прочитав которую читатель, возможно, сможет чуть лучше представить, как «просто» заниматься физикой

 

Рождение неувлекаемого эфира

Начиная с этой главы, мы вступаем, так сказать, в «предгорья» теории Эйнштейна. Все дальнейшее посвящено, по существу, одному вопросу: «Можно ли какими угодно опытами обнаружить покоящийся эфир — выделить абсолютную систему?»

В XIX столетии отношение физиков к гипотезе эфира очень напоминало отношение родителей к единственному балованному ребенку.

Эфиру прощали все: и его совершенно странные свойства сверхтвердого тела (строгая поперечность световых колебаний); и одновременно его исключительную разреженность, вытекающую из полного отсутствия влияния его на движение звезд и планет; и искусственность поведения эфира в сплошных телах (два эфира в исландском шпате?!). Позже вместо гипотезы о двух эфирах была выдвинута гипотеза о различной упругости эфира вдоль разных кристаллографических направлений (Нейман, 1835 г.), но это тоже вряд ли можно рассматривать как счастливую находку.

Физики мирились со всем потому, что без эфира, без какой-то среды немыслимо было представить, как распространяются электромагнитные волны в пространстве.

В наши дни мы довольно спокойно говорим, что само пространство обладает свойством передавать электромагнитные и гравитационные волны. Причем это свойство мы не связываем с наличием какой-то заливающей вселенную среды.

Механические методы эфира отброшены, и вместо них введено новое понятие — понятие поля. Чтобы не вдаваться в тонкости, просто отметим: современная физика отказалась от попыток представлять электромагнитные волны аналогично волнам в механических средах и газах.

Сейчас мы просто констатируем факт: в пространстве могут распространяться волны; эти волны обладают такими-то свойствами.

Мы знаем теперь, что гипотеза, будто пространство заполнено какой-то средой, аналогичной по своим свойствам газам или упругим телам, — эфиром, — несостоятельна, она противоречит опытам.

Короче, в вопросе об эфире физики вернулись к методу принципов. Но думаю, довольно ясно, как тяжело было отказаться от очень наглядной гипотезы эфира — упругой среды, заливающей вселенную.

Небольшое филологическое замечание.

Когда говорят, что теория относительности изгнала из физики эфир, имеют в виду «истребление» среды, заполняющей пространство и построенной из частиц. Сейчас мы утверждаем только то, что через пространство могут передаваться волны. Можно называть такое пространство эфиром, никто особенно не будет возражать; это вопрос сугубо терминологический.

Классический эфир погиб, когда установили, что в оптических явлениях так же, как в механике, отсутствует выделенная система отсчета.

Но прежде чем в этом убедились, прежде чем Эйнштейн создал свою теорию, пришлось потратить двести с лишним лет на поиски. Сотни опытов, десятки теорий, талант и трудолюбие многих поколений физиков подготовили триумф Эйнштейна.

Каждый по мере сил вносил свою долю: и те, чьи работы были похоронены навечно очень скоро после их рождения; и те, чьи труды оставили заметный след в физике.

Пожалуй, нет в истории науки более драматичной повести, чем поиски теории эфира. Несколько раз казалось, что все уже ясно, что все сомнения исчезли. Но проходил десяток лет, и новые опыты ставили под удар теории, столь убедительные в недавнем прошлом.

У нас, естественно, нет возможности даже очень схематично проследить этот великий и тяжелый путь.

Мы ограничимся лишь упоминанием о двух работах, сделанных на заре изучения световых явлений. Они выбраны не столько потому, что сыграли важнейшую роль в истории эфира и учении о свете, сколько потому, что, проследив за замечательными, неожиданными и поразительно смелыми выводами их авторов (в общем сравнительно рядовых ученых), можно почувствовать, что такое физика.

Первая работа.

Датский математик и астроном Олаф Ремер в 1676 году в движении ближайшего спутника Юпитера обнаружил очень странные неправильности: систематически нарушалась периодичность затмений спутника. Наблюдаемая картина представлялась в высшей степени удивительной.

Факт номер один.

Известно, что время одного полного оборота спутника Юпитера постоянно. Наблюдения, проведенные в разные времена года, давали одну и ту же цифру — 42 часа 47 минут 33 секунды. Конечно, иногда получали чуть больше, иногда чуть меньше, но отклонения не превышали пределов ошибок эксперимента, а среднее наблюдаемое значение продолжительности одного оборота оставалось постоянным, что, впрочем, было вполне естественным.

Далее. Орбиты Земли и Юпитера и скорости движения этих планет были хорошо изучены астрономами. Поэтому, казалось бы, зная момент наступления одного затмения спутника, можно легко предсказать, когда начнется любое последующее. Надо только провести кропотливые, но в принципе очень простые вычисления.

Действительно, есть три тела. Известно, как они двигаются. И совсем не сложно установить, через какие интервалы времени они окажутся на одной прямой.

Пусть затмение наблюдается в момент, когда Юпитер, Земля и спутник Юпитера находятся в положении 1. Зная время одного оборота спутника Юпитера, можно вычислить моменты наступления остальных затмений на весь земной год вперед.

Но вместо нарисованной мирной картины астрономы столкнулись с удивительным фактом номер два.

Факт номер два.

Оказалось, что моменты наступления затмений сначала запаздывают. Запаздывание все возрастает примерно в продолжение нашего земного полугода и достигает под конец значительной величины — нескольких минут.

Потом в течение следующего полугода запаздывание все уменьшается и уменьшается, пока не исчезает совсем.

Впечатление такое, будто спутник первые полгода вращается вокруг Юпитера несколько медленнее, а вторые полгода — несколько быстрее, чем это наблюдалось в момент, соответствующий положению 1.

Получалось так, будто движение спутника возмущено какой-то неизвестной причиной, которая то ускоряет его, то замедляет; причем воздействие ее по своему характеру периодично с периодом примерно в один земной год.

Но откуда может появиться подобное возмущение?

Ремер выдвинул смелую гипотезу: причина отклонений не в спутнике Юпитера, он вращается равномерно, а в том, что скорость света конечна, и в результате наблюдателю на Земле кажется, что время одного оборота различно.

Повторяю (насколько можно понять из имевшейся в распоряжении автора литературы), во времена Ремера инструменты были недостаточно точны, чтобы непосредственно поймать разницу во временах одного оборота спутника Юпитера, измеряя это время, скажем, сегодня и через полгода.

Но, регулярно накапливаясь, отклонения в доли секунды привели к различию между наблюдениями и предсказаниями теории для моментов наступления затмения в несколько минут.

Кстати, с явлением, «очень напоминающим» запаздывание затмений спутника Юпитера, приходится сталкиваться в повседневной жизни.

Довольно часто можно слышать: «У этих часов очень точный ход. Они отстают на минуту в месяц».

Точность обычных наручных часов не позволяет обнаружить отставание на две секунды в сутки. Но, постепенно накапливаясь, за месяц эта малая ошибка дает вполне заметное значение — минуту. Уже через несколько суток по секундной стрелке можно заметить, что часы отстают, хотя, если сверять их по сигналам точного времени в двенадцать дня и двенадцать ночи, нет возможности заметить отставание на одну секунду. При такой проверке создается впечатление, что часы идут совершенно точно.

Но если в примере с наручными часами все достаточно очевидно, то со спутником Юпитера положение было очень запутано ввиду побочных эффектов.

Шеф Ремера — крупнейший французский астроном Кассини — сначала было согласился с его идеей. Но потом отказался от нее, так как наблюдаемые движения других спутников Юпитера как будто противоречили выводам Ремера. И как часто бывает, Ремер так и не дождался при жизни полного признания своей теории.

Принципиально эффект кажущейся неравномерности вращения, вызванный конечностью скорости света, очень ясен.

Рассмотрим два положения Земли и Юпитера. В этих двух положениях и проведем измерение интервалов между двумя затмениями. Заметим, что в положении 1 расстояние между Землей и Юпитером уменьшается со временем, а в положении 2 растет.

Учтем теперь, что скорость света конечна.

Пусть Юпитер, спутник и Земля находятся в положении 1. Пусть спутник зашел за Юпитер в момент времени t1. В это мгновение на Земле мы получим световые волны, которые были посланы с поверхности спутника в какой-то предыдущий момент. Иными словами, мы увидим изображение спутника в том месте, где его уже нет.

Точно так же мы ничего не увидим, если попытаемся найти быстро летящий самолет в той точке, откуда доносится звук мотора. Пока звук будет до нас добираться, самолет улетит дальше.

Изображение спутника, скрывающегося за Юпитером, мы получим не в момент t1, а спустя некоторое время Δt1(r1), которое нужно затратить свету, чтобы пробежать расстояние r1 от спутника Юпитера до Земли. Оно будет равно Δt1(r1) = r1/c, где с — скорость света.

Земной наблюдатель по своим часам отметит, что затмение спутника Юпитера началось в момент tт = t1 + r1/c[37]Наблюдатель, естественно, отмечает момент t T . Момент t 1 можно установить только при помощи расчетов, зная также r 1 и C .
.

Когда произойдет второе затмение (а оно наступит примерно через двое суток), все повторится. И мы занесем в журнал наблюдений, что затмение началось в момент tт1 = t11 + r11/c, — где r11 — расстояние между Землей и Юпитером в момент начала второго затмения.

Интервал времени между началами двух затмений = Δt1 т = (t11 – t1) + 1/c(r11 – r1).

Но, как помните, в положении 1 расстояние между Землей и Юпитером все время уменьшается. Следовательно, r11 < r1, и вторая скобка отрицательная.

Правда, скорость света с очень велика, поэтому все второе слагаемое очень мало по сравнению с первым членом. Но все же измеряется несколько меньший интервал времени, чем действительный период между двумя затмениями.

Все сказанное можно повторить по отношению к измерениям, проведенным в положении 2, и тогда получим:

Δ t 2 т  = ( t 2 1  –  t 2 ) + 1/ c ( r 2 1  –  r 2 ).

Есть, однако, существенное различие. Когда Земля и Юпитер находятся в положении 2, расстояние между ними все время растет, то есть r21 > r2.

Значит, вторая скобка положительна, и интервал Δt2 т несколько больше действительного периода между затмениями. (Само собой разумеется, что Δt2 т > Δt1 т.)

Зная движение Земли и Юпитера, можно определить разность расстояний между ними в любые моменты времени. И, имея эти данные, путем несложных вычислений легко найти скорость света.

Вычисления самого Ремера были довольно грубы: по его данным, скорость света равна приблизительно 215 тысячам километров в секунду[38]Точное значение, как известно, 299 976  км/сек .
.

Наш разговор о методе Ремера чуть менее схематичен, чем принято обычно. Но и мы обратили внимание только на одно затруднение — противоречивость кажущегося постоянства времени одного оборота спутника и предсказаний времени затмений на длительные сроки, — забыв о многих не менее тяжелых препятствиях на пути Ремера. Мало было связать руководящую идею конечности скорости света с тем, что предсказания затмений на длительные сроки были ошибочны. Требовалось еще обработать очень сложный и запутанный экспериментальный материал, материал настолько противоречивый, что Кассини отказался от теории Ремера.

Когда работа закончена, когда не остается сомнений в ее справедливости, все представляется очень простым. Это впечатление бывает особенно четким при поверхностном знакомстве. Но стоит присмотреться внимательней, как видишь, сколько было поисков и сомнений у исследователей, какой тяжелый путь скрыт за этой мнимой простотой. Избитый афоризм «гениальное всегда просто» мало поэтому соответствует истине. Более точно было бы сказать: «Простым кажется все, что уже ясно понято другими». Причем простота видна тем разительней, чем меньше мы сами понимаем, о чем идет речь.

Перейдем ко второй работе, сыгравшей в теории света и эфира исключительную роль.

Интересно, что в какой-то степени она была сделана случайно.

С тех пор как появилась система Коперника, ее сторонники пытались доказать вращение Земли, обнаружив кажущееся годичное движение неподвижных звезд — параллактическое смещение.

Идея наблюдений очевидна.

Когда Земля находится в положении Т′, звезда представляется нам в точке S′. Спустя полгода мы из Т″ увидим ее в точке S″. И за год она совершает движение S′S″S′[39]Для простоты рассматривается случай, когда звезда находится в плоскости земной орбиты (в плоскости эклиптики).
Несущественная для нас тонкость! Если звезда находится не в плоскости эклиптики, ее видимое движение происходит по эллипсу, подобному земной орбите, как она представляется со звезды.
.

Иными словами, видимое движение звезды проявляется в том, что в разные времена года надо направлять телескоп под различными углами к земной поверхности. А это на нашем языке и означает в различные точки неба.

Так как расстояние от Земли до звезд во много раз превышает размеры земной орбиты, годичный параллакс ничтожно мал. Поэтому астрономы XVI столетия, с их несовершенными приборами, заметить его не могли. Ведь наибольший параллакс у самой близкой к нам звезды Proxima (Ближайшая) Центавра равен 0,75″! Под таким углом виден человеческий волос на расстоянии 18 метров![40]Между прочим, по годичному параллаксу звезды определяют ее расстояние до Земли. В наши дни параллакс определяют с точностью 0,01″. Это угол, под которым человеческий волос виден с расстояния 1,5 километра!

Известный датский астроном Тихо де Браге тщетно пытался обнаружить годичный параллакс Полярной звезды и после неудачных опытов в конце концов стал непримиримым противником учения Коперника.

В XVII столетии точность астрономических наблюдений значительно возрастает и действительно удается наблюдать смещение звезд. Решили, что обнаружен годичный параллакс и получено еще одно подтверждение идеи Коперника.

Но вот Брадлей, изучая годичные смещения многих звезд, приходит к выводу, что это отнюдь не параллактическое смещение. Наблюдаемые движения совершенно не совпадали с теоретическими представлениями.

Не было просто ничего похожего.

Во-первых, абсолютно все звезды, лежащие в плоскости эклиптики, в течение года дважды пробегали одну и ту же дугу, равную 40,9 секунды.

Далее. Все звезды, не лежащие в плоскости эклиптики, описывали на небе эллипсы, большая ось которых также равнялась тем же 40,9 секунды.

Если допустить, что эти движения и есть параллактические смещения, пришлось бы сделать невероятное предположение, что все звезды удалены от Земли на одно и то же расстояние. Впрочем, такой отчаянный шаг тоже не мог спасти положение.

В открытом Брадлеем движении наблюдались такие закономерности, которые уже совсем нельзя было объяснить, считая, что мы видим параллактическое смещение.

Действительно, если видимое движение звезд вызвано параллактическим смещением, то при тех двух положениях Земли, когда Солнце, Земля и звезды находятся на одной прямой, звезда должна наблюдаться в одной и той же точке небосклона. А Брадлей установил, что как раз при положении Земли в этих точках звезда максимально отклоняется от своего среднего положения на небосводе.

Естественно, возник вопрос: какова же причина наблюдаемого движения? Брадлей нашел совершенно неожиданное и изящное решение задачи.

Пусть скорость света конечна, говорит Брадлей. Свет — это поток летящих от звезды на Землю мельчайших частиц — корпускул (Брадлей твердо стоял за корпускулярную теорию света).

Тогда, поскольку Земля двигается по своей орбите со значительной скоростью, наблюдаемая картина звездного неба должна отличаться от реальной.

Пояснить идею Брадлея очень просто.

Предположим, что в какой-то обсерватории проводятся наблюдения и телескоп направлен точно в зенит вертикально к поверхности Земли. Чтобы сделать наш пример «более реальным», вооружим обсерваторию телескопом-рефлектором, в котором верхнее отверстие трубы телескопа ничем не закрыто. В какой-то момент может случиться так, что начнется совершенно отвесный дождь. Если телескоп не убрать, естественно, все зеркало, расположенное внизу трубы, будет равномерно залито дождем. Капли дождя, двигаясь вдоль оптической оси трубы сверху вниз, попадут строго в центр зеркала.

Перенесем теперь мысленно обсерваторию, телескоп и рассеянного астронома на быстро плывущий корабль и снова прикажем начаться совершенно отвесному дождю.

Картина изменится. Пока капля проходит путь от верхнего отверстия трубы до зеркала, телескоп «проезжает» некоторое расстояние, и частица падает не параллельно оси телескопа. Ее «сносит» в направлении, противоположном движению. В результате левый край зеркала будет заливаться больше, чем правый (см. рисунок).

Чтобы частицы дождя двигались по-прежнему параллельно оси телескопа, его необходимо наклонить на некоторый угол вправо. Если бы наблюдателю пришла в голову идея — определять направление падения дождевых капель по оси телескопа в тот момент, когда капли падают параллельно стенкам трубы, то он ошибся бы.

Вернемся теперь к звездам. Мы смотрим на звезду в зените небосклона через диафрагму телескопа. Пусть Земля при этом покоится. Тогда «дождь световых корпускул», падающий от звезды, пройдет точно параллельно оси телескопа и попадет в приемное устройство.

А если Земля движется? Тогда за время падения световых корпускул вдоль трубы телескопа переместится и сама труба; лучи же пойдут не параллельно оси, а под каким-то углом к ней. И попадут они не в приемное устройство, а сместятся в сторону.

Чтобы световые корпускулы двигались параллельно оси телескопа, надо просто наклонить трубу вперед. Тогда в результате совместного движения частиц и трубы лучи света пройдут параллельно оси прибора.

Угол наклона определяется просто. Если скорость световых корпускул — c, а скорость телескопа (скорость Земли) — v, то

tgφ =  v / c .

Направление на звезду астроном определяет по направлению оси телескопа в момент, когда изображение звезды находится в центре поля видимости (на оптической оси). В корпускулярной же теории Ньютона сравнительно просто показывается, что изображение предмета окажется на оптической оси прибора только в том случае, когда световые корпускулы от этого предмета летят параллельно оптической оси. А мы сейчас только убедились, что ввиду движения Земли корпускулы двигаются параллельно оси телескопа, когда он направлен не на звезду, а несколько отклонен. Вот что такое аберрация света[41]«Аберрация» дословно означает «отклонение», «заблуждение». Поэтому не приходится удивляться, что термин «аберрация» используют также для обозначения совершенно отличных по своей природе физических явлений, связанных с искажением хода световых лучей. Существует еще «хроматическая аберрация», «сферическая аберрация», «продольная аберрация» и еще несколько аберраций.
. Из-за аберрации света мы, следовательно, видим звезду не в том направлении, где она находится.

Может быть, стоит заметить, что все мы не раз наблюдали аберрацию отвесно падающего дождя. Если судить только по дождевым следам на стекле двигающегося вагона, создастся впечатление, что дождь падает косо к поверхности Земли.

Стоит особо отметить, что если бы Земля двигалась равномерно и прямолинейно по отношению к неподвижным звездам, мы, конечно, никак не могли бы экспериментально установить наличие аберрации света. Всегда во всех опытах телескопы были бы наклонены на один и тот же угол по отношению к истинному направлению на звезду; никакого аберрационного движения звезды по небосклону не наблюдалось бы, и об аберрационном смещении можно было бы заключить только на основе теоретических рассуждений. Аберрационное смещение звезд, как видно из рисунка, наблюдается потому, что в разных точках орбиты скорость Земли имеет различное направление.

…Теория Брадлея великолепно объяснила наблюдаемые смещения звезд. В частности, стало совершенно понятно, почему максимальные угловые смещения всех звезд равны между собой — ведь они всецело определяются отношением орбитальной скорости Земли к скорости света.

Кстати, по величине углового смещения можно было определить скорость света. Брадлей и нашел, что c = 303 тысячам километров в секунду, то есть определил скорость света с точностью до одного процента.

Аберрационное смещение звезд послужило также прекрасным доказательством системы Коперника.

Словом, Брадлей открыл значительно более интересное явление, чем то, которое он искал.

А параллактическое смещение было обнаружено только в середине XIX столетия, так как эффект был слишком тонок для инструментов XVIII века.

Итак, наука торжествовала…

Все это очень мило, но ведь корпускулярная теория оказалась неправильной! Следовательно, объяснение аберрации, которое дал Брадлей, удовлетворить нас не может! Необходимо объяснить аберрацию с позиции волновой теории, ибо без такого объяснения вся теория повисает в воздухе.

Толкование аберрации с волновой точки зрения нашел Роберт Юнг (1804). И тогда обнаружили, что проблема аберрации значительно ядовитее, чем думали вначале.

Юнг предположил, что эфир не увлекается Землей при ее движении; что Земля несется сквозь эфирное море и ее скорость относительно частиц эфира равна орбитальной скорости[42]Орбитальная скорость Земли была известна — 30 километров в секунду.
. Только в этом случае — в случае полностью неувлекаемого эфира — аберрационный эффект, рассчитанный по волновой теории, полностью совпадает по величине со значением, предсказанным корпускулярной теорией света и полученным экспериментально.

Сейчас мы коротко передадим сущность рассуждений Юнга, но пока важно отметить другое.

При попытке построить волновую теорию аберрации физики впервые столкнулись с центральной проблемой теории эфира — проблемой, которая в конечном счете погубила эфир.

Как взаимодействует эфир с движущейся Землей? Как движение Земли относительно эфира сказывается на оптических и электромагнитных явлениях? Можно ли обнаружить экспериментально движение относительно эфира? В итоге все это сводится к одному.

Существует ли абсолютная система отсчета — покоящийся эфир?

Итак, аберрация в волновой теории света получила важнейшее, принципиальное значение. Точное решение задачи аберрации в волновой теории довольно кропотливо, и мы ограничимся грубыми качественными замечаниями.

Впрочем, эти соображения отражают совершенно правильно суть вопроса.

Световые волны, излучаемые звездой, концентрически разбегаются от нее в неподвижном эфире[43]Следует напомнить, чтó мы понимаем под неподвижным эфиром. Эфир считается покоящимся в системе неподвижных звезд.
.

Предположим, что Земля в своем движении не увлекает эфир. Тогда волны, прошедшие через диафрагму телескопа, будут как бы «снесены» относительно оси прибора влево.

А если бы Земля увлекала эфир в своем движении, никакой аберрации не было бы!

Существование аберрации показывало бы, что эфир не увлекается Землей. Значит, при движении Земли относительно неподвижных звезд вблизи нее должен возникать «эфирный ветер».

И естественно задать вопрос: можно ли обнаружить «эфирный ветер» при помощи других оптических явлений? Несложные теоретические соображения сразу привели к заключению: «Да, можно».

Например, коэффициент преломления света в случае, если Земля не увлекает эфир, должен быть разным в зависимости от того, движется Земля навстречу источнику света (звезде) или от него.

Проделали опыт — ничего не обнаружили. А точность приборов позволяла увидеть предсказанный теорией эффект.

Такой результат очень смущал. С одной стороны, аберрация как будто подтверждала теорию неувлекаемого эфира. А с другой стороны, опыты с коэффициентом преломления противоречили этой теории.

Далее. С самой аберрацией также не все было хорошо. Угол наклона телескопа определяется отношением пути, который он «проезжает» за время, пока свет проходит от вершины телескопической трубы до основания, к ее длине. Или, что то же, угол наклона определяется отношением v/c.

Точнее φ = v/c[44]Отношение скорости Земли к скорости света равно 30  км/сек  / 3 · 10 5   км/сек  = 10 –4 . Тангенс такого малого угла с высокой степенью точности равен самому углу (угол измеряется в радианной мере). Поэтому
FB2Library.Elements.CiteItem
. Причем (и это очень существенно) здесь с по своему смыслу не что иное, как скорость распространения света именно внутри трубы телескопа.

И вот кто-то (автор не узнал, кто именно[45]Этот эксперимент проделал, в частности, Эйри (1872 г.). Но если верить Майкельсону («Лекции по оптике»), у Эйри были предшественники, причем эксперимент был сделан, во всяком случае, до опытов Физо (1852 г.). Точную ссылку на работу Майкельсон не дает.
) проделал исключительно эффектный опыт — трубу телескопа залил водой.

Скорость распространения света в воде отлична от скорости в воздухе и составляет примерно 3/4 ее. Следовательно, угол аберрации звезд для таких «водяных» телескопов должен измениться, увеличившись в 4/3 раза.

Проделали опыт, измерили угол и получили, что в «водяном» телескопе он остается прежним.

Это уже ни на что не было похоже!

Однако все неприятности на время притушил Френель, предложив очень произвольную и очень остроумную гипотезу о характере увлечения эфира сплошными средами. Он сказал: допустим, что плотность эфира в сплошных средах больше, чем в пустоте. Тогда эфир в пустоте — «внешний эфир» — движущимся телом не увлекается. А эфир, который находится внутри тела, частично увлекается. Френель мотивировал это тем, что количество эфира, втекающего в движущееся тело, должно равняться количеству вытекающего. А поскольку плотность эфира внутри тела больше, чем снаружи, то количество эфира внутри останется постоянно только тогда, когда скорость движения «внутреннего эфира» относительно тела меньше, чем «внешнего эфира».

Такая теория объясняла и опыты с коэффициентами преломления и опыты с «водяными» телескопами.

Расчеты, проведенные на основе теории Френеля, показывали, что в принципе эффект-то есть. Коэффициент преломления действительно должен меняться в зависимости от движения тела относительно эфира. И соответственно, аберрация у «водяного» телескопа также должна быть отлична от аберрации в «нормальном» телескопе. Эффект есть. Но в результате частичного увлечения он очень мал. Значительно меньше, чем ожидалось. И относительные изменения коэффициента преломления получаются порядка, v2/c2, а не v/c, то есть «второго порядка малости». (Для Земли v2/c2 ≈ 10–8). Но такие поправки настолько малы, что проверить их экспериментально не представляется возможным. Ведь из доступных нам движений относительно эфира наиболее быстрым является только движение Земли (30 км/сек!).

Точно так же аберрация в «водяных» телескопах должна отличаться от аберрации в обычных телескопах на величину порядка v2/c2. Достаточно же хороших приборов для обнаружения таких ничтожных изменений не существовало. Поэтому после апелляции Френеля вынесение смертного приговора эфиру было пока отложено.

Мы уж очень долго следим за историей эфира. Самое поучительное, пожалуй, то, как упорно физики держались за эту идею. Теории эфира следовали одна за другой: эфир вихревой, эфир с неравномерной плотностью, эфир, построенный аналогично смолам, эфир, напоминающий систему зубчатых колес. Потом эфиры увлекаемые, неувлекаемые и увлекаемые частично!

Было бы очень опрометчиво насмехаться над всеми этими эфирами.

Теории эфира строились крупнейшими учеными. Эти теории были изящны, тонки, интересны: в них вкладывалось много таланта и выдумки. Все это делалось, чтобы спасти волновую теорию, потому что представить волны вне среды, состоящей из каких-то частиц, физики не могли.

Но чем дальше, тем яснее становилось, что эфир какой-то выродок среди физических субстанций.

Во-первых, никто не мог создать такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы весь комплекс известных фактов.

А во-вторых, гипотетический эфир приходилось наделять столь удивительными качествами, делать до того странные допущения, что примириться с таким эфиром ученые не могли.

Очень хорошо оценил положение с эфиром Кельвин. «Подобные теории могут не нравиться или нравиться, но удовлетворить они не могут».

И помимо всех неприятностей, а их у эфира было достаточно, висел нерешенный вопрос: влияет ли движение относительно эфира на оптические явления хотя бы и во «втором порядке малости»?

Если бы оказалось, что не влияет, пришлось бы отбросить френелевскую теорию частичного увлечения эфира — последнюю хрупкую опору, на которой он держался.

Что же мы можем сказать об эфире?

1. Волновая природа света заставляет предположить существование эфира — некой загадочной материальной среды. Эта среда удивительна и непонятна по своим свойствам, но без нее трудно представить себе распространение световых волн.

2. Факт аберрации света говорит, что эфир не увлекается Землей при ее движении. В увлекаемом эфире аберрация должна отсутствовать.

3. Отсюда сразу следует, что движение Земли относительно неподвижных звезд должно сказываться во многих оптических явлениях (в частности, изменение коэффициента преломления).

Теория аберрации показывает также, что угол аберрации в «водяном» телескопе отличен от угла аберрации в обычном телескопе.

4. Опыты опровергают пункт 3. Не удается заметить и влияние движения Земли относительно эфира на световые процессы. Все это очень смущает, но…

5. Положение спасает Френель, создав теорию частичного увлечения эфира. По Френелю, утверждение пункта 2 в принципе справедливо, но эффект должен быть ничтожно мал. Движение относительно эфира должно сказываться только «во втором порядке отношения».

6. Пока еще нет опытов, точность которых позволяет обнаружить эффект «во втором порядке», и потому вопрос остается открытым.