можно назвать «опытом с шаром». Этот фик­тивный опыт выбран мной с тем расчётом, чтобы интересую­щие нас стороны его выступили с особенной яркостью.

Прошу прощения за некоторую фантастичность его, ко­торую мне для этой цели пришлось ему придать.

Представим себе полый шар, размер которого превышает не только размер Земли, но даже размер её орбиты. Этот шар так велик, что световой луч пробегает его поперечник примерно часа за два. В самом центре этого полого шара помещается исследователь. Шар находится в покое. Иссле­дователь производит следующий опыт: он заставляет на мгно­вение вспыхнуть яркий источник света и ждёт, что он уви­дит дальше. Сперва он на мгновение увидит источник света, затем наступит темнота — на два часа, так как в течение часа свет добежит от центра до внутренних стенок полого шара, отразится от них и через час вернется к наблюдателю. И только в этот момент наблюдатель увидит, что вся внут­ренность шара на мгновение осветится, затем вновь насту­пит темнота.

Представим себе, далее, ещё второй, точно такой же по­лый шар. И в его центре находится исследователь. Но этот второй шар не находится в покое, а пробегает мимо нас с огромной скоростью, например со скоростью в одну де­сятую скорости света. Исследователь движется вместе с шаром. Этот второй исследователь, совершенно так же, как и первый, зажигает на одно мгновение источник света и точ­но так же наблюдает дальнейшие явления. Спрашивается: увидит ли наблюдатель в движущемся шаре также всю ша­ровую поверхность одновременно, или он увидит нечто иное? На этот вопрос физики различных времён ответили бы различно.

Ньютон, основываясь на своей теории истечения, ска­зал бы: наблюдатель в движущемся шаре увидит абсолютно то же самое, что и наблюдатель в покоящемся шаре, по­скольку распространение света от лампы и отражение его от внутренней поверхности такого шара - явление чисто ме­ханическое, подобное игре в мяч; лампа бросает световые частицы в пустоту, по направлению к стене, а от стены они упруго отскакивают обратно по направлению к лампе. Подобная игра в мяч не меняется от того, где она происхо­дит, - в неподвижной ли комнате или в комнате, движу­щейся с равномерной скоростью.

Френель - один из основателей современной теории света – сказал бы: нет, наблюдатель в движущемся шаре увидит нечто совсем иное, чем наблюдатель в шаре непод­вижном.
Он увидит следующее: сначала лампу, затем при­близительно два часа будет царить темнота; потом он уви­дит, как вспыхнет экватор шара (назовём так тот большой круг шара, который перпендикулярен направлению дви­жения шара), затем ему будут видны два круга широты, рас­положенных симметрично по обеим сторонам экватора. Эти два светлых круга распространяются симметрично по на­правлению к полюсам. Наконец вспыхнут одновременно оба полюса шара; вслед за этим всё снова погрузится во мрак.

Откуда берётся у Френеля эта удивительная картина?

У Френеля есть следующая гипотеза о природе распро­странения света: все мировое пространство заполнено эфи­ром, который находится в покое относительно неподвиж­ных звёзд. Тела свободно движутся сквозь этот эфир, не увлекая его за собой. Когда лампа испускает свет, она изме­няет состояние эфира, и возбуждаемые ею изменения пере­даются в эфир по всем направлениям, подобно тому как пе­редаётся толчок в упругом теле.

Допустим, что полый шар с наблюдателем неподвижен от­носительно эфира. Световое возбуждение образует в таком случае шаровую волну, которая разбегается симметрично от центра полого шара; в некоторый момент она коснётся внут­ренней поверхности шара и затем, симметрично сжимаясь, вернётся в центр его.

Совершенно иначе дело обстоит со вторым шаром, ко­торый вместе с наблюдателем движется чрезвычайно быстро через неподвижный эфир. Наблюдатель при этом находится в таком положении, в котором он находился бы на мосту, перекинутом через мощный и равномерно текущий поток; через его быстро движущуюся шаровую лабораторию точно так же мчится неподвижный эфир. Что произойдет, однако, если мы бросим камень с моста в поток? По поверхности во­ды будут распространяться круговые волны, которые поток будет увлекать за собой. Точно так же вспышка света от лампы распространяется в эфире в форме шаровой волны и точно так же, как эта шаровая волна деформируется эфир­ным ветром, дующим через шаровую лабораторию. При этом распространение и отражение световой волны происходит уже не так симметрично относительно центра полого шара. При помощи элементарного расчета можно установить, ка­кие части световой волны вернутся к наблюдателю раньше, какие позже.

Из этих соображений и вытекает та картина, которая бы­ла нарисована выше. А именно: наблюдатель в движущемся шаре увидит сначала экватор, затем круги широт и наконец только оба полюса. Таков прогноз, поставленный на осно­вании гипотезы Френеля о неподвижном эфире.

Стокс предполагает, что тела увлекают с собой в своём движении находящийся в них световой эфир. Если же вместе с движущейся шаровой лабораторией перемещается и эфир, в ней заключённый, то само собой разумеется, что наблю­датель в движущемся шаре увидит то же, что и наблюдатель в шаре покоящемся.

Резюмируя всё сказанное, мы приходим к следующему выводу.

Теория истечения Ньютона и теория Стокса об увлекае­мом эфире говорят нам: наблюдатель в движущемся шаре видит совершенно то же самое, что и наблюдатель в покоя­щемся шаре.

Наоборот, теория Френеля о неподвижном эфире утверж­дает, что второй наблюдатель видит совершенно определён­ную иную картину.

Какому предсказанию следует верить?

Насколько вообще достоверны эти три различные теории света?

Что касается теории истечения Ньютона, то о ней всем из­вестно следующее: в течение всего XVIII столетия она гос­подствовала неограниченно. В начале XIX столетия ее внезапно и целиком вытеснила теория эфира. Как извест­но, веские причины заставили физиков быстро и радикаль­но отказаться от теории истечения. Мы не можем обсуждать здесь эти причины.

Теория эфира постепенно заняла прямо-таки господст­вующее положение во всех областях физики. Особенно со времени работ Максвелла и Герца, которые с полной оче­видностью показали, что оптические явления представляют собой не что иное, как частный случай электромагнитных волн, т. е. что световые волны не что иное, как очень корот­кие электромагнитные волны. Потому-то, таким образом, световой эфир явился носителем всех вообще электромаг­нитных явлений.

В эфирной теории существовали, однако, две различные точки зрения, между которыми спор не был решён почти до конца XIX столетия. Стоит ли эфир неподвижно, или каж­дое тело увлекает за собой находящийся в нем эфир? В дальнейшем изложении мы будем обе эти теории называть сокращённо теорией неподвижного эфира и теорией увле­каемого эфира.

Охарактеризуем в существенных чертах борьбу этих двух теорий и окончательную победу теории неподвижного эфира. Гипотезу об увлекаемом эфире особенно поддержи­вал Стокс в области оптических явлений. В частности, Стокс считал, что Земля в своём движении вокруг Солнца увлекает свой эфир за собой совершенно так же, как и воздушную атмосферу. Герц распространил в 1890 г. гипо­тезу об увлекаемом эфире с оптики на теорию всех электро­магнитных явлений вообще. Гипотезу о неподвижном шаре поддерживал в области оптических явлений Френель. По его теории, Земля скользит сквозь неподвижный эфир при своём движении вокруг Солнца. Лоренц распространил также в 90-х годах гипотезу о неподвижном эфире с оптичес­ких явлений на электромагнитные явления вообще.

Какие решающие мотивы способствовали победе непод­вижного эфира теории Френеля - Лоренца над увлекаемым эфиром теории Стокса - Герца?

1. Лоренц доказал: измеряемая астрономами аберрация света, испускаемого звёздами, не согласуется с гипотезой Стокса о том, что Земля увлекает за собой свою эфирную обо­лочку. Если, наоборот, допустить, по Френелю, что Земля скользит сквозь неподвижный эфир, то величина наблю­даемой аберрации согласуется с теоретическим подсчётом её.

2. Физо опытным путём установил, что скорость света в текущей воде больше, нежели в воде стоячей, и превышает её на совершенно определённую часть скорости течения воды.

Существенное преимущество теории Лоренца заключает­ся в том, что она смогла дать отчётливое и количественно сог­ласное с опытными данными объяснение этого явления. Теория же увлекаемого эфира совсем противоречит результатам Физо; по этой теории скорость света в текущей воде должна, очевидно, превышать скорость света в воде непод­вижной на полною скорость течения воды.

3. В то время, когда победа теории Лоренца была уже обеспечена её многосторонними успехами, русскому физи­ку Эйхенвальду удалось поставить ещё один опыт, красиво подтверждающий эту теорию. Наэлектризованное тело при быстром движении влияет на магнитную стрелку, как маг­нит. Эйхенвальд подобрал такие условия опыта, при кото­рых по теории Лоренца получается для магнитной силы одно значение, а по теории Герца – другое. И в этом случае результаты опыта резко склонились в пользу неподвижного эфира и свидетельствовали против увлекаемого эфира.

Вернёмся теперь к нашему опыту с шаром и вспомним те три прогноза, которые ставят три теории света. Теория истечения Ньютона, равно как и теория Стокса – Герца, говорит: наблюдатель в движущемся шаре видит совершен­но то же самое, что и наблюдатель в покоящемся шаре. Мо­жем ли мы, однако, доверять предсказанию, основанному на теориях, от которых физики отказались? Конечно, нет. Что же говорит победоносная гипотеза о неподвижном эфире? По этой теории, как мы уже раньше видели, наблю­датель в движущемся шаре должен увидеть – благодаря эфирному ветру, дующему в его лаборатории, – нечто сов­сем иное, нежели наблюдатель в шаре неподвижном. Этого нам, значит, и следовало бы ожидать.

Наш опыт с шаром представляет собой в преувеличенном виде фактически произведённый опыт – знаменитый опыт Майкельсона. Майкельсон употребляет прибор лишь в не­сколько метров величиной, и прибор этот движется со ско­ростью одной десятитысячной скорости света в эфире, а именно он движется с нашей Землёй, которая как раз с этой скоростью вращается вокруг Солнца. При таких невыгод­ных условиях Майкельсону понадобились, конечно, неиз­меримо более чувствительные измерительные приспособле­ния, нежели при нашем «опыте с шаром». Принцип, однако, в обоих случаях один и тот же.

Мне поэтому позволительно будет для простоты рассуждать так, как если бы Майкельсон на самом деле произвёл непосредственно наш «опыт с шаром». Что он нашёл? Уда­лось ли ему действительно заметить, что полюса вспыхивают позже, нежели экватор, как это должно быть по теории не­подвижного эфира? Его установка была достаточно чув­ствительна, чтобы можно было заметить вычисленное за­паздывание, если таковое существует.

Известно, что Майкельсон не нашёл и следов этого ожи­даемого запаздывания. Известно также, что после него и другие исследователи производили и электрические и оп­тические опыты, с тем чтобы констатировать существование эфирного ветра, который должен дуть в наших лаборато­риях, если только Земля движется сквозь неподвижный эфир. Известно, далее, что все эти опыты над эфирным вет­ром неминуемо приводили к ясно выраженным отрицатель­ным результатам. Ни разу не удалось открыть хотя бы след эфирного ветра. И все же он мчится через наши лаборато­рии – и через этот зал – со скоростью, ровно в 1000 раз превышающей скорость курьерского поезда.

Как реагировали физики на этот всеобщий отрицатель­ный результат всех опытов над эфирным ветром? Как от­неслись они к эфирной гипотезе?

Я постараюсь противопоставить друг другу важнейшие точки зрения; извините, что мне при этом придётся повто­рять хорошо знакомые вещи.

Остановимся прежде всего на точке зрения Лоренца, из­ложенной в его работе 1904 г.; к сожалению, здесь невозмож­но проследить за последовательным развитием этой точки зрения.

В этой работе Лоренца сохранена как гипотеза о непод­вижном эфире, так и другие основные гипотезы прежней теории. Поэтому сохраняют своё значение все те положе­ния, в которых теория Лоренца – в первоначальном виде – одержала верх над остальными.

Новым в этой работе является систематическое приме­нение двух, с формальной стороны простых гипотез, а именно гипотез о том, как меняются благодаря движению через эфир:

1) междумолекулярные силы;

2) геометрическая форма электронов.

Обе эти гипотезы удивительным образом в корне унич­тожают противоречие между гипотезой о неподвижном эфире и резко отрицательными результатами всех опытов над эфирным ветром. Противоречие исчезло бесследно.

Исходя из вышеупомянутых основных предположений, работа 1904 г. чисто дедуктивно доказывает для очень большого класса опытов следующую теорему: допустим, что лаборатория движется сквозь эфир с произвольно большой скоростью (не превышающей, однако, скорости света). Если какой-нибудь исследователь в такой лаборатории произведёт опыт, то, по его наблюдениям, этот опыт будет протекать совершенно так же, как если бы его лаборатория стояла неподвижно по отношению к эфиру. В дальнейшем изложении я буду эту теорему кратко называть «теоремой 1904 года».

Полезно продумать применение этой теоремы к совер­шенно специальным случаям. Тогда можно на своеобразной картине проследить, каким образом эти гипотезы в самом деле помогают скрыть от наблюдателя эфирный ветер.

Позвольте несколькими резкими штрихами набросать получающуюся при этом картину: эфирный ветер нарушает ход того явления, которое исследователь наблюдает; но тот же ветер портит, так сказать, и измерительные приборы наблюдателя: он деформирует меры длины, меняет ход ча­сов, напряжение пружины в пружинных весах и т. п.

Всё это достигается благодаря названным основным ги­потезам, в частности гипотезе о том, что движение через эфир изменяет силу притяжения между молекулами.

Если поэтому исследователь наблюдает изменённые эфирным ветром явления при помощи своих, тем же эфир­ным ветром испорченных приборов, то он увидит абсолютно то же, что увидел бы наблюдатель покоящийся, наблюдающий явления, ничем не нарушенные, при помощи ничем не испорченных приборов.

Изумительно, что это следствие можно было строго до­казать для очень большой группы опытов, пользуясь та­ким небольшим числом основных допущений. Удивительно, что вообще оказалось возможным провести подобную не­прерывную цепь рассуждений.

Было бы нескромностью с моей стороны, если бы я за­хотел при помощи какого-нибудь эпитета выразить оценку метода, при помощи которого Лоренц справился с этой задачей.

Что касается нашего «опыта с шаром», то на нём легко уяснить себе содержание теоремы 1904 г. На основании теории о неподвижном эфире мы полагали, что наблюдатель в движущемся шаре увидит полюсы шара позже, нежели экватор; эфирный ветер деформирует волну, посылаемую лампой. На основании же гипотезы о том, что эфирный ве­тер нарушает молекулярные силы, мы можем рассчитать, как эфирный ветер деформирует большой шар; как бы мы его ни поворачивали, он всегда окажется сплюснутым в направлении движения; следовательно, полюсы лежат бли­же к центру, нежели экватор, и как раз на такое расстоя­ние, что наблюдатель увидит оба полюса одновременно с экватором. Совершенно так же, как и наблюдатель в непод­вижном шаре.

Основные гипотезы работы 1904 г. дают возможность и во всех остальных опытах над эфирным ветром скрыть его действие от наблюдателя.

Из сказанного видно, что работа Лоренца 1904 г. ука­зывает возможность выхода из того затруднительного по­ложения, в которое попала гипотеза об эфире. Но не все физики были удовлетворены этим решением.

Мы должны затронуть теперь те две точки зрения, кото­рые опубликованы Эйнштейном в 1905 г. и Ритцем в 1908 г. К сожалению, мы не имеем возможности в рамках этой речи детально обсуждать эти точки зрения. Мы ограничимся лишь указанием на те их отличительные черты, которые определяют их значение в кризисе гипотезы об эфире.

Отрицательные следствия всех опытов над эфирным вет­ром приводят обоих авторов к убеждению, что эфира вооб­ще не существует. Пространство между телами пусто. Элект­роны тел посылают друг другу сквозь пустоту электромаг­нитные импульсы и свет. Оба автора подчеркивают, что их теории возвращаются к теории истечения Ньютона и про­тивоположны эфирной теории Лоренца.

Несмотря на эти общие черты, между точками зрения Эйнштейна и Ритца существует глубокая разница. Её легче всего обнаружить при следующей постановке вопроса.

Один источник света ^ А стоит перед нами неподвижно, второй источник света В движется с большой скоростью по направлению к нам. Пропустим световые лучи от обоих источников через пустую трубу, спокойно лежащую перед нами, и измерим, одинаково ли быстро оба луча пробегают через трубу. Какой мы получим результат? Эфирная теория Лоренца говорит нам: «одинаково быстро» с таким обосно­ванием: свет от обоих источников распространяется в одном и том же эфире.

Теория истечения Ритца, отрицающая эфир, говорит: свет от движущегося на нас источника света проходит через трубу с большей скоростью, нежели свет от источника не­подвижного. Обоснование: свет от источников летит в про­странство, подобно осколкам от лопнувшей бомбы. Но ос­колки бомбы, движущейся на нас, летят через трубу, ко­нечно, с большей скоростью, нежели осколки бомбы, ко­торая взрывается, спокойно лёжа перед нами.

Наконец, теория истечения Эйнштейна, отрицающая эфир, говорит: одинаково быстро. Почему? Объяснение не приводится. Эйнштейн ставит это утверждение как постулат во главе своей теории, в этом и состоит его «постулат о по­стоянстве скорости света».

Мы видим, следовательно, что отрицающая эфир теория Эйнштейна требует того же, что и эфирная теория Лоренца. На этом основании наблюдатель должен, по теории Эйн­штейна, наблюдать на движущихся мимо него мерах длины, часах и пр. те же сокращения, разности ходов и т. п., как и по теории Лоренца. Заметим при этом, что принципиально невозможен такой experimentum crucis1, который решил бы спор в пользу той или другой теории.

В теории Ритца нет речи о сокращении твёрдых тел, из­менениях в ходе часов и т. п. Именно потому, что она от­брасывает положение (заимствованное из эфирной теории) о постоянстве скорости света и заменяет его положением, соответствующим теории истечения Ньютона. При этом можно придумать такие experimento crucis, которые по­могли бы решить вопрос или в пользу точки зрения Ритца, с одной стороны, или же в пользу взглядов Лоренца и Эйн­штейна – с другой. Таким experimentum crucis мог бы прежде всего служить вышеупомянутый опыт с двумя ис­точниками света.

Опыт этот не произведён, потому что он требует от изме­рительной техники такой точности, которой мы при совре­менных наших приборах не располагаем2.

Представим себе, однако, на мгновение, что не сегодня-завтра удастся преодолеть все трудности этого, в настоящий момент ещё утопического, опыта. И положим, что – horribile dictu3 – получился бы результат, согласный с тео­рией Ритца: эфирной гипотезе был бы нанесён тяжёлый удар. Тогда мы охотно согласились бы, что свет бросается через пустоту, и тем самым мы встали бы вообще на точку зрения теории Ритца.

Заметьте, однако, что от нас требуют совсем иного, когда нам предлагают отрицать эфир вместе с Эйнштейном. По­тому что тогда мы должны подписаться под следующими тремя положениями:

1. Источники света посылают нам световые сигналы через пустое пространство в виде самостоятельно существующих образов.

2. Скорость света должна получаться одна и та же, как при измерениях над светом от источника, на нас двигающе­гося, так и от источника, находящегося в покое.

3. Мы признаём, что сочетание этих обоих положений удовлетворяет нас.

Многоуважаемые слушатели! Я намеренно избегаю каких-либо определённых утверждений относительно того, какого выхода из создавшегося критического положения следует ждать. В мою задачу входило только нарисовать это критическое положение и дать выражение моему убежде­нию, что пока у нас нет ещё вполне удовлетворительного выхода из него.

Я не коснулся в настоящем изложении той сложной груп­пы вопросов, которая, может быть, возьмёт на себя в даль­нейшей судьбе эфирной гипотезы наиболее видную роль, – я говорю о том запутанном клубке задач, что в настоящее время связывают с боевым названием атомы света. Этой группы вопросов я здесь не мог коснуться, так как они ещё недостаточно выяснены. Я ограничился в этой речи лишь теми точками зрения, к которым приводят отрица­тельные следствия всех опытов над эфирным ветром. Для всестороннего освещения положения вещей мне было не­обходимо сопоставить детально разработанные теории Ло­ренца и Эйнштейна с набросками положений Ритца. Смерть лишила Ритца возможности развить свои идеи, и мы не знаем, как бы ему удалось преодолеть те затруднения, на которые мы наталкиваемся при первых же попытках вос­полнить пробелы в его работе.

Во всяком случае, следует обратить внимание на эту точку зрения, из которой исходил Ритц: он начал создавать теорию, избегая тех сокращений и иных изменений в дви­жущихся измерительных приборах, которые так характер­ны для теорий Лоренца и Эйнштейна.

^ 1913

1 решающий опыт (лат.) – (здесь и далее примечания не П.Эренфеста, но советских редакторов, ошибочно считавших, что наблюдения двойных звёзд противоречат теории Ритца – С.С.)

2 Профессор де Ситтер (Лейденский университет) успел за это вре­мя доказать, что можно на основании астрономических наблюде­ний над двойными звёздами с чрезвычайно большой точностью по­казать, что скорость, с которой до нас доносится свет от движу­щейся звезды, независима от скорости этой звезды – в противо­речии с теорией (см.: ЖРФХО, 1913, 45, стр. 147.) Выполнение чрезвычайно затруднительных опытов, предложенных для реше­ния выбора между теориями Ритца, с одной стороны, и Лоренца Эйнштейна, – с другой (см., например: R. С. Tolman. «Phy­sical Review», 1912, 35, р.137), представляется, таким образом, излишним.

3 страшно сказать (лат.)




Похожие:

П. Эренфест iconЭренфест–Иоффе научная переписка (М.: Наука, 1973. – фрагменты из книги) стр. 8
...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов