Eterul și teoria relativității

Cum se întâmplă că, alături de ideea de materie ponderabilă, care este derivată prin abstractizare din viața de zi cu zi, fizicienii stabilesc ideea existenței unui alt tip de materie, eterul? Explicația este probabil căutată în acele fenomene care au dat naștere teoriei acțiunii la distanță și în proprietățile luminii care au condus la teoria ondulatorie. Să ne dedicăm puțin timp examinării acestor două subiecte.

einstein

Doar cu reticență dorința omului de cunoaștere suportă un dualism de acest fel. Cum trebuia păstrată unitatea în înțelegerea forțelor naturii? Fie încercând să privească forțele de contact ca fiind ele însele forțe îndepărtate care, desigur, sunt observabile doar la o distanță foarte mică și acesta a fost drumul pe care adepții lui Newton, care erau în totalitate sub vraja doctrinei sale, au preferat în mare parte să îl ia; sau presupunând că acțiunea newtoniană la distanță este doar o acțiune aparent imediată la distanță, dar în realitate este transmisă de un mediu care pătrunde în spațiu, fie prin mișcări, fie prin deformarea elastică a acestui mediu. Astfel, efortul către o viziune unificată a naturii forțelor duce la ipoteza unui eter. Această ipoteză, cu siguranță, nu a adus la început nici un avans în teoria gravitației sau în fizică în general, astfel încât a devenit obișnuit să se trateze legea forței lui Newton ca o axiomă care nu este mai reductibilă. Dar ipoteza eterului a fost întotdeauna obligată să joace un rol în știința fizică, chiar dacă la început doar un rol latent.

Când în prima jumătate a secolului al XIX-lea s-a dezvăluit asemănarea de amploare care există între proprietățile luminii și cele ale undelor elastice din corpuri ponderabile, ipoteza eterului a găsit un nou sprijin. A apărut fără îndoială că lumina trebuie interpretată ca un proces vibrator într-un mediu elastic, inert, care umple spațiul universal. De asemenea, părea a fi o consecință necesară a faptului că lumina este capabilă de polarizare că acest mediu, eterul, trebuie să fie de natura unui corp solid, deoarece undele transversale nu sunt posibile într-un fluid, ci doar într-un solid. Astfel, fizicienii au fost nevoiți să ajungă la teoria eterului luminifer "cvasi-rigid", ale cărui părți nu pot efectua mișcări relativ una față de alta, cu excepția micilor mișcări de deformare care corespund undelor de lumină.

Această teorie - numită și teoria eterului luminifer staționar - a găsit, de altfel, un sprijin puternic într-un experiment care are, de asemenea, o importanță fundamentală în teoria relativității speciale, experimentul lui Fizeau, din care era obligat să deducem că eterul luminifer să nu ia parte la mișcările corpurilor. Fenomenul aberației a favorizat și teoria eterului cvasirigid.

Acest dualism ne confruntă încă într-o formă neextenuată în teoria lui Hertz, unde materia apare nu numai ca purtătoare de viteze, energie cinetică și presiuni mecanice, ci și ca purtătoare de câmpuri electromagnetice. Deoarece astfel de câmpuri apar și în vid - adică în eter liber-eterul apare și ca purtător de câmpuri electromagnetice. Eterul pare a nu se distinge în funcțiile sale de materia obișnuită. În materie participă la mișcarea materiei și în spațiul gol are peste tot o viteză; astfel încât eterul are o viteză cu siguranță atribuită pe tot spațiul. Nu există nicio diferență fundamentală între eterul lui Hertz și materia ponderabilă (care parțial subzistă în eter) .

Teoria Hertz a suferit nu numai de defectul atribuirii materiei și eterului, pe de o parte stări mecanice și, pe de altă parte, stări electrice, care nu se află într-o relație imaginabilă între ele; a fost, de asemenea, în contradicție cu rezultatul importantului experiment al lui Fizeau asupra vitezei de propagare a luminii în fluidele în mișcare și cu alte rezultate experimentale stabilite.

Așa era starea lucrurilor când H A Lorentz a intrat pe scenă. El a adus teoria în armonie cu experiența prin intermediul unei minunate simplificări a principiilor teoretice. El a realizat acest lucru, cel mai important avans din teoria electricității de la Maxwell, luând din eter calitățile sale electromagnetice și mecanice. Ca și în spațiul gol, la fel și în interiorul corpurilor materiale, eterul, și nu materia privită atomistic, a fost exclusiv sediul câmpurilor electromagnetice. Potrivit lui Lorentz, numai particulele elementare de materie sunt capabile să efectueze mișcări; activitatea lor electromagnetică se limitează în totalitate la transportarea sarcinilor electrice. Astfel Lorentz a reușit să reducă toate întâmplările electromagnetice la ecuațiile lui Maxwell pentru spațiul liber.

În ceea ce privește natura mecanică a eterului lorentzian, se poate spune despre el, într-un spirit oarecum jucăuș, că imobilitatea este singura proprietate mecanică de care nu a fost lipsită de H A Lorentz. Se poate adăuga că întreaga modificare a concepției despre eter pe care a adus-o teoria specială a relativității a constat în îndepărtarea de la eter a ultimei sale calități mecanice, și anume, a imobilității sale. Cum va fi înțeles acest lucru va fi expus imediat.

Următoarea poziție pe care a fost posibil să o iau în fața acestei stări de lucruri părea să fie următoarea. Eterul nu există deloc. Câmpurile electromagnetice nu sunt stări ale unui mediu și nu sunt legate de niciun purtător, ci sunt realități independente care nu pot fi reduse la altceva, exact ca atomii materiei ponderabile. Această concepție se sugerează mai ușor, deoarece, conform teoriei lui Lorentz, radiația electromagnetică, precum materia ponderabilă, aduce cu sine impuls și energie și, conform teoriei speciale a relativității, atât materia, cât și radiația nu sunt decât forme speciale de energie distribuită, masă ponderabilă pierzându-și izolația și apărând ca o formă specială de energie.

O reflecție mai atentă ne învață totuși că teoria specială a relativității nu ne obligă să negăm eterul. Putem presupune existența unui eter; numai că trebuie să renunțăm să îi atribuim o stare de mișcare definită, adică prin abstractizare trebuie să luăm din ea ultima caracteristică mecanică pe care Lorentz o lăsase încă. Vom vedea mai târziu că acest punct de vedere, a cărui concepție pe care o voi încerca imediat să-l fac mai inteligibil printr-o comparație oarecum oprită, este justificat de rezultatele teoriei generale a relativității.

Gândiți-vă la valuri de la suprafața apei. Aici putem descrie două lucruri complet diferite. Fie putem observa cum se modifică suprafața ondulatoare care formează granița dintre apă și aer în decursul timpului; sau, cu ajutorul unor plutitoare mici, de exemplu - putem observa cum se modifică poziția particulelor separate de apă în decursul timpului. Dacă existența unor astfel de plutitoare pentru urmărirea mișcării particulelor unui fluid ar fi o imposibilitate fundamentală în fizică - dacă, de fapt, nimic altceva nu ar fi fost observabil decât forma spațiului ocupat de apă pe măsură ce variază în timp, ar trebui nu au niciun motiv pentru presupunerea că apa constă din particule mobile. Dar totuși l-am putea caracteriza ca un mediu.

Avem așa ceva în câmpul electromagnetic. Căci putem imagina câmpul pentru noi înșine ca fiind format din linii de forță. Dacă dorim să interpretăm aceste linii de forță pentru noi înșine ca ceva material în sensul obișnuit, suntem tentați să interpretăm procesele dinamice ca mișcări ale acestor linii de forță, astfel încât fiecare linie separată de forță să fie urmărită de-a lungul timpului. Se știe însă că acest mod de a privi câmpul electromagnetic duce la contradicții.

Generalizând trebuie să spunem acest lucru: - Se poate presupune că există obiecte fizice extinse cărora nu li se poate aplica ideea de mișcare. Este posibil ca acestea să nu fie considerate ca fiind formate din particule care își permit urmărirea separată în timp. În idiomul lui Minkowski, acest lucru este exprimat după cum urmează: - Nu orice conformație extinsă din lumea cu patru dimensiuni poate fi considerată ca fiind compusă din fire de lume. Teoria specială a relativității ne interzice să presupunem că eterul constă din particule observabile în timp, dar ipoteza eterului în sine nu este în conflict cu teoria specială a relativității. Numai noi trebuie să fim în gardă împotriva atribuirii eterului a unei stări de mișcare.

Cu siguranță, din punctul de vedere al teoriei speciale a relativității, ipoteza eterului apare la început ca o ipoteză goală. În ecuațiile câmpului electromagnetic apar, pe lângă densitățile sarcinii electrice, doar intensitățile câmpului. Cariera proceselor electromagnetice in vacuo pare a fi complet determinată de aceste ecuații, neinfluențate de alte mărimi fizice. Câmpurile electromagnetice apar ca realități ultime, ireductibile, și la început pare superflu să postulăm un mediu eter omogen, izotrop și să avem în vedere câmpurile electromagnetice ca stări ale acestui mediu.

Dar, pe de altă parte, există un argument important care trebuie adus în favoarea ipotezei eterului. A nega eterul înseamnă în cele din urmă să presupunem că spațiul gol nu are calități fizice. Faptele fundamentale ale mecanicii nu se armonizează cu această viziune. Căci comportamentul mecanic al unui sistem corporal care se deplasează liber în spațiul gol depinde nu numai de pozițiile relative (distanțe) și viteze relative, ci și de starea de rotație a acestuia, care din punct de vedere fizic poate fi luată ca o caracteristică care nu aparține sistemului în sine. Pentru a putea privi rotația sistemului, cel puțin formal, ca ceva real, Newton obiectizează spațiul. Deoarece își clasifică spațiul absolut împreună cu lucruri reale, pentru el rotația relativă la un spațiu absolut este, de asemenea, ceva real. Nu mai puțin bine, Newton ar fi numit spațiul său absolut „Eter”; ceea ce este esențial este doar faptul că, în afară de obiectele observabile, un alt lucru, care nu este perceptibil, trebuie privit ca real, pentru a permite accelerării sau rotației să fie privită ca ceva real.

Este adevărat că Mach a încercat să evite să accepte ca real ceva care nu este observabil, încercând să substituie în mecanică o accelerație medie cu referire la totalitatea maselor din univers în locul unei accelerații cu referire la spațiul absolut. Dar rezistența inerțială opusă accelerării relative a maselor îndepărtate presupune acțiunea la distanță; și, deoarece fizicianul modern nu crede că poate accepta această acțiune la distanță, se întoarce încă o dată, dacă îl urmează pe Mach, la eter, care trebuie să servească drept mediu pentru efectele inerției. Dar această concepție a eterului către care suntem conduși de modul de gândire al lui Mach diferă în esență de eterul conceput de Newton, de Fresnel și de Lorentz. Eterul lui Mach nu numai că condiționează comportamentul maselor inerte, dar este condiționat și în starea sa de acestea.

Ideea lui Mach își găsește deplina dezvoltare în eterul teoriei generale a relativității. Conform acestei teorii, calitățile metrice ale continuumului spațiu-timp diferă în mediul diferitelor puncte ale spațiului-timp și sunt parțial condiționate de materia existentă în afara teritoriului în cauză. Această variabilitate spațiu-timp a relațiilor reciproce a standardelor spațiului și timpului, sau, poate, recunoașterea faptului că „spațiul gol” în relația sa fizică nu este nici omogenă, nici izotropă, obligându-ne să-i descriem starea prin zece funcții. (potențialele de gravitație gmn g_ gmn), cred, au eliminat în cele din urmă punctul de vedere că spațiul este fizic gol. Dar, prin aceasta, concepția despre eter a dobândit din nou un conținut inteligibil, deși acest conținut diferă foarte mult de cel al eterului teoriei undulatorii mecanice a luminii. Eterul teoriei generale a relativității este un mediu care este el însuși lipsit de toate calitățile mecanice și cinematice, dar ajută la determinarea evenimentelor mecanice (și electromagnetice).

Ceea ce este fundamental nou în eterul teoriei generale a relativității spre deosebire de eterul lui Lorentz constă în faptul că starea primului este în fiecare loc determinată de conexiunile cu materia și starea eterului în locurile învecinate, care sunt supuse legii sub forma ecuațiilor diferențiale; întrucât starea eterului lorentzian în absența câmpurilor electromagnetice nu este condiționată de nimic în afara sa și este peste tot aceeași. Eterul teoriei generale a relativității este transmutat conceptual în eterul lui Lorentz dacă substituim constantele funcțiilor spațiului care îl descriu pe primul, fără a ține cont de cauzele care condiționează starea acestuia. Prin urmare, putem spune, de asemenea, că eterul teoriei generale a relativității este rezultatul eterului lorentzian, prin relativare.

În ceea ce privește rolul pe care noul eter trebuie să îl joace în fizica viitorului, nu suntem încă clari. Știm că determină relațiile metrice în continuumul spațiu-timp, de ex. posibilitățile configurative ale corpurilor solide, precum și câmpurile gravitaționale; dar nu știm dacă are o pondere esențială în structura particulelor elementare electrice care constituie materia. Nici nu știm dacă numai în apropierea unor mase ponderabile structura sa diferă în esență de cea a eterului lorentzian; dacă geometria spațiilor de întindere cosmică este aproximativ euclidiană. Dar putem afirma, din cauza ecuațiilor relativiste ale gravitației, că trebuie să existe o abatere de la relațiile euclidiene, cu spații de ordin cosmic de mărime, dacă există o densitate medie pozitivă, oricât de mică ar fi, a materiei din univers.

În acest caz, universul trebuie să fie neapărat nelimitat spațial și de magnitudine finită, magnitudinea acestuia fiind determinată de valoarea densității medii.

Dacă luăm în considerare câmpul gravitațional și câmpul electromagnetic din punctul de vedere al ipotezei eterului, găsim o diferență remarcabilă între cei doi. Nu poate exista spațiu și nici o parte a spațiului fără potențiale gravitaționale; căci acestea conferă spațiului calitățile sale metrice, fără de care nu poate fi deloc imaginat. Existența câmpului gravitațional este inseparabil legată de existența spațiului. Pe de altă parte, o parte a spațiului poate fi foarte bine imaginată fără un câmp electromagnetic; astfel, spre deosebire de câmpul gravitațional, câmpul electromagnetic pare a fi legat doar secundar de eter, natura formală a câmpului electromagnetic fiind încă în niciun fel determinată de cea a eterului gravitațional. Din starea teoretică actuală, se pare că câmpul electromagnetic, spre deosebire de câmpul gravitațional, se sprijină pe un motiv formal complet nou, ca și cum natura ar fi putut la fel de bine să înzestreze eterul gravitațional cu câmpuri de cu totul alt tip, de exemplu, cu câmpuri cu potențial scalar, în loc de câmpuri de tip electromagnetic.

Deoarece, conform concepțiilor noastre actuale, particulele elementare de materie nu sunt, în esența lor, nimic altceva decât condensări ale câmpului electromagnetic, viziunea noastră actuală asupra universului prezintă două realități care sunt complet separate una de cealaltă conceptual, deși sunt conectate cauzal, și anume, eter gravitațional și câmp electromagnetic sau - așa cum s-ar putea numi și ele - spațiu și materie.

Desigur, ar fi un mare avans dacă am reuși să înțelegem împreună câmpul gravitațional și câmpul electromagnetic ca o singură conformație unificată. Apoi, pentru prima dată, epoca fizicii teoretice fondată de Faraday și Maxwell va ajunge la o concluzie satisfăcătoare. Contrastul dintre eter și materie ar dispărea și, prin teoria generală a relativității, întreaga fizică ar deveni un sistem complet de gândire, cum ar fi geometria, cinematica și teoria gravitației. O încercare extrem de ingenioasă în această direcție a fost făcută de matematicianul H Weyl; dar nu cred că teoria sa își va menține terenul în raport cu realitatea. Mai mult, în contemplarea viitorului imediat al fizicii teoretice, nu ar trebui să respingem necondiționat posibilitatea ca faptele cuprinse în teoria cuantică să stabilească limite la teoria câmpului dincolo de care nu poate trece.

Recapitulând, putem spune că, conform teoriei generale a relativității, spațiul este înzestrat cu calități fizice; în acest sens, deci, există un eter. Conform teoriei generale a relativității spațiul fără eter este de neconceput; căci într-un astfel de spațiu nu numai că nu ar exista propagarea luminii, ci și nicio posibilitate de existență pentru standarde de spațiu și timp (tije de măsurare și ceasuri) și nici deci intervale de spațiu-timp în sens fizic. Dar este posibil ca acest eter să nu fie considerat ca fiind înzestrat cu calitatea caracteristică mediilor meditative, ca fiind format din părți care pot fi urmărite în timp. Este posibil ca ideea de mișcare să nu i se aplice.