Вадим Протасенко

          "А отец сказал рабам своим: принесите лучшую одежду и оденьте его, и дайте перстень на руку его и обувь на ноги; и приведите откормленного телёнка и заколите; станем есть и веселиться, ибо этот сын мой был мёртв и ожил, пропадал и нашёлся"

          ("Евангелие от Луки" Гл. 15. стих 22-24).

          Построив электродинамику движущихся тел, обходящуюся без понятия эфира, Эйнштейн поспешил объявить о скорой кончине данного физического понятия.

          В своих предыдущих "Заметках" я показал, что отказ от понятия эфира был вызван не невозможностью описания оптических и электромагнитных явлений в рамках эфирной концепции (как сейчас полагают многие), а тем, что Эйнштейн посчитал введение понятия эфира излишним, нарушающим математическую симметрию теории, а также тем, что денотат данного понятия, с учётом новых свойств, приписываемых эфиру для согласования концепции эфира с опытом, принципиально оказывался не обнаруживаем опытом, то есть эфир выходил за рамки физики в область метафизики.

          Свою изначальную позицию в вопросе эфира спустя 15 лет после создания СТО Эйнштейн описал так:

          "Пусть К — некоторая координатная система, относительно которой эфир Лоренца покоится; тогда уравнения Максвелла-Лоренца будут справедливы прежде всего относительно К. Но, согласно специальной теории относительности, те же самые уравнения в совершенно неизменном виде будут справедливы и относительно всякой другой координатной системы К`, движущейся равномерно и прямолинейно относительно К (ради ясности картины лучше было бы выразиться не "согласно специальной теории относительности", а по причине сокращения длины тел и замедления течения процессов на телах, движущихся в эфире" — В.П.). Теперь невольно возникает вопрос: почему мы должны приписывать системе К, в отличие от физически совершенно подобной ей системы К`, то свойство, что эфир относительно К неподвижен? Такая асимметрия теоретического построения, совершенно не опирающаяся ни на какую асимметрию опытных данных, недопустима. Мне кажется неприемлемой (хотя логически и не вполне ложной) физическая равноценность систем К и К` при одновременном допущении, что эфир покоится относительно системы К и движется относительно системы К`. В этом вопросе можно встать на следующую точку зрения: эфира вообще не существует" (Альберт Эйнштейн "Эфир и теория относительности" 1920 г. Собрание научных трудов, т. 1, Изд. "Наука" Москва 1965 г. стр. 685).

          Однако впоследствии при работе над общей теорией относительности Эйнштейн был вынужден вернуть в физику понятие эфира — эфир вернулся с некоторыми новыми свойствами и с новым именем: "поле". Посмотрим же как, а главное, почему состоялось это триумфальное возвращение.

          Начать повествование придётся издалека, со времён Ньютона. Ещё в своих "Математических началах натуральной философии" Ньютон отметил, что большинство фиксируемых человеком перемещений тел суть относительные перемещения (перемещения одних тел относительно других). Введение в физику понятия абсолютного пространства Ньютон всё же посчитал оправданным, поскольку, по его мнению, в ряде случаев движение относительно такового пространства может быть зафиксировано. Ньютон посчитал, что силы инерции (включая центробежные силы), возникающие при неравномерном движении тел, выдают "истинное" абсолютное, а не относительное перемещение тел. В доказательство этих своих заключений Ньютон привёл пример с ведром воды, подвешенным на верёвке к потолку. Если вращать такое висящее ведро вокруг вертикальной оси, то верёвка будет скручиваться и накапливать энергию упругости, и если затем дождаться, пока вода в ведре успокоится, и отпустить ведро, то силы упругости верёвки начнут раскручивать ведро в обратном предварительному вращению направлении. Под действием сил упругости верёвки в движение приходят сначала стенки ведра, вода же в ведре некоторое время остаётся в покое, при этом поверхность воды остаётся ровной (горизонтальной). На данном этапе опыта мы имеем дело, по мнению Ньютона, с относительным вращением воды (вращением воды относительно стенок ведра, если принять за систему отсчёта стенки ведра), и при этом на саму воду не действуют центробежные силы. Но по мере вращения стенок ведра вода увлекается вслед за стенками, при этом в воде возникают центробежные силы, которые поднимают воду у краёв ведра и опускают её уровень в центре, так что поверхность воды искривляется в форме блюдца. По мнению Ньютона, возникновение центробежных сил свидетельствует о том, что вода совершает уже не только относительное вращение (вращение относительно стенок ведра), но и абсолютное вращение, вращение относительно абсолютного пространства.

          Эрнст Мах в своей "Механике" указал на отступление Ньютоном в этих своих рассуждениях от твёрдого намерения во всех своих заключениях следовать только опыту. Мах обратил внимание читателей на то, что во всех экспериментах, из которых известно о возникновении сил инерции, всегда можно было указать тот объект, относительно которого совершалось движение, этот объект — "небо неподвижных звёзд". Когда в примере Ньютона вода покоится относительно "неба неподвижных звёзд", то в ней не возникают центробежные силы, когда же вода приходит во вращательное движение относительно "неба неподвижных звёзд", только тогда центробежные силы и проявляют себя. Ничего сверх этого из опыта не следует, а вывод Ньютона есть выход за пределы опыта. Мах написал, что для того чтобы из приводимого Ньютоном опыта мы вправе были сделать вывод о том, что причина центробежных сил заключена во вращении воды относительно некоего абсолютного пространства, необходимо было бы убедиться в том, что покой воды относительно этого абсолютного пространства и вращение "неба неподвижных звёзд" не вызывают точно таких же центробежных сил в покоящейся воде.

          "Если тело вращается относительно неба неподвижных звёзд, то развивается центробежные силы, а если оно вращается относительно какого-нибудь другого тела, а не относительно неба неподвижных звёзд, то таких центробежных сил нет. Я ничего не имею против того, чтобы первое вращение называли абсолютным, если только не забывать, что это означает ничто иное, как относительное вращение относительно неба неподвижных звёзд. Можем ли мы удержать неподвижным сосуд с водой Ньютона, заставить вращаться небо неподвижных звёзд и тогда доказать отсутствие центробежных сил? Опыт этот неосуществим, сама мысль о нём вообще не имеет никакого смысла, ибо оба случая чувственно не могут быть отличены друг от друга. Я считаю поэтому оба случая за один и тот же случай и различение Ньютона за иллюзию" (Э.Мах "Механика. Историко-критический очерк её развития" 1883 г. (Цитируется по изданию: Ижевск, 2000, стр. 202)).

          Мах также отметил, что из одного только приведённого Ньютоном опыта мы не вправе делать заключения о том, как поведёт себя вода в ведре, покоящаяся относительно "неба неподвижных звёзд", если мы станем утолщать вращающиеся стенки ведра до значительных величин. Не возникнут ли в покоящейся воде центробежные силы, если мы увеличим вращающиеся стенки сосуда сверх какого-то предела? Один только опыт Ньютона с ведром ответа на этот вопрос дать не может.

          Следует признать, что логика Маха убедительна. Опыт действительно не позволяет нам связывать силы инерции с движением относительно абсолютного пространства, а точнее, этот опыт не даёт права вводить в обращение понятие абсолютного пространства, как это сделал Ньютон. Всё, что мы вправе без собственного произвола заключить из опыта, так это то, что неравномерное движение тел относительно "неба неподвижных звёзд" или, если пользоваться современным языком, относительно остальных масс Вселенной, сопровождается возникновением сил инерции.

          В то время, когда Эйнштейн занимался разработкой специальной теории относительности, эти рассуждения Маха были ему, безусловно, известны, а потому факт наличия в природе сил инерции не мог поколебать убеждённости Эйнштейна в универсальности принципа относительности и в отсутствии абсолютного пространства (а также и эфира как его заменителя). Эфир "подкрался" тут с той стороны, откуда его до возникновения специальной теории относительности никто не ждал.

          До появления специальной теории относительности гравитационное взаимодействие тел считалось мгновенным. Ньютон ввёл в физику представление о "дальнодействии" сил гравитации; согласно таким представлениям, удалённые друг от друга небесные тела могли воздействовать друг на друга непосредственно, без какого-либо посредника.

          В заключительной главе своей первой работы по теории относительности 1905 года "О динамике электрона" Анри Пуанкаре указал на то, что выполнение принципа относительности возможно только в том случае, если законы не только электромагнитного взаимодействия, но и взаимодействия любого другого рода, включая гравитационное, ковариантны относительно преобразований Лоренца. То есть распространение гравитационного взаимодействия должно осуществляться схожим с распространением электромагнитного взаимодействия образом, а следовательно, распространение гравитационного взаимодействия должно осуществляться с конечной скоростью. Пуанкаре математически доказал, что для соблюдения принципа относительности скорость распространения гравитационного действия должна быть равна скорости света.

          Если вернуться теперь к рассмотрению сил инерции и к положению о том, что возникновение сил инерции (включая центробежные силы) связано с неравномерным движением тела относительно "неба неподвижных звёзд" (удалённых масс Вселенной), то легко заметить, что такие представления подразумевает под собой именно мгновенное воздействие удалённых масс на тело. Например, как только тело приходит во вращение относительно "неба неподвижных звёзд", так тут же проявляют себя центробежные силы. Если причина этих сил заключена в самом вращение тела относительно "неба неподвижных звёзд", то, следовательно, "неподвижные звёзды" должны оказывать на вращающееся тело действие на расстоянии. Такое положение дел, безусловно, не могло удовлетворить Эйнштейна. Следование принципу относительности требовало введения между телом и "неподвижными звёздами" какого-то фактора, находящегося в непосредственной близости от тела и передающего на тело как гравитационное действие окружающих тело масс, так и обеспечивающего возникновение в теле сил инерции. Этот фактор-посредник по возвращении в физику получил имя "гравитационное поле".

          Согласно Эйнштейну, гравитационное поле есть некий материальный носитель гравитационного взаимодействия и инерциальных свойств пространства. Гравитационное поле распространено повсеместно в пространстве и задаёт его характеристики. Пространство характеризуется в каждой своей точке десятью функциями — гравитационными потенциалами, определяющими закон движения вещества и электромагнитного поля в этих точках. Согласно Эйнштейну, пространство немыслимо без гравитационного поля, и я не буду далёк от истинного положения дел в общей теории относительности, если стану утверждать, что гравитационное поле — это и есть пространство. Но в отличие от абсолютного пространства Ньютона или эфира Максвела-Лоренца гравитационное поле не только действует на вещество и электромагнитное поле, но и само подвержено обратному воздействию весомой материи: поле изменяет свои характеристики под его воздействием. Представления о гравитационном поле в этой части следует признать в большей степени соответствующими требованиям логики, предъявляемым к понятию "сущее", нежели ньютоновские представления об абсолютном пространстве — ибо представления о сущем, влияющем на другое сущее, но в то же время не подверженном обратному влиянию (как это имеет место в случае с абсолютным пространством), следует признать логически неудовлетворительными.

          Читателям моих "Заметок" может показаться, что эйнштейновское гравитационное поле есть тот же эфир, только "вид сбоку", а смена имени связана лишь с нежеланием Эйнштейна признавать собственные "ошибки молодости". Но такое заключение было бы не справедливым по отношению к Эйнштейну по нескольким причинам.

          Во-первых, сам Эйнштейн после создания ОТО не стеснялся признавать существование эфира и даже утверждал, что распространение электромагнитного взаимодействия, да даже и само существование пространства немыслимы без эфира.

          "Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле этого слова" (Альберт Эйнштейн "Эфир и теория относительности" 1920 г. Собрание научных трудов, т. 1, Изд. "Наука" Москва 1965 г. стр. 689).

          Во-вторых, следует помнить, что в "дорелятивистской" физике эфир мыслился исключительно в качестве среды — носителя электромагнитных волн; при этом сам эфир чаще всего понимался сугубо механистически: частицы эфира не имели принципиальных отличий от частиц вещества, они подчинялись тем же законам динамики — эфир же представлялся в виде либо газа, либо жидкости, либо даже твёрдого тела. "Дорелятивистская" физика считала своим долгом свести все явления Мира к механическим явлениям. В своей первой работе по теории относительности Эйнштейн отказал в существовании в первую очередь именно такому "механическому" эфиру. При этом Эйнштейн употреблял такую словесную конструкцию, как "распространение света в пустоте". Отрицая эфир, Эйнштейн, по сути, убрал из пустого пространства некоторую механическую среду, оставив только само пустое пространство: в те времена Эйнштейн ещё просто не отдавал себе отчёта в том, что пустое пространство — это не реальный объект, а лишь идеализация, что само "пустое" пространство — это и есть эфир.

          Осознать данный факт Эйнштейну помогла работа над общей теорией относительности. И хотя отказ от механистических представлений об эфире наметился ещё до Эйнштейна (электродинамика Лоренца уже не пыталась объяснить электромагнитные явления механическими свойствами частиц эфира — Лоренц двигался, скорее, в обратном направлении, в направлении объяснения механических свойств вещества электромагнитными свойствами эфира), Эйнштейн пошёл в своих представлениях гораздо дальше предшественников и написал о различиях между веществом и гравитационном полем как о различиях между двумя формами материи. Гравитационное поле Эйнштейна уже трудно назвать эфиром в том смысле, который в данное понятие вкладывался даже в самых прогрессивных "дорелятивистских" представлениях. По мнению Эйнштейна, свойства поля (не только гравитационного, но и электромагнитного, которое мыслится существующим наряду с гравитационным эфиром как самостоятельная реальность) не просто несводимы к свойствам вещества, но поле даже теряет то общее, что было свойственно всем уровням организации материи, известным ранее, а именно: свойство состоять из частей, перемещение которых в пространстве и времени можно наблюдать.

          "Обобщая, мы можем сказать: путём расширения понятия физического объекта можно представить себе такие объекты, к которым нельзя применить понятие движения. Эти объекты нельзя мыслить состоящими из частиц, поведение каждой из которых поддаётся исследованию во времени." "Специальная теория относительности запрещает считать эфир состоящим из частиц, поведение которых во времени можно наблюдать" (Альберт Эйнштейн "Эфир и теория относительности" 1920 г. Собрание научных трудов, т. 1, Изд. "Наука" Москва 1965 г. стр. 686).

          Следует ли из данных слов Эйнштейна делать вывод, что теория относительности разрешает считать эфир состоящим из частиц, поведение которых во времени нельзя наблюдать? Или же запрет накладывается на само слово "часть"? Полагал ли Эйнштейн, что эфир не имеет внутренней структуры? Или же ограничения накладываются только на возможность наблюдения этой структуры? Мне кажется, воззрения Эйнштейна были не столь радикальны, чтобы полагать существующими объекты, не имеющие внутренней структуры — тем более, что понятие "структура эфира" Эйнштейн всё же употреблял (правда, в несколько ином смысле). Бесструктурный (не состоящий из частей) объект не мог бы изменяться под воздействием вещества (чему в таком объекте изменяться, если отсутствует структура (части) объекта?), как это предполагается в общей теории относительности в случае с гравитационным эфиром. И уж тем более бесструктурный пространственно протяжённый объект никак не мог бы иметь различные свойства в каждой точке пространства.

          "Эфир общей теории относительности отличается от эфира Лоренца тем, что его состояние в любом месте динамически определяется с помощью дифференциальных уравнений материей и состоянием эфира в соседних точках, в то время как состояние эфира Лоренца в случае отсутствия электромагнитных полей ни от чего, кроме самого эфира, не зависит и всюду одно и то же" (Альберт Эйнштейн "Эфир и теория относительности" 1920 г. Собрание научных трудов, т. 1, Изд. "Наука" Москва 1965 г. стр. 688).

          Что имел в виду Эйнштейн под физическими объектами, которые нельзя считать состоящими из частей, движение каждой из которых в пространстве и времени можно проследить, лучше всего могут, наверное, передать вот эти его рассуждения:

          "Представим себе волны на поверхности воды. В этом явлении можно различить две стороны. Прежде всего можно исследовать, как с течением времени меняется волнистая поверхность, разделяющая воду и воздух. Но можно также — например, при помощи маленьких плавающих тел — исследовать, как изменяется с течением времени положение отдельных частиц воды. Однако предположим, что мы принципиально отказываемся от применения таких плавающих тел для исследования движения частиц воды; тогда мы сможем во всём явлении заметить только изменения во времени пространственного положения поверхности воды; в таком случае у нас нет никаких основания предполагать, что вода состоит из подвижных частиц. Но мы всё же можем спокойно считать воду непрерывной средой" (Альберт Эйнштейн "Эфир и теория относительности" 1920 г. Собрание научных трудов, т. 1, Изд. "Наука" Москва 1965 г. стр. 686).

          Итак, вода состоит из частиц, но мы можем СЧИТАТЬ воду непрерывной средой (то есть можем не пытаться различать движение её частиц). На мой взгляд, ключевым тут является именно слово "считать", так как предполагать реальное отсутствие у среды структуры значило бы предполагать, что в мире возможно существование объектов, само понятие о которых логически противоречиво.

          Поясню, как аналогию Эйнштейна с отказом от исследования поведения частиц воды с помощью маленьких плавающих тел (для краткости я назову их поплавками) следует трактовать в отношении эфира. В случае с эфиром отказ этот не намеренный, а вынужденный, ибо мы не имеем никакого аналога "плавающих тел", позволившего бы опытным путём проследить перемещение частиц эфира в пространстве. Всё, что доступно нашему наблюдению, есть перемещение вещества и электромагнитных волн относительно вещества, поэтому в качестве "поплавков" в эфире мы можем использовать только частицы вещества. Но, как следует из специальной теории относительности, равномерное движение вещества относительно эфира никак себя не проявляет, мы не имеем никакой возможности определить, покоится вещество относительно эфира или перемещается. Таким образом, возможное равномерное перемещение частиц эфира по отношению к весомой материи принципиально нельзя зафиксировать — следовательно, мы не располагаем никакой возможностью отследить движение частей эфира. Всё, что мы можем знать о свойствах эфира в некоторой точке — это десять функций, так называемых "гравитационных потенциалов", полностью определяющих воздействие эфира на характеристики движения весомой материи и электромагнитных волн в данной точке. Если бы в аналогии Эйнштейна с водой исследованию поддавалась лишь поверхность воды, её геометрия, а движение частиц воды никак не отражалось бы на движении "поплавков", то мы могли бы считать частицы воды как покоящимися относительно определённого "поплавка", так и перемещающимися мимо него — от этого поведение "поплавка" никак не зависело бы. Согласно Эйнштейну, в таких условиях правильнее вообще отказаться от того, чтобы полагать воду состоящей из движущихся частиц и считать её сплошной средой, воздействие которой на мир плавающих тел ограничивается формой её поверхности. И я, пожалуй, готов согласиться с такой постановкой вопроса в отношении гравитационного эфира — но только при условии, что мы не будем забывать о том, что "сплошная среда" — это всего лишь идеализация, физическая модель, весьма далёкая от реальной сущности, для описания которой она и была введена в физику.

          Итак, изначально в процессе работы над СТО Эйнштейн отверг эфир как таковой, но впоследствии при работе над ОТО Эйнштейн вынужден был вернуть эфир на причитающееся тому место. Однако в ходе этих своих мытарств эфир кое-что подрастерял, а именно: наблюдаемую внутреннюю структуру. Эфир отвоевал себе право на существование и даже право на прописку или, выражаясь в духе новых российских законов, регистрацию по месту пребывания (положение эфира, выражающееся в распределение его характеристик в пространстве, оказалось тесно связанным с положением гравитационных масс вещества). Вместе с тем Эйнштейн остался в убеждении, что исследователи не вправе делать каких-либо заключений о положении в пространстве частей эфира, и уж тем более об их перемещении в пространстве и времени.

          2 августа 2006 г.