7.1.7. Проблема эфира

Любая новая теория, решая одни проблемы, вместе с тем ставит и ряд новых. Так случилось и с волновой теорией света. В отличие от корпускулярной волновая теория света должна была решить вопрос о свойствах среды — носителя световой волны. Такую среду назвали эфиром. Ответ на вопрос, каковы свойства эфира, предполагал решение двух фундаментальных проблем:

во-первых, какую волну представляют собой световые колебания — продольную или поперечную. Если бы световые волны были продольными, как звуковые колебания, то теорию эфира следовало строить по аналогии с акустикой и теорией газов. Теория попере­чных колебаний гораздо сложнее, поскольку такие колебания рас­пространяются только в твердых (не газообразных) средах;

во-вторых, каким образом эфир взаимодействует с движущимся источником света. Иначе говоря, может ли эфир служить абсолютной системой отсчета для механического движения, поиск ко­торой считал необходимым для обоснования физического знания И. Ньютон.

Для ответа на первый вопрос решающим оказалось объяснение (поляризации света, которое было возможным только на основе гипотезы поперечных колебаний. Теорию поляризации света также разработал Френель. Согласно этой теории свет, испускаемый све­тящимся телом, не является поляризованным. Хотя каждая молекула тела в каждый момент времени излучает плоскополяризованный свет, но вследствие хаотичности движения каждой молекулы они колеблются в разных направлениях, причем направление колебаний каждой молекулы непрерывно изменяется в результате беспорядоч­ных толчков, которые испытывает молекула нагретого тела. Скла­дываясь, волны, испускаемые молекулами светящегося тела, дают одну волну, которая колеблется непрерывно и хаотично, меняя на­правление колебаний. Это и есть естественный свет. Поляризация света в кристалле объясняется разложением колебаний естествен­ного света по двум взаимно перпендикулярным направлениям. А из того, что поляризованные лучи не интерферируют, не влияют друг на друга, Френель сделал правильный вывод о поперечности све­товых колебаний.

Работы по поляризации и двойному лучепреломлению Френеля, представленные во Французскую академию наук в начале 20-х гг., были встречены настороженно, как и предыдущие работы по интерференции и дифракции. Даже Араго, который уже встал на точку зрения волновой теории света, не решился защитить идею о поперечности световых волн. Тем не менее результаты работ Френеля нель­зя было не признать.

Но выявление поперечного характера световых колебаний при­вело к ряду новых затруднений: с одной стороны, эфир как носитель поперечных колебаний должен быть чрезвычайно твердым веществом, а с другой стороны, он не должен оказывать заметного препят­ствия прохождению через него небесных тел. Объяснить это проти­воречие было очень сложно. Выдвигалось множество (в том числе и очень остроумных) гипотез по поводу свойств эфира, но ни одна из них не удержалась в науке.

В волной теории света возникает еще одна кардинальная пробле­ма — определение характера взаимодействия между движущейся Зем­лей и эфиром как носителем световых волн; более широко — пробле­ма взаимодействия между эфиром и веществом. Конкретно она выра­жалась в вопросе: увлекается или не увлекается эфир Землей при ее движении в Космосе. Если эфир не увлекается движущимися телами, значит, он является абсолютной системой отсчета, и тогда механи­ческие, электрические, магнитные и оптические процессы можно связать в единое целое. Если эфир увлекается движущимися телами, то он не является абсолютной системой отсчета, значит, существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но такое взаимодействие отсутствует в механических явлениях, сле­довательно, необходимо было по-разному объяснять явление аберра­ции, эффект Допплера и др. Эта проблема в течение всего XIX в., вплоть до возникновения специальной теории относительности, оп­ределяла развитие фундаментальных проблем теоретической физи­ки. Особенно она обострилась после создания Дж.К. Максвеллом теории электромагнитного поля.