Реферат Ефір або фізичний вакуум Банк рефератів, творів, доповідей, курсових та дипломних робіт
Юрій Обухов, Ігор Захарченко
Поняття про ефір виходить із глибокої давнини – в давньоарійську епоху воно відносилося до особливого стану матерії, що називається «акаша» (п'ятий елемент матеріальної природи). Ось як поняття «акаша» висвітлено в трактаті С.Вівекананди «Раджа-йога»: «Це всюди перебуває і все, що проникає. Все, що має форму, все, що є результатом з'єднань, все розвинулося з цієї Акаші. Акаша – це те, що стало повітрям, рідинами, твердими тілами. Вона сама не може бути помічена, тому що настільки тонка, що знаходиться поза всіма звичайними сприйняттями і може бути видима тільки тоді, коли стане грубою, набуде форми. На початку творіння існує лише ця Акаша; при кінці циклу тверді тіла, рідини та гази, всі розкладуться знову в Акашу».
Дві з половиною тисячі років тому давні греки підхопили та розвинули це поняття під ім'ям αιυηρ (ефір, небо). У 1618р. французький філософ, фізик і математик Рене Декарт запропонував розглянути ефір як матеріального переносника світла. За його уявленнями, світло є стиском, що розповсюджується в ідеально пружному середовищі (ефірі), яке заповнює весь простір. З того часу ідея ефіру міцно увійшла до наукового обігу, особливо у працях Ньтона, Френеля, Максвелла, Лоренца. Ефірна концепція досягла кульмінації у ХІХ столітті, коли Максвелл, спираючись на створену ним модель ефіру, отримав фундаментальні рівняння електродинаміки.
На початку XXв. склалися два погляди на ефір: або він захоплюється рухом тіл, або не захоплюється (нерухомий). З концепції незахопленого ефіру випливало нерівноправність інерційних систем та існування привілейованої (пов'язаної з ефіром) системи відліку так званої абсолютної. Експерименти,покликані виявити таку систему відліку і швидкість щодо неї, були виконані Майкельсоном (1881 р.), Морлі та його послідовниками, і тривали протягом усього століття [1]. Експерименти дали нульовий результат: рух Землі щодо ефіру не виявлено. Це інтерпретувалося як доказ відсутності ефіру, незважаючи на спроби Лоренца пояснити нульовий результат скороченням розмірів тіл уздовж руху [2]. Очікуваний результат у цих дослідах розраховувався за законами класичної механіки, оскільки наукова громадськість у відсутності іншого апарату (інший механіки) з метою оцінки досвіду, на даний момент його проведення. Однак слід наголосити на некоректності застосування цих законів для випадку поширення світла в ефірі. Головна особливість класичної механіки – це вимога миттєвості поширення взаємодій, тобто. закони цієї механіки справедливі лише за умови малості швидкостей руху проти зі швидкістю світла. Отже, всі швидкості рухів, що входять до Ньютонівської формули складання швидкостей (v+c), також повинні задовольняти цю умову. При розрахунку досвіду Майкельсона-Морлі ця умова виявилася виконаною тільки для швидкості Землі (v), другий доданок – швидкість світла (c) – цій умові явно не задовольняє. Таким чином, застосування механіки Галілея-Ньютона незаконне, оскільки порушує межі її застосування. Для розрахунку досвіду потрібна інша механіка [3], відмінна від класичної та релятивісткою. Основу цієї нової механіки становлять існування абсолютної системи відліку, пов'язаної з ефіром, і нерівноправність інерційних систем, що випливає звідси. У результаті некоректної інтерпретації дослідів Майкельсона - Морлі, що завершилася побудовою спеціальної теорії відносності (СТО), було теоретично оформлено відмову від концепціїефіру, а замість ефіру з розвитком квантової теорії поля з'явився термін «фізичний вакуум».
Фізичний вакуум
Вакуум (латинською vacuum) – порожнеча, тобто. простір без матерії та енергії. Фізичний вакуум - простір, що не містить реальних частинок та енергії, що піддається безпосередньому виміру. Згідно з сучасними фізичними уявленнями, це найнижчий енергетичний стан будь-яких квантованих полів, що характеризується відсутністю реальних частинок. Можливість віртуальних процесів у фізичному вакуумі призводить до ряду ефектів взаємодії реальних частинок з вакуумом, що реєструються експериментально. Фізичний вакуум є безліч всіляких віртуальних частинок і античастинок, які у відсутності зовнішніх полів що неспроможні перетворитися на реальні. За сучасними уявленнями у вакуумі безперервно утворюються і зникають пари частинок-античасток: електрон-позитрон, нуклон-антинуклон. Вакуум наповнений такими «не цілком народженими», що з'являються і зникають частинками. Вони не піддаються реєстрації та називаються віртуальними. Проте за певних обставин віртуальні частки стають реальними. Так, наприклад, зіткнення частинок високих енергій або сильні поля народжують із вакууму снопи різних частинок та античастинок. Тобто. вакуум може бути представлений як особливий, віртуальний тип середовища. Віртуальність середовища проявляється, зокрема, у неможливості виявити факт руху щодо неї жодними експериментальними методами, що рівносильне прояву принципу відносності. Концепція рівноправності інерційних систем, звана принципом відносності, є фундаментом теорій, що породили поняття про фізичний вакуум. Тобто. уявлення про фізичний вакуум були логічно отримані із принципу відносності.Згідно з даними уявленнями, світло не потребує матеріального середовища-носія, а сукупність фотонів утворює вільне електромагнітне поле. Найнижчий енергетичний стан цього поля називають "вакуумом електромагнітного поля" [4].
Причини, які спонукають повернутися до концепції ефіру
На основі принципу відносності було створено спеціальну теорію відносності. Ця теорія пояснила експериментальні дані, що накопичилися на той час, і стала фундаментом сучасної фізики високих енергій. Її з успіхом застосовують при проектуванні прискорювачів елементарних частинок та в експериментах з релятивістськими частинками. Проте є серйозні підстави для того, щоб відмовитися від принципу відносності, що лежить в основі СТО:
Спеціальна теорія відносності містить внутрішнє протиріччя, відоме як парадокс двох близнюків. Робилися спроби дозволити цей феномен залученням загальної теорії відносності (ОТО), але це мало успіх лише малих швидкостей руху [5]. У випадку релятивістських швидкостей феномен залишається непереборним. Найбільш чітко порушення причинно-наслідкових зв'язків між подіями виявляються в «парадоксі трьох близнюків» (розглянутому в [3]), що є розвитком уявного експерименту з близнюками.
Існують сучасні експерименти, які визначають залежність швидкості світла від напряму поширення хвилі. Серія таких експериментів була виконана Стефаном Мариновим, в дослідах було виявлено напрям поширення світлової хвилі, в якому має місце перевищення швидкості світла на величину 360±40км/с. Результати експериментів Марінова суперечать постулату СТО про інваріантність швидкості світла.
Викладені причини стали підставою для відмови відпринцип відносності, що природним чином призводить до ідеї відродження концепції ефіру, для якої характерні нерівноправність інерційних систем, з одного боку, і залежність швидкості світла від напряму поширення хвилі з іншого. Концепція ефіру змушує інакше поглянути на взаємодію реальних частинок з віртуальними (що представляється в рамках концепції фізичного вакууму). Вказана взаємодія є не що інше, як взаємодія реальних частинок з реальним ефіром, що виключає необхідність запровадження штучних посередників, якими є віртуальні частки.
Теоретичне обґрунтування концепції ефіру
Не торкаючись конкретних моделей ефіру, виділимо дві його властивості, необхідні подальшого викладу: властивість середовища-носія взаємодій та її неувлекаемость рухомими тілами (нерухомість). Таким чином, електромагнітна хвиля є поширенням збудження нерухомого середовища-ефіру.
Альтернативна інтерпретація дослідів Майкельсона-Морлі
Досвід Майкельсона-Морлі в момент становлення СТО був проінтерпретований відповідно до принципу відносності, а саме: швидкість світла у будь-якій системі координат має однакову величину «с» і не залежить від напряму поширення хвилі (тобто ізотропна). Однак із досвідів Майкельсона-Морлі такий результат не випливає. В експериментах Майкельсона-Морлі встановлено факт ізотропії часу двостороннього поширення світла (t++t-=const) тут t+; t– – інтервали часу одностороннього поширення світла на відрізку оптичної лінії довжиною L у прямому (від початку відрізка до кінця – t+) та зворотному (від кінця до початку – t–) напрямках. Прихильники принципу відносності, не маючи можливості виміряти зазначені часи окремо (через відсутністьвідповідної техніки та технології) і спираючись на принципово неправильний розрахунок досвіду, трактували його результат, як рівність часів t+ і t–, відкинувши очевидну альтернативну версію: «t+ не дорівнює t–, за умови t++t–=const». Якщо ввести величину, що називається швидкістю двостороннього поширення світла і визначається як: c=2L/(t++t–), то для цієї величини (а зовсім не для швидкості одностороннього поширення світла) з дослідів Майкельсона-Морлі дійсно випливає інваріантність та ізотропність ( див. докладніше у [3]).
Така, здавалося б, незначна відмінність в інтерпретації досвіду Майкельсона-Морлі призводить до діаметрально протилежного результату: відмови від принципу відносності і відродження концепції ефіру.
Теорія світлоносного ефіру (СЕТ)
Альтернативна, коректна інтерпретація дослідів Майкельсона-Морлі дозволила побудувати теорію на наступних постулатах:
Про існування середовища поширення взаємодій (ефіру, що не захоплюється рухомими тілами) пов'язаної з нею абсолютної системи відліку; світло у зазначеному середовищі поширюється прямолінійно та ізотропно зі швидкістю с=299792458±1,2м/с.
Про інваріантність швидкості двостороннього поширення світла в інерційних системах відліку. З постулатів випливають перетворення координат і часу для двох систем відліку (OX1Y1Z1) і (OX2Y2Z2), що рухаються відносно абсолютної системи з різними швидкостями v1 і v2 (надалі абсолютними) (див. [3]):