История эфира

Предисловие

Выбор названия книги требует разъяснений. В ней рассказывается об эволюции представлений о том, что такое «физический вакуум» в терминологии, принятой сейчас в теоретической физике. Но книга рассчитана на более широкую аудиторию, не только физиков-теоретиков, которые сами по себе представляют небольшое сообщество. Даже среди них лишь малая часть, а именно специалисты в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, действительно занимаются проблемами, имеющими отношение к современному содержанию термина «вакуум».

Определение во втором издании БСЭ[1] гласит: «Вакуум — состояние разреженного газа, заключенного в сосуд». И дальше следует описание различных вакуумных аппаратов. Бели читатель обратится к Словарю иностранных слов (см. издание 5-е, М., 1955), то найдет там ту же фразу и краткое добавление: «Вакуум создается с помощью насоса. В. применяется в электролампах, электронных приборах, химической, пищевой и др. отраслях промышленности».

Становится понятной необходимость разъяснений Чаще употребляется слово «вакуум» в техническом смысле, и выбранное название книги у многих должно вызвать неправильные ассоциации. На самом деле в ней нет ни малейшего упоминания о насосах, электролампах и применениях в промышленности. Но что делать, если по историческим причинам в современной теоретической физике область пространства, где нет ни полей, ни вещества, тоже называется «вакуум», хотя смысл этого понятия не такой, как в Словаре иностранных слов[2].

О чем же все-таки пойдет речь? В физике вообще трудно давать строгие определения терминов. В частности, понятие физического вакуума окажется разным в зависимости от глубины и точности, с которой подходят к его изучению. Для первой ориентировки читатель может считать, что узнает что-то новое о вакууме с точки зрения Британской Энциклопедии. Приведенное в эпиграфе общедоступное определение является лучшим из всех, которые удалось найти.

Бели бы эта книжка писалась в начале века, до создания теории относительности, то ее правильное название, без сомнений, должно было быть: «История эфира. Эфир — греческое слово (αιθηρ), первоначальный смысл которого — голубое небо, чистая и прозрачная атмосфера. Оно используется 2000 лет для обозначения самой тонкой, неосязаемой материи. Я не пытался выяснить, кто из древних греков впервые употребил его в таком контексте. У Гомера мы встречаем эфир как оплодотворяющее землю небо, у орфиков эфиру придается мистический смысл мировой души. В поэме Лукреция «О природе вещей» читаем:

У Лукреция эфир — вечная материя, образующая звезды и состоящая из особенно тонких и подвижных атомов, из которых, в частности, устроены звезды.

Слово «эфир» прожило богатую и полную приключений жизнь. С XVII века, в основном благодаря Декарту, оно употребляется уже не в метафизическом контексте, а для обозначения конкретной среды, свойства которой можно изучать физическими методами. Сейчас оно практически полностью истреблено в научной литературе. Концепция эфира к началу нашего века сделалась чрезвычайно искусственной, трудной и противоречивой. Она была столь сильным источником мучений для многих выдающихся физиков на протяжении последних 300 лет, что освобождение от нее явилось истинной революцией в сознании. Но если не связывать эфир с конкретными механическими представлениями, что в прошлом всегда приводило к большим трудностям, а обозначать этим словом, чисто формально, среду, где распространяются и взаимодействуют элементарные частицы и электромагнитные волны, то физический вакуум и эфир обозначают одну и ту же сущность. Поэтому дальше в тексте эфир будет употребляться на равных со словами вакуум и пустота.

Зачем нужно такое возвращение к отжившему термину? По единственной причине: чтобы в процессе рассказа не утерялась «связь времен». Эфир испытывал столько превращений на протяжении долгой истории и выдерживал столь тяжелые перегрузки, что можно надеяться, что он с легкостью выдержит еще одну. Теперь уже можно сказать без всякой натяжки, что в этой книге рассказывается об истории эфира и о том, как он выглядит в представлении современного физика-теоретика.

Почему это интересно? Дело в том, что нет никаких шансов как следует понять фундаментальные свойства материи, нельзя даже придать истинный смысл самим терминам «материя», «вещество», не разобравшись в свойствах физического вакуума или эфира. Все многообразие форм вещества, которое мы наблюдаем, является мелкой рябью над поверхностью бездонного моря — эфира.

Развитие представлений о природе эфира является увлекательной главой истории познания человеком окружающей действительности. В этом процессе он сознавал свое место в мире, изменял свои взгляды на то, что значит понимать законы Природы, учился тому, какие вопросы несвоевременно или неправильно задавать, и… — я очень хотел бы сказать: «становился скромнее». Но в действительности, это не так. Человек не стал скромнее, несмотря на то, что количество нерешенных проблем чрезвычайно возросло с дополнительным знанием.

Я не уверен, что удастся убедить скептически настроенного читателя, что абстрактные вещи, о которых пойдет речь, касаются его лично. Тем не менее, на самом деле материальные условия и духовная жизнь людей в наибольшей степени связаны с фундаментальными открытиями в науке, хотя в обыденной жизни, на малых отрезках времени, человеку свойственно игнорировать этот факт. Ту же мысль ярко выразил в своих лекциях Р. Феинман, один из замечательных физиков XX века, говоря о значении уравнений Максвелла: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым замечательным событием XIX века несомненно будет открытие Максвеллом законов электромагнетизма. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть мелким провинциальным происшествием». Заметим, что эти слова сказаны американцем, для которого гражданская война, унесшая около 2 млн. жизней, — одно из самых заметных событий в истории; о нем он в подробностях знает с детства.

Чтобы «оживить» изложение, рассказывая о физических теориях, я буду говорить о людях, которые их создавали. «Обезличенные» теории многое теряют. Я надеюсь, что даже при отсутствии специальной подготовки читатель сможет разделить с автором глубокое чувство благоговения перед красотой фундаментальных законов природы и отдаст должное творческому гению конкретных, замечательных людей, благодаря которым мы многое сейчас понимаем.

В заключение хотелось бы рассказать о беседе с одним способным молодым физиком из института, где я работаю. Он горячо доказывал, что популярная литература по теоретической физике не нужна, поскольку плодит мечты вместо реального знания. Я не соглашался с ним, считая лучшим аргументом то, что такая литература существует и в этом жанре есть прекрасные образцы. Для меня нет сомнений, что кроме истинного понимания и точной информации о предмете, к которым всегда стремился мой собеседник, наука несет еще что-то, являющееся источником воодушевления. Надежда передать читателю это неформулируемое «что-то» была для меня главным стимулом в процессе работы.

Есть еще обстоятельство, о котором стоит сказать. В обществе очень велика разница в восприятии явлений, относящихся к «неживой природе», между научным работником-физиком и так называемым «простым человеком» гуманитарного склада с любым уровнем образования (наличие высшего — делу не помогает). Проблема здесь не в естественном и нормальном недостатке знаний о многих предметах, в этом равны и физики и гуманитарии, — нельзя объять необъятное. Речь о самом глубоком — о принципах, ощущении того, с каким трудом добывается реальная информация о Природе, какие мучения поколений исследователей стоят за открытием самых простых по форме, всем известных физических закономерностей, таких например, как F = ma или Е = mc². Между тем, необходимость понимания, откуда происходят и в чем состоят основные принципы физики, как трудно они «достались», как трудно в них что-либо изменить, — это столь же неотъемлемый элемент культуры, как и знакомство с наиболее важными фактами в живописи, литературе, истории.

В XX веке должно было бы вызывать изумление массовое увлечение астрологией, магией, телепатией, пришельцами, неопознанными объектами и еще Бог знает чем. Тем не менее, все это повсеместно происходит. Можно понять наличие у ряда лиц экстрасенсорных способностей, никто не станет отрицать фактов сильного психологического воздействия одних людей на других. Но почему никогда не хватает чувства меры? Зачем отдельным людям нужно перемещать планеты и влиять на погоду, а другим искренне верить, что такое возможно? В то же время реальная Природа гораздо интересней и богаче, чем может представить самое раздраженное воображение, и она заслуживает того, чтобы отдать душевные силы на постижение ее красоты, не растрачивая их на то, что только засоряет ум. Я буду счастлив, если эта книга убедит читателя в справедливости сказанного.