До начала XX века многие физики были убеждены, что для распространения света и электромагнитных волн требуется особая всепроникающая среда — эфир. Эта идея основывалась на представлении, что любым волнам нужен материальный носитель, как звуковым — воздух, а водным — жидкость. В XIX веке после фундаментальной работы Джеймса Клерка Максвелла, объединившего электричество и магнетизм в единую теорию, эфир начали рассматривать как необходимое основание для его уравнений и как своего рода абсолютную систему отсчёта.

Золотой век эфира

Идея о пространстве, заполненном особой субстанцией, восходит ещё к античной философии, но в научную физику она вошла через труды Христиана Гюйгенса, создателя волновой теории света, и Огюстена Френеля в начале XIX века. Френель предполагал, что эфир — это среда, в которой распространяются поперечные световые волны. Он должен быть невероятно плотным, но при этом невесомым и не создающим сопротивления движению планет. Во второй половине XIX века эфир пережил свой «золотой век». Ведущие учёные, включая Джеймса Клерка Максвелла, рассматривали его как краеугольный элемент классической электродинамики. Максвелл даже использовал механические модели вихрей в эфире для вывода уравнений электромагнитного поля. Успех его теории, предсказавшей существование радиоволн, впоследствии открытых Генрихом Герцем, ещё больше укрепил представление о том, что волны должны иметь материальный носитель. Эфир органично вписывался в механистическую картину мира XIX века. 8 доказательств того, что люди были на Луне

Эксперимент, разрушивший картину мира

Если эфир рассматривался как абсолютная система отсчёта, то движение Земли сквозь него должно было создавать так называемый эфирный ветер — аналог того, как движение тела сквозь воздух вызывает поток ветра. Учёные XIX века полагали, что этот эффект можно зафиксировать экспериментально. Самым известным и решающим стал опыт Альберта Майкельсона и Эдварда Морли в 1887 году. С помощью интерферометра — прибора, фиксирующего микроскопические различия во времени прохождения световых лучей, — они пытались обнаружить различие в скорости света, идущего параллельно и перпендикулярно предполагаемому направлению движения Земли.

Wikipedia

Изображение концепции «эфирного ветра». Однако результат оказался отрицательным: ожидаемой разницы не обнаружили. Повторные эксперименты с большей точностью и в разные времена года дали тот же результат: скорость света оставалась постоянной независимо от движения Земли. Это противоречило всем прогнозам, основанным на гипотезе эфира, и стало одной из отправных точек для создания специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Революция 1905 года: отказ от гипотезы эфира

Отрицательный результат Майкельсона-Морли поставил физику в тупик, приведя к ряду сложных гипотез, как например, о сокращении длины тел при движении сквозь эфир. Выход был найден в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал свою Специальную теорию относительности (СТО). Он предложил радикальное решение, просто отказавшись от гипотезы эфира как ненужной сущности. СТО базируется всего на двух постулатах:

Принцип относительности: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
Постоянство скорости света: скорость света в вакууме (c) одинакова для всех наблюдателей независимо от их движения или движения источника света.

Эйнштейн показал, что те же самые явления, включая электромагнетизм, могут быть объяснены более элегантно и последовательно, если принять постулат о постоянстве скорости света. Эфир стал концептуально избыточным. Согласно принципу Оккама гипотеза эфира была отброшена, поскольку не требовалась для объяснения наблюдаемых фактов.

Почему эфир не прижился: три столпа провала

Теория эфира не прижилась из-за комбинации фундаментальных проблем. На примере того, как учёное сообщество отказалось от теории, которая долгое время считалась основной для объяснения процессов электродинамики, наглядно видно, как работает научный метод. Три причины отказа от теории эфира:

Отсутствие экспериментальных подтверждений. Опыты Майкельсона — Морли — прямое экспериментальное доказательство того, что концепция эфирного ветра не соответствует реальности.
Концептуальная избыточность. СТО показала, что эфир не нужен для построения последовательной физической теории. Эйнштейн заменил неуловимую сущность на простой, но фундаментальный постулат.
Внутренняя противоречивость необходимых свойств эфира. Для объяснения распространения света эфир должен был быть невероятно жёстким для быстрых поперечных колебаний, но в то же время не оказывать сопротивления движению планет. Совместить эти противоречивые свойства в одной материальной среде оказалось невозможно.

Был ли у теории шанс

До 1887 года гипотеза эфира была не просто рабочей, а лучшей из доступных для объяснения распространения света. В условиях доминирования механистической физики это была логичная и плодотворная идея, которая стимулировала множество исследований, включая эксперимент Майкельсона — Морли. Хотя классический эфир был отброшен, современная физика вернулась к концепции «непустого» пространства в совершенно новом виде. Полевые теории, например квантовая теория поля, и особенно поле Хиггса описывают вакуум как активную среду, обладающую определёнными свойствами и влияющую на частицы. Однако квантовый вакуум и поле Хиггса — это не классический эфир. Они не являются абсолютной системой отсчёта, не противоречат СТО и не требуют носителя для своего распространения. Они лишь унаследовали идею о том, что космос не является абсолютно пустым геометрическим пространством.

Заключение

Теория эфира сыграла важную, но промежуточную роль в истории физики. Она была построена на здравой логике того времени, но не выдержала испытания фактами. История эфира — один из самых наглядных примеров действия научного метода. В науке побеждает не самая красивая или интуитивно понятная гипотеза, а та, которая точнее всего соответствует наблюдениям. Наука самокорректируется, отбрасывая даже самые устоявшиеся и логичные гипотезы, когда эксперимент или более простое объяснение указывает на их несостоятельность.