Теория релятивистского Эфира.

Эфир и теория относительности.

Не так давно исполнилось 100 лет со дня опубликования А.Эйнштейном Специальной Теории Относительности. С тех пор ее основные положения закрепились в качестве основополагающих принципов во всех современных физических теориях. Тем не менее, как вокруг ее постулатов, так и ряда конкретных следствий не утихают споры.
Одним из узловых моментов в размежевании сторонников ТО и ее противников прослеживается отношение к существованию Эфира как «абсолютной» системы отсчета (АСО) и среды – носителя взаимодействий.
Вместе с тем в своей основополагающей работе по Теории Относительности «К электродинамике движущихся тел»
(Собрание Сочинений1956 г. Т.1, стр. 6-35. Первопубликация: Ann. Phys., 1905, 17, 891-921
http://ivanik3.narod.ru/TO/06-35CCAE.pdf)
А.Эйнштейн отношение теории к Эфиру формулирует весьма корректно: «Введение «светоносного эфира» окажется при этом излишним, поскольку в предлагаемой теории не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделенное особыми свойствами, а также ни одной точке пустого пространства, в котором протекают электромагнитные процессы, не приписывается какой-нибудь вектор скорости.»
Таким образом, ссылки на несовместимость самого понятия «Эфира» с СТО неимоверно преувеличены противниками теории. Теория просто не нуждается в эфире. При этом надо учитывать, что под термином «эфир» в то время понималась вполне определенная материальная субстанция с устоявшимися к тому времени представлениями о ее свойствах. То есть вопрос о наличии эфира понимался как принятие или отрицание установившегося к тому времени классического физического понятия. Подход Эйнштейна, сформулированный им как «введение эфира излишне» для СТО просто выводит решение вопроса о существоании эфира за рамки теории. В дальнейшем сам Эйнштейн уточнял, что для согласования с ТО следует не отказываться от эфира как носителя взаимодействий вообще, а всего лишь уточнять его свойства:
Собрание Сочинений1956 г. Т.1, Стр.682-689. (Речь, произнесенная 5 мая 1920 г. в Лейденском университете по поводу избрания Эйнштейна почетным профессором этого университета.) - 508 Кб.
(см. Приложение)
Несмотря на вполне взвешенное отношение автора Теории Относительности к вопросу о существовании эфира, периодически появляющиеся сообщения об обнаружении «эфирного ветра», равно как и последующие опровержения или критика этих экспериментов, как правило, неизменно связываются оппонентами с «опровержением» или «подтверждением» Теории Относительности. Но наибольший вред ТО приносят поддавшиеся на провокацию оппонентов те ее сторонники, которые на полном серьезе связывают вопрос о наличии Эфира с состоятельностью теории, и поэтому вынуждены отстаивать якобы непреложный факт «отсутствия Эфира».
Ссылки на высказывания Эйнштейна в пользу существования Эфира часто интерпретируются как его «колебания», «непоследовательность» убеждений. Противниками ТО подобные цитаты приводятся как доказательство зыбкости его позиции, хотя при объективном подходе противоречие между признанием существования Эфира и СТО ими же самими искусственно раздуты.

Чаще всего сторонники альтернативных эфирных физических теорий однозначно связывают наличие Эфира с существованием Абсолютной Системы Отсчета (АСО), скорость которой можно было бы принять за эталон неподвижности, а все скорости тел в пространстве выражать относительно этой АСО.
При этом очевидна несостоятельность попыток абсолютизации скорости относительно Эфира в гипотезах, допускающих существование Эфира, «увлекаемого» массами планет и звезд (а среди «эфиристических» теорий таковых, пожалуй, большинство). Что же это за «Абсолютная Система Отсчета», части которой однозначно не определены по скорости друг относительно друга? Можно ли в принципе говорить о существовании «абсолютных скоростей» тел, если АСО принципиально неопределима во всем пространстве из-за разности скоростей «своих частей»?
Именно по этой причине в дальнейшем будем рассматривать неувлекаемый «застывший» Эфир и теории, основывающиеся на таком подходе, как единственно логически непротиворечивую «альтернативу» ТО в ее традиционном толковании.
Попробуем показать, что такой Эфир не является существенным «антагонистом» принципа относительности, если попытаться более четко уяснить его физико-механические свойства.
Попробуем «сконструировать» логически непротиворечивую модель Эфира, которую можно принять за универсальный носитель физических взаимодействий, одновременно не входящую в противоречие с принципами ТО. Для наглядности прибегнем к популярной у «эфиристов» аналогии с акустикой.


Ветер воздушный и эфирный.

Наиболее доступной средой-носителем акустических волн является воздух.
Попробуем рассмотреть, что же собой представляет самый обычный ветер в воздухе?
Привычная сводка погоды с указанием скорости ветра, например, 5 м/с, ни у кого не вызывает сомнения, что масса воздуха перемещается именно с такой скоростью.
Однако попробуем рассмотреть эту «массу» в молекулярном масштабе. Мы неизбежно придем к выводу, что НЕ СУЩЕСТВУЕТ ни одноого элемента этой массы, который бы имел скорость, хотя бы близкую по порядку к величине 5 м/с! Скорость ВСЕХ молекул воздуха на 2-3 порядка выше этой величины!
Объяснение этому факту довольно очевидно и заключается в том, что измеренная скорость ветра является некоторым усреднением по большому количеству разнонаправленных движений молекул, которые сами по себе движутся со значительно бОльшими скоростями. В среднем эти скорости взаимно компенсируются вследствие равновеоятного движения молекул во все стороны. Наличие ветра в таком случае можно рассматривать как увеличение вероятности движений молекул в одном направлении.
Таким образом, даже скорость (в том числе и нулевая) самого настоящего «воздушного» ветра не является реальной скоростью какой-либо монолитной физической субстанции, а есть результат пространственно-геометричекого усреднения значительно более динамичных элементов, составляющих основу среды – молекул воздуха.
Практически все авторы эфиристических теорий предполагают в основе строения Эфира наличие движущихся элементарных дискретных образований («амеры» и др.). Какие же есть основания ожидать, что на значительно менее детерминированном и более динамичном квантово-механическом масштабе они могут образовать «абсолютно неподвижную» субстанцию, которую можно бы было принять за «статическую АСО», и с которой приверженцы эфирных теорий связывают понятие «мировой Эфир»? Физических предпосылок к такому утверждению, судя по всему, нет – есть только психологически-интуитивные предпочтения, основанные на привычной бытовой логике.

И так, даже допуская существование неких «элементов эфира» вроде «амеров» или иных элементарных образований, и оставляя в стороне вопрос о природе этих элементов, мы сталкиваемся с необходимостью учитывать то обстоятельство, что ожидаемая нами «абсолютная скорость Эфира-АСО» есть некое пространственно-геометрическое усреднение собственных скоростей этих самых «элементов эфира», мгновенные значения которых значительно превышают измеряемую "скорость Эфира".
Какие же именно «собственные» скорости можно ожидать для таких «элементов Эфира»?
По принятой нами аналогии с воздухом (а аналогии с газом – основной прием «эфиристов»), можно утверждать, что скорость волновых процессов в такой среде тесно связана со средней скоростью «свободно движущихся» ее элементов. В частности, скорость волны не может превышать среднестатистическое значение мгновенных скоростей элементов Эфира. Верно и обратное утверждение, что средняя мгновенная скорость движения элементов среды не может быть меньше, чем скорость волновых процессов в этой среде. Но волновые процессы в эфире – это известные нам электромагнитные волны, передвигающиеся со скоростью света в вакууме. Если не делать логически избыточного (неоправданного существенными физическими обстоятельствами) предположения о сверхсветовых скоростях «элементов Эфира», то следует единственно возможное заключение – «элементы эфира» движутся со скоростью света.
Помня, что мы конструируем Эфир, не входящий в противоречие с ТО, следует констатировать, что световая скорость «элементов Эфира» возможна при отсутствии у них массы покоя.
Итак, поэтапное логическое «конструирование» релятивистского Эфира привело нас к некой промежуточной модели в виде предельно динамичной субстанции, безмассовые (в смысле массы покоя) «дискретные элементы» которой хаотически движутся во всех направлениях с максимально возможной скоростью – скоростью света в вакууме.
В такой интерпретации вопрос об «абсолютной скорости эфирного ветра» или, в эквивалентной постановке вопроса, об «абсолютной скорости» (относительно Эфира) любого инерциального тела, сводится к вопросу статистического усреднения скоростей элементов Эфира, движущихся со световыми скоростями.
Вспомним, что понимается под геометричеким усреднением скоростей? В случае двух тел, движущихся с разными скоростями, под их средней скоростью с геометрической точки зрения понимается скорость точки, находящейся на прямой между этими двумя телами, от которой они удаляются (или приближаются) с одинаковыми скоростями.
Но в соответствии с СТО, скорость света одинакова по модулю во всех инерционных СО, т.е. движущихся с любой скоростью, меньшей «С». По этой причине точка, находящаяся между любыми двумя движущимися в противоположные стороны со скоростью света «элементами Эфира» будет наблюдать удаление от себя этих элементов с одинаковыми скоростями «С» независимо от своей собственной скорости (единственное ограничение – она должна быть меньше «С»).
Если считать плотность Эфира равномерной по пространству, то любому элементу Эфира всегда можно противопоставить такой противоположно движущийся элемент, чтобы средняя скорость пары подчинялась вышеприведенному правилу. Следовательно, любая инерциальная СО (с любой скоростью V<C) в такой динамической среде - Эфире - имеет полное право претендовать на роль «статистически средней скорости» элементов Эфира.
Вывод – скорость Эфира («эфирного ветра») как геометрическая средняя скорость его элементов однозначно неопределима и может быть идентифицирована со скоростью любой физической ИСО.
Эфир, таким образом, является астатической средой. И с этой точки зрения говорить о существовании некоторой «абсолютной нулевой скорости» эфира не имеет смысла, равно как и говорить о «скорости» движения тел «относительно Эфира».
Этот вывод основан на релятивистских подходах к относительным скоростям и способам их усреднения, которые никоим образом не входят в противоречие с концепцией существования Эфира как физической среды. Противоречия возникают только при попытках наделить Эфир свойствами, интуитивно переносимыми авторами из нерелятивистской механики и не являющимися логически необходимыми.

«Ну нет, - скажут оппоненты СТО, - доказывать состоятельность релятивистских подходов на основании ее постулатов – это некорректно».
Но, во первых, в данном контексте доказывается не состоятельность СТО, а непротиворечивость ее постулатов гипотезе существования Эфира. Следует только освободиться от шлейфа метафизических свойств, традиционно тянущихся за понятием Эфира со средних веков. В частности, от механического свойства Эфира иметь конкретное положение (или скорость как изменение этого положения) в пространстве.
Во вторых, при строгом рассмотрении, и при классическом подходе вывод получается аналогичен. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

О принципе относительности вообще и в ТО в частности.

Еще Лоренц совместно с Пуанкаре показали
(http://ivanik3.narod.ru/indexTeorKlassik.html),
что строгий подход к описанию волновых, в частности, акустических, взаимодействий в некоторой неподвижной (как исходная предпосылка) среде приводит к появлению всех релятивистских соотношений, принятых в дальнейшем в СТО. Следует только неукоснительно придерживаться предпосылки, что описываются только сугубо акустические явления. То есть в качестве эталонов измерения длин должны использоваться акустические эталоны длины, а в качестве эталона времени - период акустического волнового эталона. Одновременно проявляется факт «самосокращения» принятых за исходный посыл «абсолютных скоростей» фигурирующих тел во всех практических вычислениях, касающихся их относительных перемещений и взаимодействий. А иных взаимоотношений, кроме относительных, в практической физике просто не существует.
Основной предпосылкой выводов Лоренца-Пуанкаре является гипотеза Фицжеральда о том, что все физические объекты, к которым может быть применено понятие метрического размера (длина тела, длина волны, расстояние), а также время, имеют единую физическую природу и, следовательно, если и претерпевают изменения, то совершенно одинаковые по величине. В этом случае процесс измерения, заключающийся в соотнесении эталонной длины с измеряемой, в принципе не может выявить пропорционального изменения обеих величин. В частности, это относится к понятиям «длина метрических линеек» и «длина волны света».

Как известно, в контесте ТО обсуждается принцип относительности механического движения, провозглашенный еще Галилеем, с точки зрения распространения его на электродинамические процессы. Этот принцип провозглашает, что все физические опыты и измерения внутри лаборатории протекают одинаково вне зависимости от скорости движения лаборатории относительно каких-либо внешних ориентиров.
Но существует общенаучный принцип относительности как основа метрологии, заключающийся в том, что значение любой физической величины, ее постоянство или изменение, можно в принципе констатировать не иначе, как сопоставляя ее с некоторой другой родственной ей величиной, принимаемой за неизменный в оговариваемых условиях эталон. В этой связи, если мы в пределах рассматриваемых физических условий не имеем оснований (принципиальной физической возможности) зафиксировать непостоянство принятого эталона, то сохранение постояннства отношения измеряемой величины к эталону мы обязаны рассматривать как неизменность этой величины.
Так, висящие в мировом пространстве два шара «А» и «В» можно оценить по величине не иначе, как в сравнении одного с другим. Например, шар «А» больше шара «В».
Если произошло изменение соотношения размеров шаров, и шар «А» стал меньше шара «В», то шар «А» «имеет полное право» считать, что шар «В» увеличился (считая свой размер неизменным). В свою очередь шар «В» имеет такое же право считать шар «А» уменьшившимся, принимая за «эталон» свой размер. Абсолютного «третейского» судьи в данном случае нет и быть не может до тех пор, пока не появится некий третий «эталон», величину которого есть достаточно веские основания считать более стабильной.
Таким образом, распространенное в обыденном смысле выражение «некоторая величина изменилась» всегда подразумевает (хотя в подавляющем числе случаев негласно) наличие рядом с этой величиной некоего эталона, считающегося неизменным. По отношению «к себе самой» никакая величина измениться в принципе не может. Исключения не составляет и популярная формулировка «изменение по отношению к своему прежнему значению», так как сравнивать можно в принципе только две величины, одновременно существующие и соотнесенные друг к другу. Поэтому сравнивать «со своим прежним значением» любую величину можно, только использовав в качестве «посредника» некую промежуточную мерку, играющую в данном случае роль эталона стабильности, или, что то же самое, роль «стабильной памяти» прежнего размера объекта.
Именно поэтому выражение «эталоны изменились» метрологически наивно и не имеет под собой физического смысла, а соответственно выражение «эталоны изменились точно так же, как измеряемая величина» представляет собой тавтологию и должно быть полностью идентифицировано с понятием неизменности измеряемой величины.

Таким образом, общенаучный принцип относительности требует полагать, что тезис об «одновременном одинаковом» изменении эталона и измеряемой величины абсолютно эквивалентен утверждению о неизменности обеих величин. Судить о «постоянстве размера» какой-либо величины мы можем не иначе, как только по сравнению с принятым эталоном.
По этой причине в принципе невозможно, например, выявить изменение скорости света (как отношения метрической меры к временнОй), если применяемые в измерительной аппаратуре эталоны длины и времени претерпевают «те же изменения», что и мыслимые изменения соответствующих компонент скорости света. А практика показывает, что так оно и есть.
Другими словами, внутреннее для каждой ИСО измерение скорости света, как результат сопоставления пролетаемых им расстояний в мерках этой ИСО за некоторый интервал времени в единицах этой же ИСО с некими эталонами расстояний и времени (в чем, вообще говоря, заключается любая процедура измерения) в принципе не может выявить изменения скорости света в зависимости от «относительного движения» лаборатории и Эфира.
Отсюда следует, что объяснение этого ФАКТА «одновременным изменением» всех эталонов и измеряемых величин, либо принятие их как неизменных – это, в соответствии с общенаучным принципом относительности, есть мнимое противопоставление различных интерпретаций одного и того же явления.
В этой связи нельзя не упомянуть о попытках обосновать антирелятивистскую версию Эфира с помощью измерений скорости света в одном направлении. Авторы подобных опытов и соответствующих теорий основывают свои доводы на версии, что положительный результат такого эксперимента якобы будет свидетельствовать о наличии эфирного ветра и, следовательно, «опровергнет» Теорию Относительности. Но еще Лоренц и Пуанкаре доказали бесперспективность таких попыток, поскольку вопрос о наличии Эфира как такового не является ключевым в вопросе о состоятельности релятивистских принципов. Хотя эти принципы и положены в основу ТО, но появились они в теории Эфира Лоренца-Пуанкаре и не входят в непримиримое противоречие ни с ТО, ни с теорией Эфира.

Против излишне настойчивых спекуляций по противопоставлению «классических эфирных теорий» и СТО можно привести еще один практический довод. Независимо от отношения к существованию Эфира и соответственно к существованию «абсолютной скорости» каждого тела, измерять эти «абсолютные» величины современная физика просто не умеет. Даже те экспериментаторы, которые совершенно уверенно заявляют «об обнаружении эфирного ветра» в тех или иных опытах, заявляют о точностях его определения не лучше 10-20 %.
Стоит ли говорить о том, что при современных прецизионных технологиях такие «абсолютные измерения» никоим образом не годятся на роль «фундамента» всех физических измерений – то есть в качестве АСО?
Зато относительные измерения могут быть выполнимы с любой возможной точностью.
И результаты таких измерений прекрасно согласуются как с повседневной физической практикой, так и с ТО – то есть не нуждаются в Эфире как «отправной абсолютной СО».
Вопрос о наличии Эфира как реальной физической субстанции в такой постановке сводится к согласованию и экспериментальному подтверждению отдельных физических свойств такой субстанции и терминологическому вопросу о ее названии – Эфир, Физический Вакуум, Физическое Первополе, Физическое Пространство и т.п.
С практической точки зрения необоснованность стремления «антирелятивистов» ввести категорию Эфира как Абсолютную Систему Отсчета (АСО) может быть проиллюстрирована следующим примером-аналогией.
Как известно из классической теории тяготения, потенциальная энергия поднимаемого над поверхностью земли тела связана с расстоянием до центра массы Земли R в законе всемирного тяготения Ньютона. В данном случае ни у кого не возникает сомнения, что само по себе расстояние R до центра Земли существует, но в практических расчетах эта величина бесполезна – никто не умеет ее измерять с приемлемой точностью.
Трудность и неточность определения R встала бы непреодолимым препятствием на пути точных расчетов, если бы не “счастливая возможность” не принимать эту несомненно существующую величину во внимание в реальных практических задачах, с любой степенью точности довольствуясь относительными измерениями. А что изменилось бы, если бы радиус Земли был нам не просто точно неизвестен, а по каким-то соображениям принципиально неопределим? Да абсолютно ничего – все локальные физические измерения проводятся без участия этого параметра с точностями, значительно превосходящими даже теоретическую возможность определения R как такового.
Возражение против такого подхода обычно возникает при рассмотрении перемещений, сопоставимых по величине со сначением R. Связаны эти возражения с нелинейной зависимостью потенциальной энергии при значительном (в масштабе R) удалением от центра массы от величины R. То есть не обращвть внимание на существование реальной величины R мы можем в пределах, где свойства пространства можно апроксимировать линейной моделью.
В СТО также специально оговаривается область определения постулатов теории в однородном пространстве (с линейной метрикой). В более обобщенном варианте теории относительности – ОТО – действие постулатов и эффектов СТО ограничено локальной областью пространства, на которой неоднородностью свойств пространства (в терминологии ОТО – искривлением пространства) можно пренебречь.



Эфир – вокруг нас, или Эфир – это мы?

В качестве резюме обсуждавшихся выше вопросов можно констатировать, что вопрос о существованиии Эфира не является определяющим в подходе к адекватности постулатов и практических выводов (а, следовательно, и математических соотношений) Теории Относительности.
Таким образом, мы получаем возможность обсуждать возможные свойства Эфира, не касаясь болезненных точек размежевания сторонников релятивистской теории и ее противников. Тем более, что адептами такого размежевания на 99,9% являются «противники СТО», чья позиция определена как непониманием самой теории, как и в еще большей мере непониманием искусственности такого размежевания.

Одним из определенных нами выше свойств Эфира можно назвать его астатизм – то есть принципиальную невозможность определения скорости любой ИСО относительно Эфира. Это свойство наиболее органично сочетается с представлением Эфира не в виде дискретных элементов (типа «амеров» или иных), а в виде сплошной, непрерывной среды типа физического поля. Назовем его первополем. Тогда постановка вопроса о «скорости эфирного ветра» теряет физический смысл и с этой точки зрения, поскольку в этом случае в однородной массе Эфира-поля невозможно даже теоретически выделить дискретные точки, к которым можно было бы «привязать» спидометр. Свойством же иметь локальную привязку могут обладать только возмущения (неоднородности) эфира типа волн. Последние есть сугубо динамические образования, перемещающиеся по «телу эфира» с единственно возможной скоростью «С».
Наиболее логично это свойство сочетается с предположением, что Эфир выступает не в роли «балласта», заполняющего «пустое пространство между телами», а является основой строения всех материальных образований вселенной, включая все элементарные частицы и физический вакуум.
При таком подходе элементарные частицы могут быть представимы как некоторые «вихри» или «сгустки» того же самого Эфира, заполняющего, а точнее, образующего весь объем Вселенной. Следует только допустить предположение о существовании естественных механизмов поддержания таких вихрей в устойчивом состоянии. Такие механизмы физически возможны, и о них будет идти речь в отдельной статье.
Похожее воззрение на строение материальных объектов имеют некоторые развиваемые в настоящее время "моделирующие" теории Эфира. Например, использующая акустическую модель «Эфиродинамика» В.А.Ацюковского:
http://ivanik3.narod.ru/linksAetherDin.html
В этой оригинальной работе можно отметить целый ряд тонко подмеченных аналогий акустических процессов с волновыми явлениями квантовой физики.
Существуют эфирные теории, основывающиеся на модели типа жидкости или твердого тела, в частности кристалла.
Все развиваемые авторами "моделирующие" подходы в корне своем противоречивы. Действительно, все материальные образования в таких теориях рассматриваются как порождения либо волновых (акустических) процессов, либо иных заранее детерминированных динамических свойств принятой за основу модели. С этой точки зрения все свойства материальных частиц, в том числе масса, плотность, скорость и пр. являются ПРОИЗВОДНЫМИ от первичных свойств модели. В то же время в основу такого Эфира положены «элементарные структурные единицы»- "амеры" или иного названия, обладающие массой, скоростью, плотностью и пр.
Такой подход «построения эфирной теории» является по сути своей тавтологичным, в результате ничего не объясняя, а замыкая семантический круг физических понятий «сам на себя».
Образно можно все "моделирующие" теории Эфира сравнить с логической тавтологией типа: "Твердость и прямоугольность формы здания объясняется твердостью и прямоугольностью кирпичей". То есть свойства твердости и прямоугольности объясняются "сами через себя", что, разумеется, объяснением не является.

В заключение статьи сформулируем окончательный вывод:

Признание наличия в окружающем нас пространстве материальной среды как переносчика возмущений типа Эфира не входит в противоречие с постулатами и выводами Теории Относительности Эйнштейна, если не наделять эту среду метафизическими свойствами типа «неподвижности» или «скорости» относительно инерциальных тел.