Эфір (святланосны эфір, ад Αἰθήρ, верхні пласт паветра;) — гіпатэтычнае ўсёпранікальнае асяроддзе, ваганні якога праяўляюць сябе як электрамагнітныя хвалі (у тым ліку як бачнае святло). Канцэпцыя святланоснага эфіру была вылучана ў XVII стагоддзі Рэнэ Дэкартам і атрымала падрабязнае абгрунтаванне ў XIX стагоддзі ў рамках хвалевай оптыкі і электрамагнітнай тэорыі Максвела. Эфір разглядаўся таксама як матэрыяльны аналаг ньютанаўскай абсалютнай прасторы. Існавалі і іншыя варыянты тэорыі эфіру.
У канцы XIX стагоддзя ў тэорыі эфіру паўсталі непераадольныя цяжкасці, якія вымусілі фізікаў адмовіцца ад паняцця эфіру і прызнаць электрамагнітнае поле самадастатковым фізічным аб’ектам, не маюць патрэбы ў дадатковым носьбіце. Абсалютная прастора была скасавана спецыяльнай тэорыяй адноснасці. Неаднаразовыя спробы асобных вучоных адрадзіць канцэпцыю эфіру ў той ці іншай форме (напрыклад, звязаць эфір з фізічным вакуумам) поспеху не мелі.
Гісторыя
Антычныя прадстаўленні З нешматлікіх прац старажытнагрэчаскіх вучоных, якія дайшлі да нас, можна зразумець, што эфір тады разумеўся як асаблівае нябеснае рэчыва, «запаўняльнік пустаты» у Космасе . Платон ў дыялогу «Тымей» паведамляе, што Бог стварыў свет з эфіру. Дэмакрыт тэрмін эфір не выкарыстаў. Лукрэцый Кар ў паэме «Аб прыродзе рэчаў» згадвае, што «эфір сілкуе сузор’і», гэта значыць свяціла складаюцца з згушчанага эфіру.
Некалькі больш падрабязная карціна выкладзена ў працах Арыстоцеля. Ён таксама лічыў, што планеты і іншыя нябесныя целы складаюцца з эфіру (ці квінтэсенцыі), які ёсць «Пяты элемент» прыроды, прычым, у адрозненне ад астатніх (агню, вады, паветра і зямлі), вечны і нязменны. Арыстоцель пісаў: «сонца не складаецца з агню; яно ёсць велізарная навала эфіру; цеплыня Сонца наносіцца дзеяннем яго на эфір падчас звароту вакол Зямлі». Эфір таксама запаўняе ўвесь пазаземны Космас, пачынаючы са сферы Месяца; з прыведзенай цытаты можна зрабіць выснову, што эфір Арыстоцеля перадае святло ад Сонца і зорак, а таксама цяпло ад Сонца. Арыстоцелеўскае разуменне тэрміна перанялі сярэднявечныя схаласты; яно пратрымалася ў навуцы да XVII стагоддзя.
Святланосны эфір Дэкарта (XVII стагоддзе) Гіпотэза аб існаванні святланоснага эфіру была вылучана ў 1618 Рэнэ Дэкартам і развіта ў яго «Пачатках філасофіі» (1644). У адпаведнасці са сваёй (картэзіянскай) натурфіласофіяй Дэкарт разглядаў эфір як «тонкую матэрыю», падобную вадкасці, механічныя ўласцівасці якой вызначаюць законы распаўсюджвання святла. Эфір Дэкарта запаўняў увесь вольны ад матэрыі прастора Сусвету, аднак не аказваў супраціву пры руху ў ім рэчыўных цел. Трэба адзначыць, што пустаты Дэкарт, як і Арыстоцель, не прызнаваў, і абзацы 16 і 20 «Пачаткаў філасофіі» («Пра тое, што не можа быць пустаты» і «Аб немагчымасці існавання атамаў») адмыслова прысвяціў абвержанню атамізму.
Як і іншая матэрыя, картэзіянскі эфір знаходзіцца ў пастаянным руху, пераважна ў форме віхуру. Узаемныя ціск і цэнтрабежная сіла, якія ўзнікаюць пры гэтым, адкідаюць шаравідныя часціцы эфіру прэч ад крыніцы — назіральнік успрымае гэты рух як распаўсюджанне святла . Хуткасць святла Дэкарт лічыў бясконцай. Ён пабудаваў таксама арыгінальную тэорыю колеру, па якой розныя колеры атрымліваюцца з-за розных хуткасцей кручэння эфірных часціц.
Вучэнне Дэкарта пра святло было істотна развіта Гюйгенсам ў яго «Трактаце пра святло» (Traité de la lumière, 1690). Гюйгенс разглядаў святло як хвалі ў эфіры і распрацаваў матэматычныя асновы хвалевай оптыкі.
У канцы XVII стагоддзя былі адкрыты некалькі незвычайных аптычных з’яў, якія варта было ўзгадніць з мадэллю святланосны эфіру: дыфракцыя (1665, Грымальдзі), інтэрферэнцыя (1665, Гук), падвойнае промніпраламленне (1670, Эразм Бартолін, вывучана Гюйгенсам), ацэнка хуткасці святла (1675, Рэмер). Намеціліся два варыянты фізічнай мадэлі святла:
Эмісійная (або карпускулярная) тэорыя: святло ёсць паток часціц, выпраменьваных крыніцай. У карысць гэтага меркавання казала просталінейнасць распаўсюджвання святла, на якой заснавана геаметрычная оптыка, аднак дыфракцыя і інтэрферэнцыя дрэнна ўкладваліся ў гэту тэорыю. Хвалевая: святло ёсць усплёск у эфіры. Трэба прыняць да ўвагі, што пад хваляй тады разумелі не бясконца перыядычнае ваганне, як у сучаснай тэорыі, а адзіночны імпульс; па гэтай прычыне тлумачэння светлавых з’яў з хвалевых пазіцый былі мала праўдзіва.
Цікава адзначыць, што канцэпцыя святланоснага эфіру Дэкарта-Гюйгенса стала неўзабаве агульнапрынятай у навуцы і не пацярпела ад спрэчак картэзіянцаў і атомастаў, якія развярнуліся ў XVII—XVIII стагоддзях , а таксама прыхільнікаў эмісійнай і хвалевай тэорыі. Нават Ісаак Ньютан, схіляюся хутчэй да эмісійнай тэорыі, дапускаў, што ў названых эфектах прымае ўдзел і эфір Вавилов С. И. Исаак Ньютон, глава VI. 2-е доп. изд. — М.-Л.: Изд. АН СССР, 1945. (Переиздание: — М.: Наука, 1989.). У працах Ньютана эфір згадваецца вельмі рэдка (у асноўным у ранніх работах), хоць у асабістых лістах ён часам дазваляў сабе «думаць над гіпотэзамі» аб магчымай ролі эфіру ў аптычных, электрычных і гравітацыйных з’явах.
Дзякуючы аўтарытэту Ньютана, эмісійная тэорыя святла ў XVIII стагоддзі стала агульнапрынятай. Эфір разглядаўся не як носьбіт, але як пераносчык светлавых часціц, а праламленне і дыфракцыю святла тлумачылі зменай шчыльнасці эфіру — паблізу цел (дыфракцыя) або пры пераходзе святла з аднаго асяроддзя ў іншую (праламленне). У цэлым эфір, як частка сістэмы свету, адышоў у XVIII стагоддзі на задні план, аднак тэорыя эфірных віхураў захавалася, і былі беспаспяховыя спробы ўжыць яе для тлумачэння магнетызму і гравітацыі.
Развіццё мадэляў эфіру ў XIX стагоддзі
Хвалевая тэорыя святла У пачатку XIX стагоддзя хвалевая тэорыя святла, разглядалая святло як хвалі ў эфіры, атрымала рашучую перамогу над эмісійнай тэорыяй. Першы ўдар па эмісійнай тэорыі нанёс англійскі вучоны-універсал Томас Юнг, у 1800 годзе распрацаваў хвалевую тэорыю інтэрферэнцыі (і ўвёў сам гэты тэрмін) на аснове сфармуляванага ім прынцыпу суперпазіцыі хваль. Па выніках сваіх досведаў ён даволі дакладна ацаніў даўжыню хвалі святла ў розных каляровых дыяпазонах.
Спачатку тэорыя Юнга была сустрэта варожа. Як раз у гэты час было глыбока вывучаныя з’ява падвойнага праламлення прамянёў і палярызацыі святла, успрынятыя як вырашальныя доказы на карысць эмісійнай тэорыі. Але тут у падтрымку хвалевай мадэлі (нічога не ведаючы пра Юнга) выступіў Агюстэн Жан Фрэнель. Побач дасціпных вопытаў ён прадэманстраваў чыста хвалевыя эфекты, зусім невытлумачальныя з пазіцый карпускулярнай тэорыі, а яго мемуар, які змяшчае ўсебаковае даследаванне з хвалевых пазіцый і матэматычную мадэль усіх вядомых тады ўласцівасцей святла (акрамя палярызацыі), перамог на конкурсе Парыжскай Акадэміі навук (1818). Кур’ёзны выпадак апісвае Араго: на пасяджэнні камісіі акадэмікаў Пуасон выступіў супраць тэорыі Фрэнеля, так як з яе вынікала, што пры пэўных умовах у цэнтры цені ад непразрыстага гуртка мог з’явіцца ярка асветлены ўчастак. На наступным пасяджэнні Фрэнеля прадэманстраваў сябрам камісіі гэты эфект.
Юнг і Фрэнель першапачаткова разглядалі святло як пругкія (падоўжныя) ваганні разрэджанага, але надзвычай пругкага эфіру, падобныя гуку ў паветры. Любая крыніца святла запускае пругкія ваганні эфіру, якія адбываюцца з гіганцкай, нідзе больш не адзначанай у прыродзе частатой, дзякуючы чаму дасягаецца распаўсюджванне іх з каласальнай хуткасцю . Любое рэчавае цела прыцягвае эфір, які пранікае ўнутр цела і згушчаецца там. Ад шчыльнасці эфіру ў празрыстым целе залежаў каэфіцыент праламлення святла .
Заставалася зразумець механізм палярызацыі. Яшчэ ў 1816 годзе Фрэнель абмяркоўваў магчымасць таго, што светлавыя ваганні эфіру не падоўжныя, а папярочныя. Гэта лёгка патлумачыла б з’яву палярызацыі. Юнг у гэты час таксама прыйшоў да такой ідэі. Аднак папярочныя ваганні раней сустракаліся толькі ў нясцісканых цвёрдых целах, у той час як эфір лічылі блізкім па ўласцівасцях да газу або вадкасці. У 1822—1826 гадах Фрэнель прадставіў мемуары з апісаннем новых вопытащ і поўную тэорыю палярызацыі, якая захоўвае значэнне і ў нашы дні.
Мадэль Кашы-Стокса Цікавасць і давер да канцэпцыі эфіру ў XIX стагоддзі рэзка ўзраслі. Наступныя (пасля 1820-х) амаль сто гадоў пазначаныя трыумфальным поспехам хвалевай оптыкі ва ўсіх абласцях. Класічная хвалевая оптыка была завершана, паставіўшы ў той жа час найцяжэйшы пытанне: што ж уяўляе сабой эфір?
Калі высветлілася, што светлавыя ваганні строга папярочныя, паўстала пытанне аб тым, якімі ўласцівасцямі павінен валодаць эфір, каб дапускаць папярочныя ваганні і выключыць падоўжныя. Наўе ў 1821 годзе атрымаў агульныя ўраўненні распаўсюджвання абурэнняў у пругкім асяроддзі. Тэорыя Наўе была развіта А. Л. Кашы (1828), які паказаў, што, наогул кажучы, падоўжныя хвалі таксама павінны існаваць .
Фрэнель высунуў гіпотэзу, згодна з якой эфір немагчыма сціснуць, але ён дапускае папярочныя зрухі. Такое меркаванне цяжка ўзгадніць з поўнай пранікальнасцю эфіру па адносінах да рэчывы. Д. Г. Стокс патлумачыў цяжкасць тым, што эфір падобны да смалы: пры хуткіх дэфармацыях (выпраменьванне святла) ён паводзіць сябе як цвёрдае цела, а пры павольных (скажам, пры руху планет) пластычны. У 1839 Кашы ўдасканаліў сваю мадэль, стварыўшы тэорыю сцісканага (лабільнага) эфіру, пазней дапрацаваную У. Томсанам.
Каб усе гэтыя мадэлі не разглядаліся як чыста спекуляцыйныя, з іх трэба было фармальна вывесці асноўныя эфекты хвалевай оптыкі. Аднак падобныя спробы мелі мала поспеху. Фрэнель выказаў здагадку, што эфір складаецца з часціц, велічыня якіх параўнальная з даўжынёй светлавой хвалі. Пры гэтай дадатковай здагадцы Кашы ўдалося абгрунтаваць з’ява дысперсіі святла. Аднак спробы звязаць, напрыклад, фрэнелеўскую тэорыю праламлення святла з якой-небудзь мадэллю эфіру апынуліся няўдалымі.
Эфір і электрамагнетызм Фарадэй ставіўся да эфіру скептычна і сумняваўся ў яго існаванні. З адкрыццём Максвелам ўраўненняў класічнай электрадынамікі тэорыя эфіру атрымала новы змест.
У ранніх працах Максвел выкарыстоўваў гідрадынамічныя і механічныя мадэлі эфіру, аднак падкрэсліваў, што яны служаць толькі для тлумачэння з дапамогай нагляднай аналогіі. Неабходна мець на ўвазе, што вектарнага аналізу тады яшчэ не існавала, і гідрадынамічная аналогія спатрэбілася Максвелу, у першую чаргу, для тлумачэння фізічнага сэнсу дыферэнцыяльных аператараў (дывергенцыі, ротара і інш.) Пазней (з 1864) Максвел выключыў са сваіх прац разважанні па аналогіі. Канкрэтных мадэлей эфіру Максвел не распрацоўваў і не абапіраўся на якія-небудзь уласцівасці эфіру, акрамя здольнасці падтрымліваць ток зрушэння, гэта значыць перамяшчэнне электрамагнітных ваганняў у прасторы.
Калі эксперыменты Г. Герца пацвердзілі тэорыю Максвела, эфір стаў разглядацца як агульны пераносчык святла, электрычнасці і магнетызму. Хвалевая оптыка ператварылася ў неад’емную частку тэорыі Максвела, і ўзнікла надзея пабудаваць фізічную мадэль эфіру на гэтым падмурку. Даследаваннямі ў гэтай вобласці займаліся найбуйнейшыя навукоўцы свету. Некаторыя з іх (напрыклад, сам Максвел, Умаў і Гельмгольц), хоць пісалі пра ўласцівасці эфіру, фактычна вывучалі ўласцівасці электрамагнітнага поля. Іншыя ж (напрыклад, Д. Г. Стокс, У. Томсан) спрабавалі раскрыць прыроду і ўласцівасці ўласна эфіру — ацаніць ціск у ім, шчыльнасць яго масы і энергіі, звязаць з атамнай тэорыяй. Працягваліся таксама спробы звязаць эфір з прыцягненнем, аднак нічога істотнага ў гэтым кірунку не дабіўся нават Максвел .
Хімізм у спробах разумення эфіру (Д. І. Мендзялееў) У творчасці Д. І. Мендзялеева гэтае пытанне мае непасрэднае дачыненне да асэнсавання ім фізічных прычын перыядычнасці. Паколькі ўласцівасці элементаў знаходзяцца ў перыядычнай залежнасці ад атамных ваг (масы), вучоны меркаваў выкарыстоўваць гэтыя заканамернасці для вырашэння сапраўднай праблемы, — вызначаючы прычыны сіл прыцягнення і дзякуючы вывучэнню ўласцівасцей асяроддзя, якая перадае іх.