XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мировой эфир
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Эфир впервые упоминается еще в древности,в трудах древнегреческих ученых. Тогда его представляли как «заполнитель пустоты» в Космосе. Первая теория светоносного эфира была выдвинута в XVII веке Рене Декартом. Позже существовало много теорий, но в конце XIX века стали появляться сомнения и, наконец, Альберт Энштейн выдвинул свою теорию относительности, которая объясняла все физические явления и не требовала понятия эфира. Но почему тогда сейчас теорию эфира стали вспоминать? Давайте узнаем, что такое эфир с точки зрения разных ученых и почему теорию эфира отвергли?
Предмет исследования:
Различные теории мирового эфира
Цель исследования:
Исследовать различные теории мирового эфира
Задачи исследования:
Исследовать разные теории мирового эфира и сравнить их
Узнать об опытах, которые были проведены в этой области
Узнать почему эфир был отвергнут
Рассказать о значении эфира в физике
Методы исследования:
Анализ информации сети Internet
Изучение различных книг по этой теме
Общее определение эфира
Эфир - (от др.-греч. α?θ?ρ, верхний слой воздуха; лат. Aether). В разных теориях он понимается по разному, но для того чтобы понять о чем вообще идет речь можно использовать такое определение: Эфир- гипотетическая всепроникающая среда, колебания которой проявляют себя как электромагнитные волны.
Эфир в древности
Еще в древние времена, греческие философы стали задумываться: «из чего состоит материя». Они представляли эфир как «заполнитель пустоты», «пятый элемент» (огонь, вода, воздух, земля и эфир). Эфир для них был как нечто непостижимое, и использовался для того, чтобы объяснить вещи, для них необъяснимые, то есть из чего состоят звезды, солнце. Эти представления держались до XVII века.
Теория Рене Декарта
П одробно разработанная гипотеза о существовании физического эфира была выдвинута в 1618 году Рене Декартом.
Сложно представить абсолютную пустоту. Поэтому Декарт считал, что всё пространство заполнено неизвестной материей. Это вещество он представлял как абсолютно плотное тело, которое не способно к растяжению или сжатию и не может занимать одно и то же место с другой частью материи. Под давлением, эта материя способна делиться, и каждая из её частей может обладать любым допустимым движением. Когда частицы двигаются, они сохраняют свою форму, в противном случае они объединяются. Также, в его теории, частицы этой материи стачивали свои углы в кругообразных движениях под действием приложенной силы. Образовавшиеся сферы создавали вихри, а осколки от стачивания заполняли пространство между ними.
Декарт первый предписал эфиру механические свойства. Теорию эфира он применил для объяснения гравитации и света. Высокая твердость частиц вызывает быстрое распространение импульсов изменений. Эти импульсы, при достижении земли, мы чувствуем как тепло и свет. А силу тяжести Декарт объяснил давлением эфирных частиц на землю.
Это были одни из первых научных попыток объяснить основные физические явления.
Эфир в периодической таблице Менделеева
В начальной таблице Дмитрия Ивановича Менделеева (рис. 3) был Эфир. Ячейка для Эфира располагалась слева водорода, в нулевой группе с инертными газами, как главная часть для построения системы химических элементов (рис. 4). С точки зрения Менделеева, мировой эфир является наилегчайшим газом, полностью химически инертным. Он даже хотел назвать его «Ньютоний», но это осталось всего лишь попыткой.
Менделеев, понимал, что Периодический закон не имеет научного обоснования. В ранних работах Менделеев предполагал, что специфическое состояние газов при большом разрежении или особый газом с очень малым весом может быть эфиром. Потом Менделеев сформировал нулевую группу периодической таблицы, но также оставил место для более лёгких, чем водород, элементов.
Однако, Менделеев не включил Короний и Ньютоний в заключающие издания «Основ химии», признавая отсутствие экспериментальных доказательств.
Теория Джеймса Максвелла.
Максвелл был одним из тех, кто связывал эфир с электромагнетизмом. Во второй половине XIX века он предложил новую модель эфира. В ней эфир представлял собой среду, вращающуюся вокруг магнитных силовых линий. С помощью этой теории Максвелл написал свои знаменитые уравнения.
Незадолго до смерти Дж. К. Максвелл указал, что при движении Земли сквозь эфир на ее поверхности должен присутствовать так называемый эфирный ветер, который соответственно должен изменять скорость света, распространяющегося в эфире. К сожалению, отмечал Максвелл, все методы измерения изменения времени прохождения света на отрезке пути требуют возвращения света в исходную точку, поэтому разница во времени оказывается зависящей от отношения квадратов скоростей эфирного ветра и скорости света, а это очень малая величина, и ее практически нельзя измерить.
Опыты Миллера, Майкельсона и Морли.
А. А. Майкельсон- американский физик, лауреат Нобелевской премии, изобретатель интерферометра. Был страстным приверженцем теории эфира. С 1887 года, в течении десятилетий он совершенствовал свой интерферометр, предназначенный для обнаружения разности фаз света, проходящих вдоль и поперек движения Земли.
И нтерферометр- оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом. В результате чего получаются два, расходящихся под прямым углом, луча. Эти лучи отражаются от двух зеркал-отражателей, равноудаленных от полупрозрачного зеркала и возвращаются обратно на полупрозрачное зеркало. Результирующий пучок света позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшее запаздывание.
Результат первого эксперимента Майкельсона был отрицательным. Смещения полос не совпали по с теоретическими. Статья о результатах опыта вызвала критику ведущего физика-теоретика Хендрика Лоренца, который указал, что теоретическая точность опыта была завышена.
В 1887 году Майкельсон совместно с Эдвардом Морли, провёл аналогичный, но более точный эксперимент, показавший, что наблюдаемое смещение меньше теоретического. В теории эфира смещение должно быть пропорционально квадрату скорости, поэтому результаты равносильны тому, что относительная скорость Земли в эфире меньше её орбитальной скорости.
Этот эксперимент повлиял на Лоренца, который вскоре выдвинул гипотезу о сокращении материальных тел в направлении движения в неподвижном и эфире .
В 1905 г. Морли совместно с К. Миллером провели новый эксперимент. Для этого они усовершенствовали интерферометр Майкельсона, увеличив его точность. Миллер принял решение переместить аппарат на холм. После сери наблюдений, которые дали определённый положительный эффект. В марте 1921 г. был получен новый положительный результат в 10 км/с эфирного ветра. Направление вращение аппарата не оказывало влияния на результат эксперимента.
К сожалению, потом Миллер заявил, «эфирный ветер», является следствием статистических ошибок и неучёта температурных эффектов.
После этого, многие ученые проводили этот опыт с еще большей точностью, но результаты были отрицательные.
Теория эфира Лоренца
Первоначальная теория Лоренца, была основана на абсолютно неподвижном эфире. В его теории, в отличие от более ранних моделей, электромагнитное поле эфира выступает в качестве посредника между электронами, и изменения в этом поле не могут распространяться быстрее скорости света. В 1892 году Лоренц связывает результаты опыта Майкельсона- Морли с теорией неподвижного эфира. Сама теория основывается на предположении, что размеры тел сокращаются, при направлении в сторону движения.
Развивая свои взгляды на оптические и электромагнитные явления в движущихся телах, Лоренц вплотную подошел к утверждению принципа относительности для электромагнитных явлений. Смысл принципа заключался в невозможности установить покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно. Лоренц высказал предположение, что обнаружить относительное движение Земли и эфира невозможно в принципе. Это привело к формулировке преобразований Лоренца, где полная формулировка локального времени сопровождается определенным замедлением времени электронов, движущихся в эфире. Правда позже Лоренц заметил что, время, обозначенное часами, покоящимися в эфире он считал как истинное, тогда как локальное время рассматривалось им как чисто математический приём. Поэтому теорема Лоренца с современной точки зрения рассматривается как математическое преобразование из «реальной» системы, покоящейся в эфире, в выдуманную систему в движении.
После этого Анри Пуанкаре усовершенствовал и обосновал математически работу Лоренца. Именно он первый сформулировал универсальный принцип относительности и провел первый попытки по согласованию его с электродинамикой.
Тем не менее, он использовал понятие эфира как реальную, но необнаружимую среду. Из за этого основная масса историков науки считают, что Пуанкаре не смог создать специальную теорию относительности.
Никола Тесла и эфир
Тесла известен как сторонник эфира, благодаря своим многочисленным опытам и экспериментам, имевшим целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Он предполагал, что эфир - это суперлёгкий газ, состоящий из сверхмалых частиц, которые движутся с бешеной скоростью.
Теория эфира вызывала жаркие споры среди учёных-физиков. Создание квантовой теории вещества и электромагнетизма упразднило необходимость использования физической модели эфира. Однако Тесла теоретической физикой не занимался, он был практиком. И, по его убеждению, эфир был единственным приемлемым объяснением тех физических феноменов, которые он исследовал. Эта убеждённость выводила Теслу за грань серьёзных дискуссий о тайнах мироустройства и делала фигуру изобретателя для большинства учёных-физиков малоинтересной. Однако результаты опытов Теслы либо не имели убедительных объяснений, либо подтверждали его правоту! Получается, если эфира не существует, то множество его трудов бессмысленны.
Тесла бесспорно был гением. Он принес миру множество открытий и продвинул время намного вперед, например: переменный ток, радио связь и теория полей. Но так как после смерти Теслы большинство его бумаг было утеряно, многие сенсационные изобретения которые якобы связаны с его именем считаются мифами. Ему приписывают изобретение летающих тарелок, лучевого оружия и прочих К сожалению нет достоверных сведений и документов об этом. Кто знает, быть может, если бы Тесла прожил подольше, он подарил бы человечеству ключи к будущему. А может это и к лучшему, так как люди использовали бы его изобретения не в мирных целях, и он намеренно скрыл их.
Отвержение теории эфира
После опытов Майкельсона- Морли все стали еще больше сомневаться существовании подвижного эфира. В 1692 Лоренц предположил, что эфир неподвижен и длина любого тела сокращается в направлении его движения. В следствие чего «эфирный ветер» очень сложно обнаружить. В 1910 году А. Эйнштейн (рис. 16) в статье «Принцип относительности и его следствия в современной физике» объяснил, посему теория светоносного эфира несовместима с принципом относительности.
В СТО- специальной теории относительности Эйнштейна эфир оказался попросту ненужным, так как она легко объясняла все физические явления. Однако совсем отказываться от эфира Эйнштейн не собирался. Он предлагал использовать эфир в качестве физического пространства. Но большинство физиков решило не возвращаться к эфиру.
Возвращение к эфиру в наши дни
Сейчас термин «эфир» в науке почти не используется. Так как у большинства физиков он ассоциируется с механическими моделями, которые характеризуются скоростью среды в каждой точке, а известные физические поля не имеют подобных свойств.
В теории относительности существует необходимость в пространстве. И самое подходящее для этого- эфир. Но пока что нет экспериментальных доказательств этого утверждения/
С эфиром также связывают квантовую физику. Один из основателей квантовой механики Поль Дирак (рис. 17) предположил, что эфиром может быть квантовый вакуум, но эта гипотеза не получила широкой поддержки научного общества. В настоящее время некоторые ученые сравнивают эфир с темной материей. Но это не имеет ничего общего с историческим понятием эфир.
Заключение
В ходе работы я:
Изучил наиболее известные теории эфира;
Узнал много новых ученых, которые внесли огромный вклад в развитие физики.
Ознакомился с интересными опытами в области изучения эфира.
Повысил свои навыки в сборе и обработке информации.
Мировой эфир- очень сложная тема. Потому что не существует его точного описания. Ко всему этому добавляется малый объем информации об эфире. В работе я описал наиболее известные теории эфира в хронологическом порядке. И основные причины отказа от нее. Эта информация может быть полезна для людей увлекающихся физикой. Несмотря на то, что эта тема сложная и запутанная, она заинтересует некоторых людей.
Вывод: Я думаю «хоронить» эфир рано, и нужно продолжить исследования в этой области, так как существуют спорные моменты в всеми известной теории относительности. Открытие эфира даст человечеству «ключи к будущему».
Подводя итоги к проделанной работе, можно сказать, что поставленная мной ранее цель выполнена.
Список литературы и интернет источников:
Декарт Рене. Первоначала философии; Сочинения в двух томах: Мысль, 1989.
Whittaker, Edmund Taylor. A History of the theories of aether and electricity; Dublin: Longman, Green and Co; 1910.
Роузвер Н. Т. Перигелий Меркурия. От Леверье до ЭйнштейнаМир; 1985; 246 с.
Опыт Майкельсона-Морли
https://elementy.ru/trefil/21167/Opyt_MaykelsonaMorli
Рене Декарт
http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/Descartes.html
Альбер Эйнштейн
http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/Einstein.html
Теории эфира
https://ru.wikipedia.org/wiki/Теории_эфира
Проблема «нулевых» в работах Менделеева
https://www.nkj.ru/archive/articles/23734/
Краткая биография Хендрика Лоренца
https://citaty.su/kratkaya-biografiya-xendrika-lorenca