Термодинамика

Двумя важнейшими открытиями физики XIX века, практическую и космологическую значимость которых трудно переоценить, стали термодинамика и электромагнетизм. С наступлением промышленной революции появилась потребность в детальном изучении механизма работы тепловых двигателей и возникла новая наука термодинамика, описывающая результаты исследования тепловых явлений. Основанная исключительно на наблюдениях макроскопических механических систем, в которых происходит теплообмен и обмен работой, термодинамика эволюционировала в весьма сложную техническую науку, изучающую измеримые величины, такие как температура, давление и плотность.

Два основных постулата термодинамики — это ее первый и второй законы (или начала).

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Изменение внутренней энергии системы равно разности теплоты этой системы и выполненной ею работы.

Первое начало термодинамики следует из закона сохранения энергии, который вывели в согласовании с принципами этой науки. Теплота рассматривалась как форма энергии, в то время как работу еще раньше определили как полезное приложение силы. Если вы прикладываете к телу силу, чтобы увеличить его скорость, работа, совершенная над телом, равняется увеличению его кинетической энергии (энергии движения). Бели на тело действует сила трения, замедляющая его движение, потеря кинетической энергии проявляется в теплоте трения.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Энтропия замкнутой системы с течением времени должна либо оставаться неизменной, либо нарастать.

Второй закон изначально был сформулирован в контексте функционирования двигателей и холодильников, чтобы объяснить тот факт, что эффективность их работы не может быть абсолютной, несмотря на то что абсолютная эффективность не противоречит закону сохранения энергии. Иными словами, двигатель не может превратить 100% сообщаемой ему тепловой энергии в работу. В противном случае можно было бы построить вечный двигатель, получающий всю необходимую энергию из внешней среды. Аналогично холодильник или кондиционер не могут изменить температуру, не совершая работы. Иначе их не требовалось бы подключать к электрической розетке. В1865 году Рудольф Клаузиус (1822–1888) заново сформулировал эти законы в контексте абстрактной величины, называемой энтропией, которая является показателем неупорядоченности системы.

Влияние термодинамики на представления людей XIX века о мире было огромным, особенно того, что касается ее связи с богословскими вопросами. Многие философы и богословы тех времен обратились к первому и второму началам термодинамики, чтобы найти в них подтверждение гипотезы конечной, сотворенной Вселенной. К первому закону обращались, чтобы доказать, что внутренняя энергия Вселенной, состоящая из потенциальной энергии гравитационного притяжения и кинетической энергии (энергии движения), должна иметь источник, находящийся за пределами Вселенной.

На основании второго закона термодинамики доказывали, что Вселенная не может быть вечной, она должна иметь начало и, более того, в итоге должна умереть. Это явление получило название тепловой смерти Вселенной — состояния, при котором движение полностью прекратится и температура Вселенной снизится до минимально возможного уровня, то есть абсолютного нуля.

Термодинамический аргумент в пользу божественного творения, высказанный многими авторами, заключается в следующем: во-первых, если бы Вселенная существовала вечно, ее тепловая смерть, то есть состояние полной неупорядоченности, максимальной энтропии, уже наступило бы. Во-вторых, уровень энтропии Вселенной в прошлом был ниже и в какой-то момент должен был быть минимальным (нулевым), это и был момент рождения Вселенной. Это, утверждали они, свидетельствует не только о том, что Вселенная имела начало, но и о том, что она была сотворена сверхъестественным образом. Этот вывод следует из того факта, что Вселенная в то время находилась в состоянии полного беспорядка, хаоса, значит, существующий порядок должен был прийти извне.

Герман фон Гельмгольц, написавший в 1847 году исчерпывающий трактат о законе сохранения энергии, объяснил, каким, на его взгляд, будет конец Вселенной, в лекции, прочитанной им в Кенигсберге в 1854 году:

«Если физические процессы во Вселенной будут дальше неизменно идти своим чередом, вся сила [под силой подразумевается энергия] в конечном итоге обратится в форму тепла, а все тепло придет в состояние равновесия. Тогда исчезнет возможность всяких дальнейших изменений и наступит полная остановка всех естественных процессов… Иными словами, с этого момента Вселенная будет обречена пребывать в состоянии вечного покоя» {89} .

В 1868 году Клаузиус дал определение тепловой смерти Вселенной с точки зрения энтропии: «Энтропия Вселенной стремится к максимуму», и в момент, когда его достигнет, «Вселенная застынет и умрет» {90} .

Но не все были в этом убеждены. Выдающийся британский физик лорд Кельвин (Уильям Томсон) соглашался с гипотезой тепловой смерти. В 1862 году он написал: «Результатом всего этого [того, что он называл законом рассеяния энергии] неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти». Однако далее он подвергает сомнению этот вывод, говоря, что «наука побуждает нас скорее допускать бесконечное развитие через бесконечное пространство действия, ведущего к превращению потенциальной энергии в осязаемое движение, а оттуда в тепло, чем смотреть на природу как на один конечный механизм, бегущий, как часы, и останавливающийся навсегда». Другими словами, закон рассеяния энергии не выполняется в условиях бесконечного пространства. Но у Кельвина не было убедительного аргумента в пользу бесконечности последнего.

Другие ученые, в частности шотландский инженер и физик Уильям Ранкин (1820–1872), один из основателей термодинамики (абсолютная температурная шкала, имеющая ту же цену деления, что и шкала Фаренгейта, называется шкалой Ранкина), искали способы избежать тепловой смерти Вселенной. Ранкин предполагал, что «лучистая теплота» может иметь свойства, позволяющие ей повторно фокусироваться, вместо того чтобы рассеиваться.

Что касается происхождения Вселенной, тогда считалось, что существует закон сохранения массы, следовательно, вещество, составляющее Вселенную, должно было откуда-то взяться. Джеймс Клерк Максвелл, великий ученый, создавший единую теорию электричества и магнетизма, о котором мы еще поговорим позже и который к тому же был христианином-евангелистом, в 1873 году высказал в своей речи общепринятое мнение по этому вопросу:

«Наука недостаточно компетентна, чтобы рассуждать о сотворении из ничего как таковом. Мы достигли крайнего предела своих мыслительных способностей, когда признали, что, поскольку материя не может быть вечной и самодостаточной, у нее должен был быть творец» {93} .

По сути, научное знание XIX века, казалось, настаивало на том, что Вселенная была создана сверхъестественным образом некоторое время назад и в любом случае встретит свой конец спустя какое-то количество лет, когда все процессы в мире остановятся. Тому были довольно веские причины, основанные на самых прогрессивных научных достижениях тех лет. Но, как мы увидим в дальнейшем, ни одна из этих причин не выдерживает проверки современными научными данными.

Тем временем многие физики и научные философы, в частности Эрнст Мах (1838–1916), поддержали доктрину позитивизма, подразумевающую, что любые явления, не поддающиеся непосредственному наблюдению, относятся не к физике, а к метафизике и не поддаются эмпирическому исследованию. В лекции, прочитанной в 1872 году, Мах утверждал, что с позиции науки нельзя делать осмысленных заявлений о Вселенной в целом. Такие понятия, как энергия Вселенной или энтропия Вселенной, не имеют смысла, поскольку эти величины не поддаются измерению.

Иными словами, в отношении космологических последствий термодинамики соглашение достигнуто не было. Большинство астрономов вообще не обратили внимания на этот спор. Французский философ и историк Пьер Дюгем (1861–1916) выдвинул интересное предположение, впоследствии оказавшееся верным: даже если второй закон термодинамики требует, чтобы энтропия нарастала со временем, это не означает, что у этого процесса должен быть верхний или нижний предел.

 

Электромагнетизм

Второе важнейшее достижение физики XIX века заключалось в том, что электричество и магнетизм стали считаться базовыми силами природы наряду с уже известной гравитацией. Снова перед нами предстает совместная работа теоретиков и экспериментаторов, в этом случае увенчавшаяся системой уравнений, созданной шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году. В уравнениях Максвелла объединился ряд принципов, открытых другими учеными:

♦ закон электромагнитной индукции, который открыл опытным путем Майкл Фарадей (1791–1867). Он продемонстрировал, как магнитное поле, изменяющееся во времени, порождает электрическое поле;

♦ закон Ампера, который экспериментально открыл Андре Мари Ампер (1775–1836). Этот закон описывает, как магнитное поле порождается электрическим током. Электрический ток представляет собой просто движущийся заряд;

♦ закон Гаусса — теорема, предложенная Иоганном Карлом Фридрихом Гауссом (1777–1855). Этот закон показывает, как электрическое поле, образованное на замкнутой поверхности, зависит от электрического заряда, находящегося внутри этой поверхности. Заметьте, что если сила электрического взаимодействия вызвана статическим зарядом, а сила магнитного взаимодействия — движущимся зарядом, то с точки зрения принципа относительности Галилея они должны быть равны. Локализация каждого из них зависит от системы отсчета наблюдателя. Это принципиально важный момент, редко упоминающийся в учебниках и на занятиях по физике.

С точки зрения физики поле — это математический объект, имеющий значение в каждой точке пространства. Если это значение может быть выражено одним числом, как в случае плотности или давления жидкостей, газов и твердых тел, то такое поле называется скалярным. Оно может быть выражено также системой чисел. Ньютоновское гравитационное поле, электрическое и магнитное поля — векторные, требующие трех чисел для определения каждой точки в пространстве: одно выражает абсолютное значение величины, а два других — направление распространения поля. Гравитационное поле в общей теории относительности Эйнштейна — это тензорное поле, определяющееся десятью независимыми числами.

Ранее Фарадей и Ампер продемонстрировали, что электричество и магнетизм представляют собой одно и то же явление, объединив тем самым две силы, до того рассматривавшиеся по отдельности. Уравнения Максвелла систематизировали эти новые данные. Теория Максвелла содержит полное описание классического электромагнитного поля. Уравнения Максвелла применимы для любых вариантов распространения электрических зарядов и токов в любой среде. С их помощью можно рассчитать электрическое и магнитное поля в любой точке пространства или материальной среды. Добавив всего одно уравнение, предложенное Хендриком Лоренцем (1853–1928), можно определить силу электрического или магнитного взаимодействия заряженных частиц в любой точке электрического поля и с помощью ньютоновской механики предсказать местоположение и скорость этой частицы в любой момент в будущем (или в прошлом, если уж на то пошло). Вот еще один довод в пользу концепции ньютоновской мировой машины.

Как бы это ни впечатляло, еще более ошеломляющим следствием из уравнений Максвелла стало то, что, согласно основанным на них прогнозам, электромагнитное поле может присутствовать в пустом пространстве в отсутствие каких-либо электрических зарядов и токов. Более того, это поле будет распространяться в пространстве подобно волне, со скоростью, точно равной скорости света в вакууме. Это значение не было заложено в модель, его вывели математическим путем. Так ученые сделали вывод, что свет представляет собой электромагнитное излучение, подтвердив тем самым его волновую природу.

Еще одно следствие теории Максвелла заключалось в том, что границы электромагнитного спектра до неизвестной степени шире его видимой части, которая охватывает излучение с длиной волны от 430 нм (фиолетовый свет) до 700 нм (красный свет) как в коротко-, так и в длинноволновую сторону. Ниже фиолетовой части спектра находится ультрафиолетовое излучение, а выше красной — инфракрасное. Перед ультрафиолетовым излучением расположено рентгеновское, а до него — гамма-излучение. За инфракрасным излучением в спектре располагаются радиоволны. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) отправил электромагнитный сигнал с длиной волны 8 м, которая в 1 млрд. раз длиннее волн видимого спектра, и определил, что это излучение также движется со скоростью света.

Современная астрономия имеет дело с электромагнитным диапазоном от гамма-лучей с длиной волны всего лишь 10-18 м (мне доводилось участвовать в наблюдении гамма-излучения) до радиоволн с длиной волны несколько километров.

Длина световой волны обычно обозначается греческой буквой λ. Эта величина представляет собой расстояние между двумя соседними гребнями волны. Частота волны f — это скорость, с которой гребни волны проходят через заданную точку. Для световых волн fλ = c, где c — это скорость распространения света в вакууме. Это выражение справедливо для волн вообще, в таком случае с обозначает скорость распространения волны.

 

Атомы и статистическая механика

XIX век ознаменовался не только развитием термодинамики и электромагнетизма, но и внедрением атомной теории для объяснения свойств вещества, заключенного в объеме. Начиная с работ Джона Дальтона (1766–1844) на заре XIX века, химики разрабатывали атомную теорию строения вещества, вершиной которой стало появление периодической таблицы химических элементов, предложенной российским химиком Дмитрием Менделеевым (1834–1907). Однако у химиков не было эмпирических оснований отождествлять открытые ими атомы с атомами древних греков, положенными, как говорится в главе 2, в основу ньютоновской механики. Единственной общей чертой химических атомов и частиц древних атомистов была их неделимость (греч. atomos). Их назвали элементами, поскольку химики не могли разделить их на более простые составляющие.

Тем временем физики оставались приверженцами своей теории частиц. Австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) наряду с Максвеллом и американским физиком Джозайей Уиллардом Гиббсом (1839–1903) разработали теорию статистической механики, основанную на представлении о том, что вещество состоит из частиц. Все законы термодинамики основаны на предположении, что макроскопическое тело состоит из огромного количества мельчайших частиц, движущихся преимущественно случайным образом, сталкивающихся друг с другом и со стенками окружающего их сосуда согласно законам ньютоновской механики.

Законы термодинамики, таким образом, считаются производными — не фундаментальными принципами природы, но законами, вытекающими из фундаментальных принципов. В самом деле, любые законы, регулирующие работу системы, состоящей из множества частиц, к примеру из области гидродинамики, физики конденсированного состояния, химии, биологии, нейробиологии и даже общественных наук, могут рассматриваться как производные. Даже гравитацию сейчас предлагают рассматривать скорее как производное явление, нежели как фундаментальную силу (см. главу 15).

В рамках статистической механики не делалось попыток описать движение отдельных частиц. Это было бы невозможно. Вместо этого она предсказывала поведение системы частиц в среднем, используя для этого статистические методы. Таким образом, давление на стенку сосуда отождествлялось со средним значением силы, приложенной на единицу площади частицами, сталкивающимися с этой стенкой за единицу времени. Абсолютная температура (в Кельвинах) была определена как средняя кинетическая энергия частиц в равновесной системе.

Статистическая механика отождествляла химические элементы с физическими частицами-атомами. Химические соединения, состоящие из элементов, определялись как молекулы, которые формируются вследствие соединения атомов.

Несмотря на свой успех, атомная теория строения вещества все же подвергалась нападкам со стороны множества влиятельных химиков и философов, в частности Эрнста Маха. Как упоминалось ранее, Мах был позитивистом и считал, что предметом научного исследования могут быть только объекты, доступные чувственному познанию. Он настаивал на том, что не верит в атомы, поскольку не в состоянии их увидеть. Мах придерживался этой позиции до самой смерти в 1916 году, хотя к этому моменту уже имелись неоспоримые косвенные доказательства существования атомов. В наши дни атомы можно увидеть своими глазами с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Дальнейшие доказательства атомарной природы вещества были найдены в серии лабораторных наблюдений, кульминацией которых стал эксперимент 1896 года, поставленный британским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856–1940) и его коллегами. Этот эксперимент подтвердил, что лучи, испускаемые катодом в вакуумной трубке, состоят из заряженных частиц намного меньшей массы, чем ион водорода — самый легкий объект из известных на тот момент. Эти частицы были названы электронами, и вскоре выяснилось, что они являются носителями электрического тока. Поскольку они двигались в направлении, противоположном направлению тока, условно названного положительным, заряд электронов был определен как отрицательный. Сегодня электрон все еще считается одной из фундаментальных частиц вещества.

 

Нарушая второй закон

Вернемся ко второму закону термодинамики. В 1872 году Больцман вывел так называемую Н-теорему, в которой доказал, что большое скопление хаотически движущихся частиц будет стремиться к состоянию равновесия, в котором некоторая величина Н, обратно пропорциональная энтропии, достигает минимума. Таким образом, Больцман фактически доказал, что второй закон термодинамики выводится из законов статистической механики частиц.

Коллега и хороший друг Больцмана Йозеф Лошмидт (1821–1895) усмотрел в этом парадокс, который получил название проблемы необратимости: если множество молекул хаотически движутся, теоретически они могут случайно прийти в состояние меньшей энтропии, даже будучи частью замкнутой системы.

В 1890 году Анри Пуанкаре опубликовал теорему возвращения, которая утверждает, что динамическая система спустя достаточное количество времени возвращается в исходное состояние. Это напрямую противоречило теореме Больцмана и потому как будто опровергало второе начало термодинамики.

В 1867 году Максвелл высказал сходные опасения относительно второго закона в своем знаменитом мысленном эксперименте, в котором воображаемая сущность, названная другими демоном Максвелла, перенаправляет частицы таким образом, чтобы добиться снижения энтропии.

Но ни в демонах, ни в ангелах потребности нет. Как в конечном итоге понял Больцман, его Н-теорема, а следовательно, и второй закон представляют собой вероятностные утверждения, а не незыблемые принципы. В среднем закрытая система, состоящая из множества хаотически движущихся частиц, будет стремиться к состоянию максимальной энтропии, как доказал Больцман, однако статистические колебания могут случайно привести систему в состояние меньшей энтропии. На самом деле в системе, состоящей из небольшого числа частиц, такое будет происходить довольно часто.

В повседневной жизни мы регулярно сталкиваемся с явлениями, которые называют необратимыми. Проколите шину — и воздух из нее выйдет наружу. Вам не приходилось наблюдать, чтобы сдутая покрышка через прокол вновь наполнялась воздухом из окружающей среды. Осколки разбитого стакана не склеиваются обратно. Мертвые не возвращаются к жизни.

Однако посмотрите на эти процессы с точки зрения элементарных частиц. Молекулы воздуха, окружающего сдутую шину, движутся случайным образом. Предположим, что большое их число совершенно случайно направится в дыру в покрышке. В таком случае шина могла бы надуться снова!

Мы не наблюдаем этого не потому, что это невозможно, но потому, что крайне маловероятно, чтобы молекулы воздуха, триллионы за триллионами, направились в нужном направлении, чтобы заново накачать покрышку.

Но, предположим, у нас есть закрытый сосуд, внутри которого всего три частицы. Вне этого сосуда находится среда, состоящая из множества частиц того же типа. Откройте его, и три частицы вылетят наружу. Пока мы держим его открытым, вероятность того, что эти три частицы вернутся обратно в сосуд, очень велика.

Другими словами, второй закон термодинамики не незыблем. Он представляет собой просто вероятностное утверждение.

Больцман распространил эту догадку на космологию, предположив, что, если Вселенная имеет достаточные масштабы, колебания энтропии могут привести к появлению изолированных областей, отклоняющихся от равновесного состояния и порождающих другие миры, подобные нашему, с уровнем энтропии, достаточно низким для того, чтобы поддерживать и развивать имеющийся порядок. Таким образом, из Вселенной, подвергшейся тепловой смерти, предсказанной вторым законом, может возродиться живая Вселенная. А если может одна, то может и любое другое количество. Он не назвал это Мультивселенной, но вполне мог бы использовать это слово.

 

Стрела времени

Больцману принадлежит еще одна мудрая догадка: второй закон термодинамики — это даже не закон! Это произвольная формулировка. Принцип, с которым мы имеем дело, состоит не в том, что средняя энтропия замкнутой системы должна нарастать со временем или в лучшем случае оставаться неизменной. Он заключается в следующем: время по определению движется в том направлении, в котором нарастает энтропия замкнутой системы, а именно нашей Вселенной. Артур Эддингтон (1882–1944) позже назвал это стрелой времени.

Как мы уже убедились, причина того, что мы не наблюдаем обратного хода определенных процессов, заключается в том, что это крайне маловероятно, а не в том, что это невозможно. Разложение и смерть, которые мы ежедневно наблюдаем вокруг, как будто подтверждают второй закон, однако это происходит, потому что мы, как и мир вокруг нас, состоим из огромного числа частиц, движущихся преимущественно случайным образом. Но когда вы имеете дело с небольшим количеством частиц, как в случае химических, ядерных реакций, а также реакций элементарных частиц, события могут развиваться в обоих временных направлениях.

 

Конец классической физики

Физику конца XIX века обычно называют классической. К этому времени физикам удалось разработать почти полную, но все же не исчерпывающую теорию материального мира. Вещество, составляющее этот мир, состоит из элементарных частиц, называемых атомами, причем каждый из 90 с небольшим сортов атомов соответствует одному из элементов периодической системы Менделеева. Эти частицы взаимодействуют друг с другом посредством двух фундаментальных сил: гравитации и электромагнетизма, с исчерпывающей точностью математически описанных ньютоновским законом всемирного тяготения и уравнениями Максвелла соответственно. Таким образом, движение каждой частицы во Вселенной полностью определяется этими законами независимо от скорости и положения частицы в пространстве в данный момент времени.

Согласно данным небесной механики и спектрального анализа звезд, эти атомы и теоретические основы их поведения одинаковы во всей Вселенной.

 

Аномалии

Но все же в физике еще оставалось несколько нерешенных проблем. Уравнения Максвелла предсказали существование электромагнитных волн, движущихся в пространстве со скоростью света. Видимый свет определили как один из вариантов этого электромагнитного излучения, ограниченный узким диапазоном длины волны, что убедительно подтверждало волновую теорию Гюйгенса (см. главу 3). Вдобавок за пределами этого диапазона обнаружились волны, также распространяющиеся со скоростью света. Тем не менее волновая теория света не могла объяснить три наблюдаемых свойства света:

♦ линейчатые спектры;

♦ чернотельное излучение;

♦ фотоэффект.

Линейчатые спектры мы уже обсуждали — это очень тонкие темные линии, наблюдаемые при прохождении света сквозь вещество, и светлые линии, наблюдаемые при испускании света горячими телами. В рамках волновой теории понять природу этого явления нельзя.

Чернотельным излучением называются электромагнитные волны, излучаемые обычными предметами. Черное тело имеет сглаженный спектр, пик которого зависит от температуры этого тела. Пик спектра очень горячего Солнца приходится на центральную часть видимого диапазона, на желтый свет. Сторонники мнения, что физические параметры были настроены в точности таким образом, чтобы на Земле смогли развиться люди, попытаются убедить нас, что спектр солнечного света был создан именно с таким пиком, чтобы соответствовать диапазону, к которому наиболее чувствительны наши глаза, созданные по Божьему подобию. Куда более вероятно, что наши глаза развивали чувствительность именно в диапазоне, окружающем этот пик, потому мы и зовем его видимым. Излучение, испускаемое более холодными объектами, такими как вы или я, находится в инфракрасном диапазоне с длиной волны большей, чем у красного света. Щитомордники другие гремучие змеи эволюционировали таким образом, чтобы видеть инфракрасное излучение — это помогает им ловить теплокровную добычу в темноте, так что для них инфракрасный свет является видимым. Если эти объекты не отражают свет, они кажутся нам черными, именно поэтому мы называем их черными телами.

В 1905 году лорд Рэлей (Джон Стретт, 1842–1919) и Джеймс Джинс (1877–1946), используя классическую волновую теорию, определили спектр излучения абсолютно черного тела. Расчеты основывались на предположении, что излучение порождается колебаниями заряженных частиц внутри тела. Чем короче длина волны, тем большее количество электромагнитных волн может поместиться внутри тела. Рэлей и Джинс определили, что график спектральной плотности черного тела резко сужается в четвертом порядке длины волны.

Однако модель Рэлея — Джинса имела серьезный недостаток. В соответствии с ней с уменьшением длины волны график спектральной плотности будет расширяться до неопределенных пределов. Это следствие получило название ультрафиолетовой катастрофы. На самом деле кривая спектральной плотности любого черного тела резко спадает с обеих сторон.

Третье наблюдаемое явление, необъяснимое в рамках волновой теории, имеет отношение к ультрафиолетовому излучению. Физики, в частности Герц, открыли множество явлений, при которых ультрафиолетовый свет, направленный на различные металлы, порождает электрический ток. Живительным было то, что существует пороговое значение длины волны, соответствующее виду металла, выше которого электрический ток не возникает. Волновая теория света не объясняла природу этого явления.

Но это были еще не все проблемы, связанные с волновой теорией света. Если свет — электромагнитная волна, то в какой среде распространяются эти волны? Общепринятое предположение заключалось в том, что электромагнитные волны представляют собой вибрации в невидимом, не создающем трения веществе, которое беспрепятственно наполняет всю Вселенную. Это вещество отождествляли с аристотелевской квинтэссенцией, эфиром. Но, как отметил сам Максвелл, ничто в его теории электромагнетизма не подтверждает существования эфира. В отличие от математического описания звуковых волн, которое начинается с предположения о существовании эластической среды, прогнозы Максвелла касательно электромагнитных волн существования такой среды не предполагали. Она просто не вписывается в его уравнения для электромагнитного поля.

Начиная с 1887 года американские физики Альберт Майкельсон (1852–1931) и Эдвард Морли (1863–1923) проводили серию экспериментов, в которой пытались выявить присутствие эфира путем измерений ожидаемых различий в скорости света двух перпендикулярно направленных лучей, которые, согласно принципу относительности Галилея, предположительно, должны были с разной скоростью проноситься Землей сквозь эфир. Если Земля движется вперед относительно эфира со скоростью v, скорость света должна равняться v + с, если назад, то v — с. И эти ученые, и их последователи, проводя все более точные эксперименты, так и не увидели ожидаемого изменения скорости света. Вместо этого у них все время получалась одно и то же значение — c.

Итак, хотя к началу XX века физика достигла невообразимых высот, оставались некоторые проблемы, которые впоследствии привели к ее дальнейшим невероятным достижениям и покорению новых рубежей.