Глава вторая. Теории эфира и материи на пороге XX столетия

Идеи Лоренца и Лармора

Одной из важнейших проблем, решения которых физики ожидали от XX столетия, была проблема эфира и отношения его к обычной "весомой" материи. Сюда относился, прежде всего, вопрос об участии эфира в движении тел. На пороге XX столетия появились две фундаментальные работы, поставившие целью разработать электромагнитную теорию материи и эфира, удовлетворяющую всем известным экспериментальным фактам, и прежде всего оптическим явлениям в движущихся телах. Это были упоминавшиеся уже нами во втором томе классическая работа Г. А. Лоренца "Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах", опубликованная в 1895 г., и книга Д. Д. Лармора "Эфир и материя", вышедшая в 1900 г., но написанная в 1898 г. на основании ларморовских статей 1894-1897 гг. Влияние обеих этих работ на развитие физических идей было неодинаково. Работа Лоренца часто цитировалась и является одной из самых известных его работ. Книга же Лармора была забыта, и, кроме "прецессии Лармора", пожалуй, ни один из ее результатов не упоминался в последующих работах физиков XX в. Виною этому была трудность книги. Изложение Лармора очень тяжелое и запутанное. Борн, который слушал лекции Лармора в студенческие годы, называл его курс для себя "бесполезным". "Я нашел его ирландский диалект очень трудным для понимания",- писал он.

Один из современных авторов Уайт (White), увидевший в книге Лармора начало фундаментальных идей современной физики, писал: "Тщательное изучение Лармором исторического развития своего предмета, ничего не упуская из его скрытых трудностей, делает чтение (его книги) очень тяжелым для того, кто предпочитает достигнутую с того времени ясность. Даже лучшие умы находили "Эфир и материю" неудобоваримыми". Однако в тяжеловесном изложении Лармора скрывались очень глубокие мысли и тот факт, что Лармор был предшественником теории относительности, ныне является общепризнанным. Вместе с тем идеи Лоренца и Лармора при всем различии подхода их авторов часто очень близки и сопоставление результатов Лоренца и Лармора весьма поучительно.

Книга Лоренца содержит "Введение" и шесть глав. Лоренц начинает свое "Введение" с указания на важность вопроса об участии эфира в движении весомых тел, отмечая при этом, что физики еще не дали удовлетворительного ответа на этот вопрос. Сам Лоренц указывает, что он склоняется к убеждению в правильности теории Френеля, которую он называет теорией неподвижного эфира. Эфир проходит беспрепятственно через движущуюся материю, не увлекаясь ею. Лоренц разбирает две возможности осуществления этого; во-первых, атомы могут быть непроницаемы для эфира, но тело в целом ввиду малости атомов по сравнению с их взаимным расстоянием проницаемо для эфира. Другая возможность - "и я кладу ее в основу последующего",- говорит Лоренц, состоит в том, "что весомая материя абсолютно проницаема, а именно в месте каждого атома одновременно существует и эфир, что будет понятно, если рассматривать атомы как местные модификации эфира".

Такой взгляд на атомы усваивает и Лармор, считая электроны и атомы ядрами напряжений в эфире.

Утверждая неподвижность эфира, Лоренц отнюдь не считал его абсолютно неподвижной системой отсчета. Во "Введении" он пишет: "Что об абсолютном (курсив Лоренца.- П. К.) покое эфира не может быть и речи, ясно само собой; это выражение даже не имеет никакого смысла (курсив мой.- П. К.). Если я, ради краткости, говорю, что эфир покоится, то это следует понимать в том смысле, что ни одна часть этой среды не смещается относительно других и что все реальные движения небесных тел являются движениями относительно эфира".

Эфир Лоренца - это преимущественная система отсчета, в которой описание механических и электромагнитных явлений выглядит особенно простым. Вопрос об абсолютном покое эфира по Лоренцу физически бессмыслен.

В дальнейших частях своего "Введения" Лоренц обосновывает необходимость введения представления о заряженных частицах материи -o ионах. Эту необходимость он обосновывает не только фактами электролиза, но и явлениями разряда в газах. В своей теории Лоренц сочетает воззрения Максвелла со старыми теориями Вебера и Клаузиуса, не принимая, однако, характерного для последних теорий мгновенного дальнодействия. Теория Лоренца - это попытка осуществить синтез между Максвелловской теорией континуума и теорией атомистической структуры материи. Эту же задачу в качестве основной выдвигает и Лармор.

Со времен Максвелла теория макроскопического континуума становится электромагнитной. С другой стороны, атомистика прочно утвердилась не только в теории материи, но и в теории электричества. Идея атомности электричества восходит еще к Дэви и Берцелиусу и органически вытекает из законов электролиза Фарадея. Это хорошо понимал сам Фарадей, который в "Экспериментальных исследованиях по электричеству" писал: "Если принять атомную теорию и соответствующие ей выражения, то атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними" (курсив мой - П. К.).

Однако Фарадей представляет себе трудности атомной теории вещества и электричества. "Но я должен сознаться, - заканчивает он,- что я с некоторым подозрением отношусь к термину атом, так как хотя об атомах очень легко говорить, но весьма трудно составить себе ясное представление об их природе, особенно когда дело идет о сложных веществах". Здесь Фарадей абсолютно прав. Трудности теории атомов оказались огромными, и только XX столетие сумело дать "ясное представление об их природе". Тем не менее именно Фарадей был первым, кто ввел в физику идею элементарного электрического заряда, играющую фундаментальную роль в электрической теории. Эта идея была также высказана и Максвеллом, говорившим о "молекуле электричества", что отмечает и Лармор. Электрическая атомистика была основной идеей веберовской электродинамики, а Гельмгольц, вновь вернувшись к фарадеевским законам электролиза, ясно и четко сформулировал понятие атомного заряда электричества. "Но только недавно,- пишет Лармор в Предисловии к своей книге,- были достигнуты некоторые успехи в развитии максвелловской теории эфира на этой основе". Здесь Лармор имеет в виду как работы Лоренца, так и свои собственные. Однако Лармор пошел дальше Лоренца и попытался более конкретно представить атомы материи, как "модификации в эфире". Для этого он хотел приспособить вихревой эфир Мак-Кёллога. Опираясь на вихревую модель эфира Мак-Кёллога, Лармор следующим образом рисует взаимоотношения материи и эфира:"Таким образом, строй идей, доведенный до его логического завершения, включая объяснение атомного характера самой материи, показывает, что материя должна состоять из изолированных частей, каждая из которых необходимо является постоянным ядром или особенностью в эфире и происходит из эфира, эту особенность можно уподобить, например, малому вихревому кольцу в совершенной жидкости или центру постоянного напряжения во вращающейся упругой среде. Отсюда, естественно, можно заключить, что последний атом электричества является одним из аспектов той сущности, которую образует последний атом материи..."

В особом примечании Лармор подчеркивает, что "цель гидродинамической модели вихревого эфира состоит не в представлении его действительной структуры, но в том, чтобы помочь нам понять, что схема математических соотношений, определяющих его активность, является истинной. Материя может быть и, вероятно, является структурой в эфире, но, конечно, эфир не является структурным образованием материи. Введение этой сверхчувственной среды, не являющейся обычной материей, конечно, может быть описано как введение последней реальности за нашими ощущениями; и фактически так может быть описан любой результат мышления, который является чем-то большим, чем описание или сравнение ощущений".

Отсюда ясно видно, что, во-первых, Лармор считает научное мышление чем-то большим, чем простое описание ощущений, как это думали махисты, и поэтому должно вводить "последнюю реальность" за нашими ощущениями, и, во-вторых, что этой последней реальностью является эфир, не сводимый к обычной чувственной материи. Этим он отмежевывается от попыток своих предшественников механически истолковать эфир и, по существу, начинает строить немеханическую теорию эфира, в которой гидродинамическая модель является только иллюстрацией математической схемы. Концепция Лармора является прямой предшественницей единой теории ноля Эйнштейна. Приведем в связи с этим изложение Ж. П. Вижье взглядов Эйнштейна: "В общей теории относительности Эйнштейн выдвинул мысль о том, что пространство и время нельзя отрывать от материи, и предложил ввести единое материальное поле (которое он описывал посредством геометрии Римана), поскольку материя существует в мире лишь в виде сингулярностей поля. Сущностью этого революционного шага Эйнштейна явилась его гениальная идея о том, что существуют не отдельные материальные точки, расположенные в "среде", а непрерывная среда, сингулярности которой и представляют материю в классическом смысле слова <...> В концепции Эйнштейна ... частица есть сингулярность, нечто вроде вихря, распространяющегося в поле, есть материя, не сохраняющая своей тождественности в процессе движения. Эйнштейн полагал, что сингулярность сохраняет свою форму, но материя не сохраняет своей идентичности, поскольку сингулярности перемещаются в поле. В этом состоит первый революционный шаг Эйнштейна.

Второй его тезис - это идея о том, что силы должны рассматриваться не как внешние по отношению к материи или среде, но как непосредственно отражающие все локальные превращения материи. Таким образом, он высказал мысль о том, что имеется единая среда и что эта единая среда обладает дифференциальными свойствами, которые можно описать так же, как я описываю, например, различные силы, связывающие элементы, молекулы воды в море. Смысл движения, его отношение с полем станут ясными, если мы вернемся к образу вихря, поскольку распространение вихря на поверхности моря подчиняется гидромеханическим законам"^*.

^* (Вопросы философии", 1962, № 10, стр. 96.)

Но именно эти революционные идеи и были высказаны Лармором. Как мы увидим далее, Лармор предшествует Эйнштейну и в установлении преобразований координат и времени, используемых в специальной теории относительности.

Электрический атом определяет активность эфира. Лармор задает вопрос: не могут ли быть найдены и другие формы активности, т. е. силовых взаимодействий? Такие поиски, по его мнению, сейчас преждевременны и напрасны. Как мы знаем, атомная физика нашла новые формы "активности": сильные и слабые взаимодействия, которые во времена Лармора еще не были найдены.

В историческом обзоре Лармор развивает свою концепцию более подробно. Указав, что идея атома электричества после фарадеевских законов электролиза никогда не оставлялась и даже термин "атом электричества" был введен в науку Максвеллом, он следующим образом характеризует развитие теории "электрифицированной материи" после Максвелла.

"Ход идей... потребовал от нас признания атомных зарядов сущностью всех последних субатомов, или, как мы их можем назвать, протионов, соединение которых посредством устойчивого орбитального движения друг вокруг друга производит обычную молекулу материи, так что передача электрического заряда включает в себя передачу или обмен этих протионов между молекулами, что всегда приводит к химическому изменению, как это требовал Фарадей по экспериментальным основаниям".

Этот образ вихревого атома, образованного вращающимися заряженными частицами, представляет собой одну из первых моделей "электрифицированной материи". "Положительный и отрицательный электроны могут описывать круговые орбиты друг около друга, которые будут устойчивыми, за исключением излучения, и образуют простейший тип молекулы" (атома).

Положительные и отрицательные заряды у Лармора связаны с движением и различаются свойством, которое он, следуя В. Томсону, называет "спиральностью" (chirally), от греческого слова χει - рука, и которое получило такое важное значение в современной теоретической физике. Лармор пишет: "Дуализм, возникающий из допущения двух родов электронов, отличающихся только спиральностью, так что один является отражением другого в плоском зеркале, не представляет ничего странного для тех физиков, которые хладнокровно рассматривают даже гипотезу о возможном существовании и положительной, и отрицательной материи".

Это изумительное высказывание конца прошлого столетия самым непосредственным образом перекликается с сегодняшним представлением об античастицах, о четности и о зарядовом сопряжении.

Сопоставим теперь содержание книг Лоренца и Лармора.

Как мы уже говорили, книга Лоренца содержит шесть глав, или разделов. Разделы эти носят названия: I. Основные уравнения для системы ионов, расположенных в эфире; II. Электрические явления в весомых телах, движущихся с постоянной скоростью через эфир; III. Исследование колебаний, возбуждаемых осциллирующими ионами; IV. Уравнение движения света в весомых телах; V. Применение к оптическим явлениям; VI. Опыты, которые не могут быть объяснены без новых исследований (ohne weiters).

Книга Лармора состоит из пяти разделов и дополнений к ним. Во "Введении" к книге Лармор следующим образом характеризует эти разделы: "В первом разделе дается исторический обзор прогресса экспериментальных знаний о влиянии движения материи через эфир на явления, непосредственно связанные с этой средой <...> К этому обзору добавляется общий очерк распространения волн и лучей в движущихся средах, который, хотя и был сперва написан совершенно самостоятельно, неизбежно следовал весьма близко тому же направлению, которое было дано в мемуаре Лоренца 1887 г.". Здесь Лармор имеет в виду работу Лоренца "О влиянии движения Земли на световые явления", напечатанную в голландском журнале "Archives Neerlandies".

"Второй раздел,- пишет Лармор,- развивает общую теорию соотношения между материей и эфиром, которая образует основу всей трактовки движущейся материальной среды". Лармор указывает, что хотя его анализ и отличен от анализа Лоренца в его "Опыте теории электрических и оптических явлений в движущихся телах", однако идеи и результаты, достигнутые им в существенном, согласуются с идеями и результатами Лоренца.

"Третий раздел построен на более спекулятивной основе. В нем развиваются следствия о влиянии конвекции в эфире, вытекающие из гипотезы, что атом материи образует не что иное, как орбитальную систему одинаковых первичных электрически заряженных точек (или электронов)". Лармор предполагает, что внутриатомные силы полностью или в главной своей части электромагнитные. "На этой основе устанавливается полное формальное соответствие между молекулярными конфигурациями неподвижной материальной системы и такой же системы, находящейся в равномерном прямолинейном движении, которое определяется квадратом отношения скорости системы к скорости излучения. Это соответствие влечет за собой в качестве следствия нулевой результат до второго порядка очень точного эксперимента Майкельсона и Морли, в котором исследовалось влияние движения Земли на оптическую интерференцию".

Четвертый раздел рассматривает влияние движения Земли на оптические явления вращательного характера (вращение плоскости поляризации).

"Пятый раздел трактует об излучении материальных систем". Лармор рассматривает излучение колеблющихся электронов и импульсивное излучение рентгеновских лучей. Этот раздел содержит основы классической теории излучения. Из сопоставления содержаний книг Лоренца и Лармора видно, что в основном они совпадают. Авторы с разных точек зрения рассматривают одну и ту же проблему.