О ВОЛЬНОМ ЭФИРЕ

Ночной эфир струит зефир,

Шумит, бежит Гвадалквивир

 (А. С. Пушкин)

Летит нейтрино сквозь рогатки и препоны,

И за Можай его, нейтрино, не зашлют.

Закон Кулона не объявишь вне закона,

Ну, разве что, через Басманный суд.

(Т.Шаов)

Слово «эфир» прочно вошло в наш язык («в эфире «Эхо Москвы», «встретимся в прямом эфире» и т. д.). Но все же читатель, наверное, слышал, что эфир есть устарелая научная концепция и его бытовое употребление является своебразным пережитком прошлых времен. На самом деле мне кажется, что «эфир» таки вернулся в науку, хотя и изменившись, но не до неузнаваемости.

Как следует из вышеприведенных примеров, в повседневном употреблении слово «эфир» связано гл. образом с радио. Исторически это вполне оправдано. Радиоволны являются частным проявлением электромагнетизма, теория которого была построена в середине XIX века великим британским физиком Джеймсом Клерком  Максвеллом. Максвеллу удалось обобщить все предыдущие открытия в области электричества и магнетизма и написать систему уравнений,  описывающих электрические и магнитные поля, как часть более общего явления. Из этих уравнений, в частности, следовало, что меняющееся во времени электрическое поле может порождать переменное магнитное, а то, в свою очередь порождает электрическое,  и т.д. В результате такого «тяни-толкай» получается распространяющаяся волна, которая и описывает все, что мы теперь называем электромагнитным излучением, т.е. радиоволны, тепловую радиацию, свет, ультрафиолетовые лучи, рентген и т.д.

Волны разного рода в природе - постоянное явление, но все, с чем люди были знакомы до Максвелла, были волны, распространяющиеся в какой то среде, как то волны на поверхности воды, звуковые волны и т.д.

Естественно возник вопрос, колебаниями какой среды является, скажем, свет. Аналогия еще более подхлестывалась тем, что уравнения электромагнитных волн выглядели в точности, как уравнения, описывающие распространение звука в некой среде. Гипотетическая среда эта и получила название эфира. Свойства ее получались довольно странными: она должна была быть весьма плотной и упругой (после всего, скорость света превышает скорость звука даже в таких средах, как сталь, в миллионы раз), абсолютно несжимаемой и допускать деформации только на сдвиг. Вот такой вот сверхтвердый кристалл. Получалось так, что то, что люди полагали пустым пространством, на самом деле совсем не пусто, а занято вот этим самым странным веществом, мировым эфиром.

Нет нужды рассказывать о том, как идея  такого эфира вступила в противоречие с данными наблюдений и была, казалось бы, навеки похоронена теорией относительности. Об этом написано в учебниках. Однако, кое что от этой старой идеи вернулось в физику в виде отрицания существования «пустого» пространства, т.е. пространства, лишенного свойств. Правда, вместо слова «эфир» теперь пользуются словом «вакуум» (т.е. «пустота»), понимая его совсем не как пустоту, что несколько сбивает с толку.

Поясню терминологию на примере. Возьмем какую нибудь частицу (ну хоть электрон) и поместим ее в ящик размерами LxLxL. Согласно квантовой механике, электрон не может пребывать там в состоянии покоя, он будет метаться из конца в конец своего ящика, как арестованный, только что брошенный в  одиночную камеру.  Согласно принципу неопределенности Гейзенберга типичная скорость этого движения «v» обратно пропорциональна размеру ящика v ~1/L и, следовательно, энергия движения ~1/L2. То же самое произойдет с какими угодно частицами, помещенными в ограниченный объем пространства. А именно, у них будет некая конечная энергия, меньше которой быть уже не может. Т.е. нельзя их остановить совсем. В физике этот неотъемлемый минимум называется энергией основного состояния. Энергия эта, как следует из вышеприведенного объяснения, зависит от объема (и даже формы) ящика, в которой частицы содержатся. Пока объем ящика не меняется, основное это состояние воспринимается нами, как “пустое” пространство. Однако, как только мы попробуем изменить объем, то сразу поймем, что в нем что то есть. Ну, как же, меняя объем ящика, мы изменим минимальную энергию находящихся в нем частиц, а для этого нам самим нужно будет затратить некое усилие.

А теперь представим, что ящик это вся Вселенная. Заполнена она всякого рода частицами и полями (свет, нейтрино, все, что угодно). Раз так, то у “пустого” пространства есть некая  энергия, изменение которой будет ощущаться, когда пространство меняет объем, т.е., например, расширяется, как это происходит с нашей Вселенной. Это и есть та самая “темная” энергия, о которой в последнее время заговорили физики. На ее долю, по современным оценкам, приходится довольно значительный процент общей энергии Вселенной. Загадка, однако, состоит в том, что все существующие теории предсказывают, что доля эта должна быть просто неизмеримо, невообразимо больше, чем это наблюдается. На настоящее время противоречие это остается неразрешимым, указывая, быть может, на грядущую революцию в физике.

“Есть только атомы и пустота”, -сказал Демокрит. В предыдущем блоге я рассказал, что атомы оказались не тем, что о них думали. А здесь я поведал, что пустота тоже оказалась не совсем пустой.

Принимая разные формы, появляясь, исчезая и меняя лица,

И пиля решетку уже лет, наверное, около семиста,

Из семнадцатой образцовой психиатрической больницы

Убегает сумасшедший по фамилии Пустота.

(В. Пелевин. «Чапаев и Пустота»).