(веб-мастер приносит свои извинения за низкое качество, материал еще не отредактирован после сканирования)
Глава 5. Теоретические аргументы в пользу закона всемирного тяготения Ньютона
5.1. Законы тяготения
До сих пор в этой книге мы анализировали проблему аномального смещения перигелия Меркурия с исторических позиций. Теперь мы знаем, как была открыта аномалия и как астрономы пытались ее объяснить. Мы подробно остановились на одной из удачных гипотез — гипотезе Зеелигера о зодиакальном свете, которая считалась удовлетворительной, пока на смену ньютоновой теории тяготения не пришла общая теория относительности. Настало время дать представление о предпосылках появления теории Эйнштейна.
В событиях, обсуждавшихся в предыдущих главах, ведущая роль принадлежала астрономам. Теперь их место займут физики, в особенности те, кто занимался проблемами гравитации. Еще в гл. 1 мы показали, что смещение перигелия планеты может быть вызвано либо воздействием возмущающей материи в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона (законом обратных квадратов), либо отклонением действительного закона тяготения от ньютонова. Если не говорить о гипотезе Холла, которую мы рассматривали в гл. 3, поиск законов тяготения, отличающихся от ньютонова, сопровождался попытками уяснить суть гравитации и механизм ее действия. Эти попытки предпринимались на протяжении столетий, и Ньютон, по крайней мере публично, всегда настойчиво отделял себя от этой задачи; касаясь причин тяготения, в своих “Началах” он высказал знаменитое изречение: “гипотез не измышляю” [263, с. 547]. Тем не менее ученые все с тем же пылом брались за объяснение закона всемирного тяготения, так успешно введенного в науку Ньютоном. В 1872 г. Мах писал [235, с. 56]:
“Сразу же после своего появления теория тяготения Ньютона смущала многих естествоиспытателей, так как в ее основу были положены нетривиальные непонятные принципы. Ученые пытались свести гравитацию к давлению и столкновениям. В наше время тяготение уже никого не удивляет, оно стало обычным непонятным явлением”.
И хотя ученых это явление уже не удивляло, все же находились исследователи, пытавшиеся подвести под закон всемирного тяготения какое-то теоретическое обоснование. В обзоре Тейлора [357] упоминается о 21 такой теории; позднее этот список был продолжен Сталло [348] и Ценнеком [396]. Мы подробно остановимся на трех из них, появившихся в XIX в. Первая рассматривает тяготение как результат распространения пульсаций атомов через эфир, вторая — как проявление сил, действующих между “источниками” и “стоками” эфира, а третья — как следствие бомбардировки всех материальных тел бесчисленным множеством микроскопических частиц. Одновременно с появлением этих теорий развивалось и новое направление физики — электродинамика. Она сразу же оказала немалое влияние на теории тяготения, поскольку у многих физиков зародилась мысль обобщить закон обратных квадратов примерно тем же путем, каким электродинамика обобщила закон Кулона. Но развитие электродинамики имело и более далеко идущие и глубокие следствия. Некоторые физики подумывали о возможности построения единой общей теории, которая связала бы воедино и электромагнитные, и гравитационные силы и, возможно, все остальные типы взаимодействий. И что еще более важно, в 1905 г. в электродинамику была введена специальная теория относительности, ставшая стандартной отправной точкой для других теоретических концепций, включая и теории тяготения. Совместим ли закон Ньютона с принципом относительности? Можно ли обобщить специальную теорию относительности и естественным образом получить отсюда теорию тяготения? В период с 1905 по 1915 г. эти вопросы породили ряд альтернативных теорий, среди которых была и общая теория относительности.
Теории эти можно классифицировать в зависимости от того, как они видоизменяли закон тяготения Ньютона, согласно которому сила притяжения двух тел с массами Mum, разделенных расстоянием г, выражается как
F = GMm/r2, (5.1)
где
G— универсальная гравитационная постоянная. Можно немного изменить зависимость силы от расстояния, взяв закон вида
F = GMm/r2+&, (5.2)
где б <С 1. Это выражение, известное под названием закона Холла, в 1895 г. использовал Ньюком, приняв значение б, равное 0,000 000 16120. Мы обсуждали его в гл. 2. Несколько иной вариант представляется законом вида
F = GMm[l/r2 + f(r)], (5.3)
где в качестве
f(r) обычно принимают а/г4 (а — малая постоянная). Это закон Клеро, мы рассмотрим его ниже в дан-
ной главе. Можно изменить закон Ньютона и еще более радикальным образом, записав закон тяготения в виде
f{v,r)}. (5.4)
В этом случае сила зависит не только от взаимного расстояния тел, но и от их скоростей; законы такого типа были предложены по аналогии с законами электродинамики. Мы подробно рассмотрим их в гл. 6. Теории, которые были непосредственными “конкурентами” общей теории относительности, обсуждаются в гл. 7; мы особо остановимся на их эмпирических следствиях, касающихся движения перигелиев планет.
“Сила” в общей теории относительности уже не является основным понятием. В этой теории движение тел описывается через кривизну пространства-времени вблизи массивных тел. Обсуждая создание общей теории относительности, мы для каждого этапа ее развития будем соотносить теорию с опыт-' ными данными, в частности с движениями перигелиев, выра-
женными через метрику пространства-времени. Но прежде
' чем сделать это, на время вернемся в прошлое и познако
мимся со взглядами тех исследователей, кто пытался либо
видоизменить закон Ньютона, либо, наоборот, поддержать
его. Первый кризисный этап в истории ньютоновой теории
тяготения связан с именем Клеро. *
5.2. Клеро и движение апогея Луны (1747 г.)
Этот вопрос интересен не только в связи с законом тяго-. тения Клеро, но и потому, что Клеро оказался в той же ситуации, как и позднее Ньюком. Ньюком использовал новый закон, объясняя движение перигелия Меркурия, а Клеро — лунного апогея. О движении апогея Луны говорил в своих “Началах” еще Ньютон; он отмечал, что смещение апогея на 3° за один орбитальный период можно полностью объяс-
4
.нить законом, в который г входит в степени —2 -^гг
[263, с. 146]. Однако, связав смещение с возмущающим влия
нием Солнца, он смог сохранить закон обратных квадратов.
Как удалось установить Уайтсайду [382, с. 130; 383], в не
опубликованных работах Ньютона приводится соответству
ющее доказательство. Но в 1747 г. Клеро, Эйлер и Даламбер
независимо друг от друга пришли к выводу, что теория Нью
тона объясняет лишь половину наблюдаемого смещения
апогея. . .-. ...^
* Пожалуй, лучше всего об этом написано у Готье [128]; см. такжщ
работы Уоффа [371] и Чандлера [58]. '
Как отметил сам Клеро, он провел расчеты “со всей требуемой точностью” [60, с. 336]. Не отказываясь от тяготения, объясняющего законы Кеплера, движение узлов лунной орбиты и приливные эффекты, и несмотря на трудности, с которыми встретились Бугер и Кондамин при построении теории фигуры Земли (так, маятникозые наблюдения противоречили определениям дуги меридиана), Клеро немного изменил форму закона тяготения Ньютона:
F = GMni(l/r2 + a/r4), (5.5)
где а — малая постоянная. Согласно формуле Ньютона, показывающей влияние характера силового закона на движение линии апсид (см. с. 19), угол между двумя последовательными положениями апсид равен 180° [(l-f-a)/(l—a)]
1/2. Единицы измерения выбраны так, что максимальному расстоянию между телом и силовым центром соответствует г = 1. Как следствие, движение апсид будет зависеть от расстояния.
Клеро утверждал, что поскольку расстояние между Луной и Землей почти в сто раз меньше расстояния между Меркурием и Солнцем, введение в закон тяготения дополнительного члена, обратно пропорционального четвертой степени расстояния, даст заметное смещение апсид Луны, но практически не скажется на апсидах Меркурия (оно будет примерно в 10 000 раз слабее). Для тех, кого беспокоило отклонение от закона обратных квадратов, Клеро упомянул другие законы физики, где такое отклонение налицо, например законы, определяющие форму капель жидкости, уровень жидкости в капиллярах, сцепление помещенных в вакуум пластин, искривление и преломление лучей света. Сюда он мог бы добавить закон для магнитных явлений, содержащий обратную пропорциональность степени 5/2, или простой обратный степенной закон, описывающий тепловое движение молекул, уже упоминавшиеся в “Началах” Ньютона, что отмечается
в [90]. Однако Клеро осознавал необходимость дальнейшего изучения предложенного им закона. Интересно, что он предвосхитил критический аргумент Ньюкома, выдвинутый намного позднее, в 1882 г. [60, с. 336]:
“Я взял закон, зависящий от квадратов и четвертой степени расстояния лишь для того, чтобы наиболее просто выразить мое представление об универсальности тяготения. Нужно углубиться в детали, чтобы увидеть все его неудобства (он дает слишком большие значения для силы притяжения соприкасающихся или очень близких тел, так что сила притяжения на поверхности Земли оказывается слишком большой по сравнению с силой притяжения на расстоянии Луны) и средства получения иного закона, лишенного этих недостатков”.
Клеро упомянул и обсуждавшийся Ньютоном закон, вклю-
4
чавший расстояние г в степени — 2т^г, но скорее для тех исследователей, кто “непременно хотел представить силу одночленным выражением”, чем для тех, кому требовался закон тяготения, лишенный отмеченных недостатков [60, с. 540].
После публикации этой работы между Клеро и Бюффоном разгорелась дискуссия *. Позиция Бюффона в целом была слабой и ошибочной. Он не допускал и мысли о реальности закона Клеро, вновь подтверждая свою приверженность закону Ньютона, в чем и было его оправдание. Что касается гипотезы Клеро,
то Бюффон интерпретировал второй член как вклад магнитных эффектов, цитируя при этом фразу из “Начал” Ньютона [263, с. 484; русский перевод, с. 591]:
“Во всех этих вычислениях я не рассматривал магнитного притяжения Земли, величина которого весьма мала и неизвестна. Если когда-либо это притяжение можно будет исследовать, ... тогда будет возможно повторить и весь этот расчет с большею точностью”.
Клеро, считая, что рассматриваемый эффект очень мал, не разделял мнение Бюффона**. Ему казалось правильнее связать второй член с электрическими явлениями***, но в то же время он не отвергал идею Бугера о том, что разные части Земли взаимодействуют с Луной по разным законам (в результате получался сложный общий закон притяжения в системе Земля — Луна). Однако в 1749 г. Клеро понял, что его закон является ненужным. Следуя своему намерению углубиться в подробное аналитическое исследование, он рассмотрел следующее приближение и обнаружил, что движение апогея Луны почти полностью соответствует теории. Сообщая о своем открытии, Клеро умолчал об обстоятельствах, которые ему предшествовали, рассчитывая получить премию Петербургской академии наук (он получил ее в 1752 г.). Однако Эйлер смог повторить эти расчеты и независимо пришел к тому же выводу. Наконец, Даламбер, использовав метод Клеро, показал, что и новое приближение оставляет расхождение 30', которое, однако, можно свести к нулю дальнейшими приближениями [128].
5.3. Два аргумента
в пользу закона обратных квадратов
Клеро убедился, что лунной аномали в действительности не существует. В противоположность ему Ньюком показал, что аномальное смещение перигелия Меркурия не только реально, но и даже больше, чем считал Леверье. В гл. 3 мы уже видели, как Ньюком объяснял аномалию с помощью закона Холла.
Гипотезу Холла с эмпирической точки зрения обсуждали лишь немногие из астрономов. Поскольку, как мы уже видели, в 1903 г. она была опровергнута теорией движения Луны Брауна, ее активная “жизнь” длилась всего лишь около семи лет (однако не надо забывать, что гипотеза Холла, как одна из теоретических основ эфемерид Ньюкома, продолжает оказывать влияние вплоть до нашего времени). Сам Ньюком вовсе не утверждал, что закон Холла есть реальный закон тяготения, об этом свидетельствует “как если бы” в приведенной ниже цитате [257, с. 184]:
“Наблюдения показывают избыточное движение Меркурия и Марса в сравнении с расчетами, выполненными для всех четырех планет, как если бы они притягивались к Солнцу с силой, пропорциональной г~п, где /г = 2,000 000 161 20”.
Недостаточно уверенный тон по отношению к гипотезе Холла можно объяснить тем, что ни одна из современных Ньюкому теорий не приводила к закону такого вида. Теории, о которых пойдет речь ниже, предназначались для обоснования закона обратных квадратов. Некоторые из них допускали возможность объяснить смещение перигелия Меркурия, но без применения выражений типа закона Холла. Смещение перигелиев предсказывают и те теории, которые выведены по аналогии с электродинамикой, но опять-таки не потому, что закон для силы имеет вид г~~'-
2+6>. Поскольку в конце XVIII в. других теоретических концепций не существовало, гипотезу Холла следовало a priori рассматривать как малоправдоподобную. Кроме того, существовали и другие аргументы против этой гипотезы.
Первый из них опирается на метод размерностей (см. [236]). В законе тяготения Ньютона
:. .}J .
* Статьи и комментарии Бюффона и Клеро были опубликованы в Hist. Mem. Acad. R. Sci., 58, 493—500, 529—548, 551—552, 578—580, 580—583, 583—586, 1745.
** Позднее о магнитных эффектах как причине векового ускорения Луны говорил Пуанкаре [28]. Этот вопрос изучал Браун, который пришел к выводу о незначительной величине эффекта.
*** Подобным же образом пытались объяснить смещение перигелия ' Меркурия Граве и Соколов [139].
гравитационная постоянная
G имеет размерность г~' • см3 • с~2. Однако, если принять закон Холла, ее размерность окажется дробной. Такие случаи науке известны: например, скорость распространения поперечной волны вдоль нити, натяжение которой равно Т, а масса на единицу длины пг, выражается формулой
. v = {Tjm}\ . v • (5.7)
Ее, однако, можно записать также в виде
(6.7')
Эта формула уже не содержит дробных размерностей. Аналогичным образом можно записать и закон Холла
(G'mim2)mmm
угюооооооо ]
„200 000 016
где размерность постоянной
G' отлична от размерности G, но все же остается целой. Однако если формула (5.7') вполне допустима, закон для силы, выражаемый формулой (5.8), в высшей степени сомнителен. С другой стороны, вряд ли будет правильным брать дробную размерность для G.
Второй аргумент против закона Холла основывается на связи закона обратных квадратов с трехмерностью физического пространства. Рассмотрим тяготеющее тело. Напряженность поля тяготения в любой точке сферы радиуса
R, в центре которой находится тело, одинакова. Площадь поверхности сферы равна 4nR2. Если предположить, что полный поток силы через поверхность распределен по ней равномерно, сила притяжения будет уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния, так как напряженность поля на единичной площадке пропорциональна \/4nR2. В двумерном случае напряженность уменьшалась бы пропорционально l/2nR, а в п-мерном — пропорционально /?'"".
Считая закон обратных квадратов априорно заданным, Кант использовал этот факт для доказательства трехмерности пространства [179]. Тем же способом Юбервег доказал, что мир “вещей в себе” также имеет три измерения (см. [200]). Если так, то отсюда можно сделать вывод, что гипотеза Холла приводит к пространству 3 + 6 измерений. Суть проблемы не в том, что вводятся дополнительные измерения, а в том, что их число не целое. В XIX в. “сторонниками” новых измерений выступали, в частности, спиритуалисты, пытавшиеся разместить там мир духов; среди них были и некоторые известные ученые. Пространства более высоких размерностей были естественным следствием некоторых “эфирных” теорий тяготения. Но и эти сравнительно слабые предпосылки были несовместимы с дробной размерностью пространства. Следовательно, гипотеза Холла была неправдоподобна и с этой точки зрения.
Она не укладывалась и в теории тяготения, распространенные в XIX в. Сводку кинетических теорий тяготения можно найти у Тейлора [357]. Тяготение рассматривалось в них как результат движения бесчисленных малых частиц или. струй эфира. Мы обсудим три типа кинетических теорий тяготения, в частности пульсационную
теорию.
5.4. Пульсационная теория тяготения
H'J}|.
Среди представителей пульсационной “школы” тяготения виднейшее место принадлежит Бьеркнесу. Этот норвежский физик пытался объединить в рамках гидродинамической теории электрические, магнитные и гравитационные взаимодействия. Бьеркнес начал работать над нею в 1856 г., опубликовав основные статьи в 70-х годах. Его идея состояла в том, что два сферических тела, помещенные в несжимаемую жидкость и пульсирующие в фазе, будут притягиваться с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Если фазы колебаний отличаются на я, тела будут отталкиваться. Бьеркнес стал известен своими демонстрационными опытами, иллюстрирующими его идею, которые он ставил начиная с 1875 г., а в 1881 г. на Парижской электрической выставке он был удостоен диплома международного жюри. Эти эксперименты описаны Куком [66]. Бьеркнес брал полые резиновые шары и с помощью воздушного насоса возбуждал их пульсации. Сам же Кук вместо шаров использовал небольшие цилиндры, демонстрируя аналоги многих электрических, магнитных и диамагнитных явлений. В апреле 1881 г. Стро выступил перед Обществом инженеров-телеграфистов и электриков в Лондоне с лекцией, сопровождавшейся показом опытов Бьеркнеса. Лекция вызвала настолько большой интерес, что в мае ее пришлось повторить [350]. Стро упоминает еще об одном из сторонников пульсационной теории, Гатри [145], который проводил эксперименты по исследованию притяжения и отталкивания двух колеблющихся камертонов. Гатри в свою очередь ссылался на первые работы французского ученого Гюйо, давшие толчок развитию пульсационных теорий. Форбс так говорил о впечатлении, которое производили опыты Гатри [350, с. 224]:
“Когда д-р Гатри 13 или 14 лет назад опубликовал результаты опытов по притяжению камертонов, многие почувствовали, как перед ними раскрывается новый мир, и стали надеяться на объяснение действия гравитации, магнетизма и электричества”.
Та же надежда побудила кембриджского астронома Чал-лиса создать целый ряд работ по гидродинамической теории. Однако особенно важных результатов он не получил, несмотря на то что Тейлор охарактеризовал его теорию как “наиболее тщательное исследование и наилучшим образом продуманное изложение волновых теорий притяжения из всех, которые когда-либо были предложены научному миру
” [357, с. 253]. “Гидродинамическая теория сил притяжения и отталкивания”, опубликованная Чалли.сом в 1872 г., все же
была неполной, поскольку он обнаружил, что второе приближение содержит расходящиеся члены. В 1876 г. он говорил о молекулах гравитации и гравитационных волнах очень большой длины. Для нашего обсуждения интересен тот факт, что в своей теории 1859 г. он взял дополнительный член, пропорциональный 1/г
4 [54, с. 450]:
“Математическая теория, по-видимому, показывает, что если бы расчеты были продолжены дальше, закон тяготения выразился бы формулой, подобной т/г
2 + ^Д4, где \i крайне мало. Этот второй член, будь он вообще ощутимым, скорее всего, проявился бы в действии Солнца на Меркурий. И действительно, Леверье недавно показал, что движение перигелия этой планеты нельзя полностью объяснить притяжением известных тел. Несомненно, в этом случае, как предложил Леверье, разумнее всего искать между Солнцем и Меркурием малые тела, влиянию которых можно было бы приписать движение перигелия Меркурия. Однако, если это объяснение окажется неверным, я думаю, будет правильным поставить вопрос о том, настолько ли в действительности точен закон обратных квадратов, как обычно считают”.
Чаллис добавил, что закон Боде не дает указаний относительно существования планеты внутри орбиты Меркурия; когда Лескарбо “открыл” такое тело, Чаллис высказал сомнение по поводу его планетной природы [55, с. 221]. Он пришел к закону Клеро по той причине, что закон тяготения получился в виде ряда, главный член которого был обратно пропорционален квадрату расстояния, а другие оказались малы (как правило, исключительно малы). Как будет отмечено ниже, эта особенность является общей чертой подобных теорий. Чаллис был, как мне кажется, первым, кто в этой связи высказал предположение о неточности закона обратных квадратов, причем, на мой взгляд, важно, что его точка зрения имела теоретическое обоснование. Рассматриваемая теория опиралась на его доказательство, что малые сферические тела должны притягиваться волнами большой длины и отталкиваться
волнами малой длины.
Последователем Чаллиса стал Хикс. В 1880 г. он опубликовал статью, где, во-первых, предлагал новый метод подобия, “позволяющий нам строго определить взаимодействие двух сферических тел”, и, во-вторых, показал, “как этим взаимодействием можно объяснить гравитацию и в особенности притяжение вихревых атомов сэра Вильяма Томсона” [166, 167]. Использовав аргумент Максвелла (см. ниже), Хикс опроверг теорию Лесажа, хотя применение этого аргумента, возможно, было неоправданным, ибо именно Томсон в 1873 г. показал, как можно обойти это возражение. Хикс предположил, что вихревые атомы пульсируют в эфире, и по-
лучил следующий закон для силы:
F =
Закон Хикса похож на закон Клеро, но Хикс пренебрег членами, пропорциональными г~
5, так как считал их крайне малыми. Здесь а и Ь — радиусы пульсирующих частиц (т. е. вихревых атомов). Разность фаз колебаний равна е, а Т есть их период, одинаковый для всех частиц. При е = 0 получается cos(2пг/Т) = 1 и сила положительна (притяжение), если же е = Т/2, то cos(2ne/7) =—1 и сила отрицательна (отталкивание). При е = Т/4 или е = ЗГ/4 сила равна нулю. Таким образом, в теории появилась “отрицательная” материя, отталкивающая обычное, т. е. “положительное”, вещество и притягивающая “отрицательное”. Нельзя сказать, что эта идея совершенно нелогична, поскольку “отрицательная” материя должна была бы покинуть нашу Солнечную систему и образовать “отрицательную” планетную систему. Последняя выглядела бы как и наша собственная. “Невесомая” материя могла бы существовать в любой из систем, но, поскольку предполагается, что они непрерывно движутся, она должна оставаться за их пределами. Разумеется, в пространстве рассеяна громадная масса вещества, но надо помнить, что, согласно рассматриваемой теории, два типа “невесомой” материи могут притягиваться или отталкиваться.
В данном случае “отрицательная” материя вовсе не та, что может существовать в рамках теории Ньютона. Мы рассматривали ее в гл. 4 в связи с гравитационным парадоксом Зеелигера и гипотезами Фёппля и Шустера. Она, в частности, привлекалась для объяснения высокой скорости собственного движения звезды Грумбридж 1830, которую отмечал и Нью-ком. В теории Ньютона “положительная” материя должна притягивать материю любого “сорта”, поскольку масса притягиваемого тела благодаря равенству тяготеющей и инертной массы “сокращается”. Аналогично “отрицательная” материя должна отталкивать любую другую. Рассмотрим тело “отрицательной” массы, которое следует за движущимся “положительным”. Последнее притягивает “отрицательное” тело, но само отталкивается от него. Следовательно, “положительное” тело ускоряется, как и “отрицательное”, в направлении своего движения. При этом могут достигаться более высокие скорости, чем в случае только лишь взаимного притяжения частиц. Предположив, что “положительная” звезда Грумбридж 1830 имеет темного “отрицательного” спутника, можно объяснить ее высокую скорость. Однако введенная Хиксом “отрицательная” материя не приводит к такому эффекту, и
Шустер ошибался, приписывая ей указанные свойства (он ссылался на Пирсона, см. ниже).
В 1889 г. за решение этой проблемы взялся Лийи. В отличие от Хикса он рассматривал пульсации в упругой среде [208] и получил выражение для силы взаимодействия между пульсирующими сферами, разделенными расстоянием с:
24я
2ц (Я + 2ц.) _ Ь3а 72я2ц (Я + Ы2 л. bai ix. \с\\
t~~ р (2Я + 5ц) Р'Р2"Я р (2Я + 5ц)2 Pi с3 W-W>
Здесь а и Ь — радиусы сфер, К и \х—коэффициенты упругости, р — частота пульсаций, pi и р2 — постоянные, зависящие от амплитуд пульсаций двух сфер, т. е. Л'/
2 = а(1 + Р! sin рО-
Член, обратно пропорциональный кубу расстояния, всегда отрицателен, он соответствует отталкиванию, тогда как член с обратным квадратом расстояния дает притяжение, если pi и р
2 имеют одинаковые знаки, и отталкивание, если знаки разные. Таким образом, закон Лийи тоже вписывается в гипотезу Клеро. Чтобы сила взаимодействия была силой притяжения, нужно, чтобы сферы пульсировали в разных фазах, что и ведет к серьезным трудностям. Действительно, в фазе может пульсировать одновременно любое число тел, тогда как в противофазе — только два тела. Если две пульсирующие сферы притягиваются друг к другу, то, по теории Лийи, третье, пульсирующее тело обязательно будет притягивать одно из них и отталкивать другое. Если под этими сферами понимать частицы материи, нам не удастся “собрать” из них тело большой массы, не привлекая сил сцепления.
Лийи не мог представить себе абсолютно несжимаемый эфир и потому не сумел “избавиться” от упругих сил. Более того, упругие свойства эфира использовались и для объяснения электромагнитных явлений, а одновременное существование двух видов эфира с противоположными свойствами казалось ему невозможным; именно по этой причине он критиковал теорию Хикса. Лийи не принимал утверждение, что на расстояниях более четверти длины волны притяжение сменяется отталкиванием; но поскольку закон тяготения был проверен лишь для расстояний не далее Нептуна от Солнца, требовалось, чтобы четверть длины волны превышала это расстояние. Лийи дал оценку длины волны — 320 км — только для электростатики. Разумеется,
было бы сложно проверить закон Кулона для расстояний порядка 80 км.
Отношение коэффициента при г~
3 к коэффициенту при г~я в его законе равно
3 (Я + 2ц) а
3
ИЛИ
[3 (Я + 2(д,)/(2Л + 5ц)] а при а = Ь,
т. е. примерно равно величине а. Тогда закон принимает вид
F= —const (1/r2 — a/r3). (5.10'}
Поскольку а есть радиус атомной частицы и, следовательно,, малая величина, то за один орбитальный оборот апсиды должны смещаться в обратном направлении на очень малый угол.
Ясно, что эта теория не нашла практического применения. В 1895 г Хикс снова высказался в поддержку пульсационных. теорий в обращении к секции физико-математических наук Британской ассоциации, хотя при этом назвал такие теории лишь “менее всего неудовлетворительными” [168]. В 1906 и 1907 гг. Пуанкаре уделил пульсационным теориям одну из частей своих лекций, посвященных пределам применимости, закона Ньютона [287, с. 257—265]. Неудивительно, что подобные теории не произвели на него впечатления; он указал два присущих им недостатка: во-первых, предположение о
синхронности пульсаций всех атомов требует объяснения причин синхронности, во-вторых, для поддержания амплитуды-пульсации необходимы какие-то внешние силы. Как отметил Пуанкаре, теория Корна 1898 г. удовлетворяла первому условию, предполагая существование фундаментальной частоты у системы пульсирующих частиц и связывая тяготение с этой частотой. Однако, хотя первое требование удовлетворялось,. Пуанкаре нашел в теории Корна целый ряд других слабых мест.
В теории Бартона английская школа теорий пульсации достигла наивысшего развития. В 1909 г. он рассмотрел волны сжатия — разрежения, непрерывно распространяющиеся через эфир [45]. В противоположность теории Чал-лиса, согласно которой сами эти волны являются причиной взаимного притяжения тел, в теории Бартона волны вызывают пульсации фундаментальных частиц (электронов), в результате чего и возникает притяжение. Эфир считался практически несжимаемым, а скорость распространения волн — очень высокой, но “большая вселенная” — источник этих волн — оставалась вне рамок гипотезы. Выражение для силы взаимодействия у Бартона имело вид
F = r~2cos (2ягД), (5.11)
где К — длина эфирных волн. В действительности оно выведено для двух тел, линия центров которых перпендикулярна направлению распространения волн. Но все направления должны быть равновероятны, следовательно, волны будут ин-
5 Зак. 260
(5.11')
Таким образом, и этот закон не выходит за рамки гипотезы Клеро. С помощью формулы Ньютона можно вычислить угол между последовательными положениями перигелия:
п
„( 1 + Зя4/4Х4 у/, ( Зя4\Л 15
“2яГ1-^;
что соответствует очень малому обратному смещению. На расстоянии Х/4 начинается отталкивание, следовательно, наблюдения требуют, чтобы А,/4'>30 а. е. Бартон предположил, что Я,= 10
4 а. е., т. е. отклонение от закона обратных квадратов пренебрежимо мало. Высокая скорость распространения волн эфира — 2,19-1027 см/с — не позволяет проявиться эффектам аберрации.
Тунцельман [87, с. 439] объяснял аномальное смещение перигелия наличием гравитационной добавки к инертной массе электрона. Она должна зависеть от массы эфира, вытесняемого электроном во время пульсаций, и в рамках модели “деформируемого” (с переменным объемом) электрона ее можно считать функцией скорости. Тем не менее эта величина очень мала: примерно
5/зст, где с — отношение амплитуды пульсаций электрона к его наименьшему радиусу (около 1/50), а т—-вытесненная электроном масса эфира (считалось, что 1 г вещества вытесняет около 2,9-10~4 г эфира).
5.5. Теории источников — стоков эфира
Выдвигались и другие теории гравитации, исходящие из свойств эфира. В отличие от пульсационных теорий, где причиной, вызывающей притяжение и отталкивание тел, считались короткопериодические потоки эфира, в них рассматривались вековые потоки. Еще в 1853 г. Риман показал, что поток эфира в “большую вселенную
” через каждую частицу может дать эффект притяжения [87, с. 443; 305, с. 503], однако теоретически эту идею обосновал в 1891 г. Карл Пирсон, до того опубликовавший несколько работ по пульсационной теории.
Первая из них была посвящена практическому применению теории — исследованию движения судов [277]. Уже в следующей статье, написанной в том же 1883 г. и прочитанной в Кембриджском философском обществе в 1885 г., Пирсон представил детально разработанную теорию тяготения.
Выведенный им закон притяжения напоминал закон Клеро, но включал дополнительный член, пропорциональный г~
5, и обладал рядом новых свойств. Оказалось, что благодаря изменениям периодов пульсаций под влиянием других соседних тел масса тяготеющего тела должна немного меняться. Отсюда следовало, например, что, измеряя плотность Земли и используя в эксперименте различные материалы, мы должны получать разные результаты. Пирсон полагал, что от этого сомнительного вывода можно избавиться, рассматривая вместо массы в законе тяготения другие функции; правда, он указывал на “опыты Бейли, [где] средняя плотность, полученная в серии экспериментов с шарами на крутильном стержне, различалась в зависимости от вещества шаров” [279, с. 115]. Из теории также следовала зависимость массы от температуры, которая якобы наблюдалась Шоу в 1916 г, (см. гл. 6).
Вторая часть работы была более интересной [278]*. Она была направлена против Томсона, который в 1884 г. предложил модель атома, состоящего из “материального ядра, окруженного рядом материальных сферических оболочек, объединенных упругими силами”, и Линдемана, который в 1888 г. опубликовал результаты изучения механической модели атома Томсона. Цель Пирсона состояла в том, чтобы “...показать, что полученные Линдеманом результаты никоим образом не зависят от структуры оболочечной модели атома Томсона; что, далее, представление о пульсациях сферического атома гораздо лучше, чем оболочечная модель, объясняет химическое соединение и распад; как показано в моей первой работе, оно бросает некоторый свет на химические силы,
силы сцепления и даже гравитацию” [278, с. 60].
В 1891 г. Пирсон отказался от пульсационной интерпретации в пользу “эфирных струй”, хотя больше этот предмет он не затрагивал [280]. В 1870 г. о силах, возникающих между источниками и стоками жидкости, и об аналогии с гравитацией говорил Томсон, но Пирсон, исходя из этой идеи, построил серьезную модель [280, с. 309]:
“Представления о струях эфира в качестве динамической модели атома, во всяком случае, весьма просты. Однако действие одной группы струй на другую приводит к уравнениям, сложность которых вполне можно сравнить со сложностью самой Природы... Как показано, и закон тяготения, и теория потенциала более естественно вытекают из теории стр^й эфира, чем из пульсационных теорий”.
Об оболочках и упругих силах он писал [280, с. 310]:
* Здесь Пирсон ссылался на Балтиморские лекции Томсона и работу Линдемана [223].
“Атомы и молекулы Томсона — Линдемана выглядят сложными механизмами, вызывая вполне естественное отвращение философского рассудка к дуалистической теории Вселенной”.
Его собственная теория была монистической [280, с. 312]:
“...первичной субстанцией является жидкая невращаю-щаяся среда, а атомы или элементы материи суть струи этой субстанции. Откуда взялись в трехмерном пространстве эти струи, сказать нельзя; в возможности познания физической Вселенной теория ограничивается их существованием. Может быть, их возникновение связано с пространством более высокой размерности, чем наше собственное, но мы о нем ничего знать не можем, мы имеем дело лишь с потоками в нашу среду, со струями эфира, которые мы предложили именовать “материей”.
Для скорости потоков эфира Пирсон получил выражение в виде ряда. Он содержал постоянный член, ответственный за тяготение, периодические члены, связанные с химическим сродством и связью, и другие колебательные члены, описывающие оптические и электрические явления. Гравитационный потенциал имел вид
4npasa;,0vs0vs,
1
4яр
L-i
где р — плотность среды,
as— радиус сферы s, ovs— средняя скорость потока эфира через поверхность сферы s, yss, — расстояние между сферами s и s', qs— средний темп переноса эфира струей через поверхность s, т. е. qs = 4ла'^р • ov . Определяя массу как средний темп переноса эфира, Пирсон вывел закон обратных квадратов [278, с. 314]. Потенциальная энергия по существу представляет собой кинетическую энергию эфира. Под струями можно понимать источники и стоки эфира — это и будут уже известные нам “положительные” и “отрицательные” массы.
На вопрос, куда, согласно этой теории, течет эфир и откуда он истекает, ответ дал Шотт [319]. Его предположение непосредственно опиралось на объяснение узости спектральных линий; пытаясь разобраться в этом, Джине был вынужден предположить существование сил неизвестной природы, действующих между электронами, в то время как Рэлей дал лишь неполный ответ на вопрос, исходя из кинематических соображений. Трудность заключалась в том, что для кольца электронов атома “строго стационарное движение невозможно, если считать, что электрон не меняется, и исключить все силы неэлектромагнитного происхождения... Предполагая, что
радиус электрона медленно меняется, эту трудность можно преодолеть” [319, с. 23].
Идея “раздувающегося” электрона как источника эфира согласуется с теорией Пирсона; Шотт вывел закон обратных квадратов, но с зависящей от времени постоянной тяготения. Сам Шотт не считал свою теорию особенно успешной, но ее поддержал Тунцельман. Он ввел дополнительное предположение о деформации электрона с изменением скорости, пола' гая, что зависящий от скорости поток эфира может привести к
смещению перигелиев.
Однако и в теории Шотта требовалась “большая вселенная”, ибо нужно было объяснить, почему электрон испытывает вековое расширение (это расширение можно было бы интерпретировать как одну из фаз долгопериодических пульсаций электрона); по мнению Тунцельмана, причина расширения состоит в общем уменьшении давления эфира во Вселенной. И хотя в принципе его можно было бы объяснить внутренними причинами (подобно тому как в общей теории относительности расширение Вселенной вытекает из уравнений
поля), пришлось обратиться к уменьшению давления эфира на границе Вселенной, вызванному воздействием какого-то фактора во “внешней вселенной”.
5.6. Теория тяготения Лесажа
Рассмотрим еще одну из теорий тяготения — теорию Лесажа. Она впервые появилась в 1782 г. и в 1883 г. была фактически возрождена Томсоном, когда он показал, как можно обойти выдвинутое Максвеллом возражение против этой теории, позднее использованное Пуанкаре [359]. Она вызвала противоречивые отклики. Так, Джон Гершель считал ее “слишком абсурдной, чтобы ее можно было воспринимать всерьез” [357], в то время как Тейт (последователь Томсона) утверждал, что это “единственное приемлемое решение [проблемы объяснения тяготения] из всех предложенных до сих пор” [357].
Теория Лесажа ответила на ряд вопросов, оставшихся за рамками нашего обсуждения, которые касались аргумента о связи трехмерности пространства с законом обратных квадратов. Правда, этот аргумент не давал никаких указаний на характер зависимости силы от масс. Он не позволял ответить и на вопрос, почему большое и малое тело могут иметь равные веса. Если тело с расстояния г от силового центра перенести на расстояние 2г, то, как легко видеть, исходя из трехмерности пространства, сила притяжения уменьшится вчетверо. Однако если тело, оставаясь на том же расстоянии, вдруг изменит форму и займет большую долю поверхности сферы радиуса г, его вес отнюдь не увеличится в той же
пропорции. Более того, он вообще не возрастет, что противоречит отмеченному выше соображению, касающемуся размерности пространства. Теория Лесажа разрешала это противоречие или создавала такое впечатление.
В понимании Лесажа материя состоит из неделимых частиц в форме сетчатых ячеек с “прутьями” очень малой толщины, а все пространство во всех направлениях с очень большими скоростями пронизывают корпускулы — переносчики гравитации, которые очень редко сталкиваются друг с другом. Изолированное тело, помещенное в пространство, будет находиться в покое, поскольку “бомбардировка” прутьев корпускулами симметрична, и потому получаемые со всех сторон импульсы одинаковы. Если к нему приблизить другое тело, то оно станет “затенять” первое тело от корпускул, летящих по направлению от второго тела. Равновесие нарушится, и тела будут стремиться друг к другу, как если бы они взаимно притягивались [359, с. 323]:
“Не надо быть очень искушенным в математике, чтобы вывести отсюда все законы тяготения, как локальный, так и универсальный (и, следовательно, законы Кеплера и т. п.), со всей точностью, которую обеспечивают нам наблюдаемые явления. Следовательно, эти законы — неизбежное следствие принятого строения материи”.
В закон тяготения входит масса тела, так как тело тем массивнее, чем из большего числа ячеек (и “прутьев”) оно состоит и, следовательно, чем больше испытывает столкновений с корпускулами. Изменение формы тела его веса не меняет, поскольку при этом не меняется число составляющих его ячеек.
Корпускулы в теории Лесажа считались абсолютно жесткими. Чтобы теория “работала”, их скорость в результате столкновений с “прутьями” должна уменьшаться, следовательно, гравитационное взаимодействие со временем должно постепенно ослабевать. Однако, по мнению Лесажа, никаких трудностей это не создает, если только процесс протекает достаточно медленно *. Абсолютно жесткие корпускулы не будут испытывать отдачи после столкновения, они “прилипнут” к бомбардируемому телу. Постоянство массы тел при этом “налипании” можно было бы объяснить ничтожностью массы корпускул, но Лесаж полагал, что после столкновения корпускулы “стекают” с тел. Еоли они абсолютно жесткие,
* Постепенное ослабление гравитации в таких условиях отметил и Лесаж, указав на него как на слабое место теории. Он говорил: “Итак, тяготение, а вместе с ним и весь мир должны были бы уже закончить свое существование. Ответ. Согласен, но поскольку это препятствие ничего не приносит, чтобы мир пришел к своему концу быстрее, чем сам по себе, то его следует считать ничтожным” [359, с. 328].
большая часть их энергии должна уходить на нагревание. Как показал Максвелл [242], в результате такой бомбардировки тела нагрелись бы до белого каления, а Томсон несколько раньше писал, что “рост температуры был бы вполне достаточен для плавления и испарения любого твердого тела, в равной степени большого или малого, в считанные доли секунды” [359, с. 329]. Томсон заменил эти частицы абсолютно упругими “вихревыми атомами”. Поскольку при абсолютно упругих столкновениях кинетическая энергия не теряется, указанное препятствие исчезает; однако если скорость корпускул остается неизменной, эффект тяготения не возникнет. Томсон предположил, что на самом деле кинетическая энергия поступательного движения корпускул при столкновениях уменьшается и часть ее переходит в энергию колебаний. Она, в свою очередь, может вновь перейти в энергию поступательного движения, что и должно обеспечивать прежний уровень тяготения. В поддержку такого предположения Томсон привлек принцип Клаузиуса, согласно которому в системе взаимодействующих упругих корпускул отношение колебательной и вращательной энергии к энергии поступательного движения постоянно. После столкновения с телом этот баланс должен нарушаться, но затем в ходе межкорпускулярных столкновений вскоре восстанавливаться.
Во второй половине XIX в. теория Лесажа в разных вариантах анализировалась многими учеными, в том числе Изенкраэ, Боком, Рысанеком, Яролимеком и Престоном. Престон [295] считал гравитационные корпускулы чем-то сродни молекулам газа, предполагая, следовательно, что они подчиняются кинетической теории, предписывающей для них равномерное распределение по всем направлениям. Опираясь на анализ движения Нептуна и используя упомянутую идею и ее следствия, Рысанек [311] получил оценку скорости частиц 2,7-10
12 — 5,4-1017 м/с. Престон пытался обойти отмеченное Максвеллом противоречие по-другому, без обращения к принципу Клаузиуса: он считал, что, если бесконечно увеличить число корпускул и тем самым уменьшить передаваемую каждой корпускулой энергию, можно избежать вывода о заметном повышении температуры тел [296, с. 151]. Однако этот аргумент малоубедителен без количественной оценки, подтверждающей эффективность указанного механизма тяготения. Престон отмечал, что, согласно теории Томсона, действие тяготения распространяется лишь до тех расстояний, где энергия поступательного движения корпускул успевает полностью восстановиться. Это обстоятельство само по себе не опродрогало теорию, ибо закон обратных квадратов был “проверен” лишь до расстояния порядка 30 а. е. (между Солнцем и Нептуном), а предполагаемое отсутствие тяготения
между звездами лишь увеличило бы устойчивость Вселенной. Мы уже видели в гл. 4, как Зеелигер использовал теорию Лесажа для объяснения устойчивости Вселенной и решения гравитационного парадокса; однако он обошелся без идеи Престона, приняв, что существует поглощение гравитации.
В 1897 г. Фарр нашел новое слабое место этой теории [113]. Теоретически поглощение гравитации должно было быть очень малым, и не только по той причине, что оно не наблюдается (предполагавшаяся величина поглощения в масштабах межпланетных расстояний была бы незаметной), но и потому, что после некоторого критического значения массы (когда еще все корпускулы “видны”) тяготение уже не зависело бы от массы тела. Высказывая свое возражение, Фарр опирался, в частности, на результат Нернста, согласно которому молекулы жидкости вблизи точки кипения при атмосферном давлении занимают около 0,3 всего объема. Эта доля настолько велика, что экранировка должна быть непомерно большой. Конечно, этот аргумент убедителен в том случае, если молекулы рассматривать как твердые и непрозрачные для гравитационных корпускул частицы.
В 1905 г. Джордж Дарвин [71] дал математическое описание теории Лесажа. Он привел следующее выражение для силы притяжения между двумя сферами, полученное с учетом и нормальных, и тангенциальных составляющих сил, возникающих при столкновениях:
„ 1 v2a2b2 (,, , ,/\ , 8 а /, i n \
4а
(4а + 76) 3 X 5 X 7R2
k')}, (5.13)
где р — плотность среды, и — скорость корпускул, а и
b — радиусы сфер, R — расстояние между их центрами, k и k' — коэффициенты упругости (k' — для тангенциальной составляющей), причем для идеально неупругих столкновений k=\, а для идеально упругих k = 2. Это выражение не совсем совпадает с законом обратных квадратов, но сводится к нему, если положить k = k'. В общем случае действие и противодействие не равны, поскольку а и Ь входят в формулу несимметрично, но, считая все сферы “элементарными частицами” одного размера, можно избавиться и от этого затруднения. Однако полученный закон для силы является приближенным, поскольку при его выводе Дарвин пренебрег отраженными частицами. В принципе закон Дарвина предсказывает смещение перигелия, но так как величина коэффициента при R~3
имеет порядок радиуса “элементарной частицы”, это смещение крайне незначительно.
Если и казалось, что Дарвин придал теории Лесажа некое подобие “респектабельности” (сам он так не считал*), то Пуанкаре [286, 287, с. 203—216] окончательно опроверг эту теорию. Он количественно рассчитал давно предполагавшийся эффект нагревания гравитирующих тел. Связав нагревание с сопротивлением, испытываемым телами, и используя примерно тот же аргумент, что и Лаплас, Пуанкаре показал, что скорость корпускул должна быть в 24-10
17 раз больше скорости света; если так, то за счет взаимодействия с ними Земля получала бы в 1020 раз больше энергии, чем излучает Солнце. Не лучше обстояло дело и с неидеально жесткими корпускулами или волновым вариантом теории (рассмотренным Дарвиным и Томмасиной), где вместо корпускул действовало лучистое давление (давление Максвелла — Бартоли). Итак, теория Лесажа оказалась несостоятельной [87, с. 433]:
“Тот факт, что столь искусственная гипотеза с таким большим количеством слабых мест, подвергаясь анализу столь известных ученых, существовала в течение более чем двух столетий и теперь должна с достоинством умереть, послужит созданию у читателей впечатления о крайней сложности проблемы динамического представления гравитационного действия”.
Так писал о теории Лесажа Тунцельман. Хотя все теории, о которых мы говорили, оказались в конечном счете ошибочными, они отражали и сложность природы самого тяготения, и стремление ученых разобраться в нем, а не просто принять закон обратных квадратов или какой-либо другой из подходящих законов. Все это и привело Эйнштейна к созданию общей теории относительности. Несмотря на ошибочность, эти теории воспринимались серьезно. Я рассмотрел их по той причине, что только с их помощью можно
a priori оценить степень правдоподобности гипотезы Холла или же найти иные
* Дарвин предварил свое “Введение в динамическую астрономию” [73] обзором ряда теорий тяготения. Говоря об аргументах Максвелла против теории Лесажа, он добавлял: “Лорд Кельвин, однако, указал путь обхода этой фундаментальной трудности... . С другой стороны, тяготение не может передаваться на бесконечность и действует лишь в ограниченной области пространства. В дальнейшем я не стану касаться этой концепции. Во всяком случае, по моему мнению, ни один из людей науки не склонен считать, что она выводит на верную дорогу”. Он писал об эксперименте Бьеркнеса: “Какими бы занимательными и интересными ни были эти рассуждения и опыты, мне не кажется, что они могут привести к рабочей гипотезе о природе тяготения”. И далее об идеях Осборна Рейпольдса: “Хотя и нельзя считать, что Рейнольде хорошо излагает свои взгляды, его достижения в науке таковы, что теория требует внимательного подхода”
(Рейнольде [304, с. 205] в 1903 г. вывел закон обратных квадратов для тяготения).
Глава 5
пути для объяснения движения перигелия Меркурия. Как мы увидели, ни одна из рассматриваемых теорий не дала формулы для силы, соответствующей гипотезе Холла. Это обстоятельство, а также рассмотренные выше аргументы в пользу закона обратных квадратов наводят на мысль, что гипотеза Холла уже с самого начала была маловероятной.
5.7. Опровержение гипотезы Клеро Ньюкомом (1882 г.)
Итак, существовавшие тогда теории тяготения свидетельствовали в пользу гипотезы Клеро. Создается впечатление, что Ньюком мог сделать и лучший выбор, взяв для своих теоретических расчетов не закон Холла, а закон Клеро; но, оказывается, он рассматривал закон Клеро еще в своей первой работе о перигелии Меркурия [256]. В то время он отверг закон Клеро по одной очень веской причине, которую, кстати, указал сам Клеро ([256, с. 472], см. цитату на с. 55 этой книги). Вывод Ньюкома о том, что на расстояниях “порядка фута” член с обратным кубом расстояния был бы в 200 000 раз больше обратного квадрата, безусловно, верен. Как показал Ньютон, угол между апсидами для закона силы взаимодействия вида ЬАт
~3 — сАп~гравен 180°[(6—с)/(mb—• — пс)]1/2. Закон Клеро с обратной третьей степенью расстояния имеет вид А~2 + аА~3; 6=1, а = —с, т=\, п = 0. Следовательно, угол между последовательными положениями перигелия равен 360° (1 + я)|/2. Смещение перигелия Меркурия составляет около 40" в столетие, 0,4" в год, или 0,1" за один орбитальный оборот. Следовательно, требуется, чтобы 360(1 + аУ'2 = 360 + 0,1/3600 или (1 + а)1'2 = 360,000 0278/ /360 “1+8-10~8, так что, возводя обе части в квадрат, получаем (1 -4- а) = 1 + 16-10~8 или, окончательно, а == 16-10~8.
Следовательно, отмеченное Ньюкомом противоречие носит фатальный для гипотезы Клеро характер. В опытах Кавен-диша сила притяжения двух близких друг другу свинцовых шаров измерялась по углу закручивания упругой нити. С учетом члена г~
3, выбранного так, чтобы обеспечить смещение перигелия Меркурия, общая сила была бы гораздо больше, чем давал эксперимент.
Таким образом, в 1895 г. Ньюком остановился на гипотезе Холла как на единственной приемлемой теории, в которой сила зависит от одного лишь взаимного расстояния. И когда в 1903 г. Браун доказал, что гипотеза Холла не согласуется с движением Луны, Ньюком высказался в поддержку гипотезы Зеелигера. В то время в теориях тяготения, за исключением тех, которые были рассмотрены в этой главе, использовались законы, включающие зависимость силы от скорости. Законы такого вида мы рассмотрим в следующей главе, а в гл. 7 речь пойдет о первых релятивистских теориях.
Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?
Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
