( Март 2023, idb@kiwiarxiv )
Называть сосуд с водой наполовину пустым или наполовину полным – это, как говорится, дело вкуса. Или настроения. Но вот если сосуд, всегда целиком заполненный, упорно и агрессивно называют «пустым» , то есть смысл задуматься о подоплёке происходящего…
Три книги, вокруг которых выстроен этот рассказ, появились одна за другой в течение первого десятилетия XXI века. И хотя темы у всех трёх работ вполне серьёзные и глубокие, для начала и финала этой истории акценты целесообразно сместить на иронию юмора и шутки с игрой словами.
Поскольку же все темы заверчены вокруг проблем современной физики, то и шутки юмора тут будут довольно специфические. В частности, для зачина лучше всего подойдёт такая цитата «об иронии в фундаментальных основах науки». Слова исходят от одного весьма авторитетного учёного, лауреата Нобелевской премии Роберта Лафлина, изнутри, что называется, знакомого с особенностями научной жизни [1]:
Ирония заключается в том, что наиболее творческая работа Эйнштейна, его общая теория относительности, в итоге с необходимостью сводится к концепции пространства как физической среды. В то время как изначально Эйнштейн исходил из утверждения, что никакой такой среды не существует…
Идея о том, что пространство может быть своего рода материальной субстанцией, на самом деле очень древняя, прослеживаемая ещё к древнегреческим стоикам, которые и дали этому название – «эфир».
… Эйнштейн, напротив, категорически отверг идею эфира и на основе этого «несуществования» вывел, что уравнения электромагнетизма должны быть относительными. Но затем тот же самый мыслительный процесс в итоге привёл Эйнштейна к тому самому эфиру, который он поначалу отверг.
… Современная концепция вакуума пространства, ежедневно подтверждаемая экспериментами, – это релятивистский эфир. Но мы не называем это так, как оно есть. Потому что это табу.
Для закрепления сути этой любопытной ситуации имеет смысл повторить то же самое чуть иными словами.
Всем людям, мало-мальски интересующимся делами науки, непременно должно быть известно, что среди учёных давно и вполне официально материальную физическую среду, образующую пространство, принято именовать «пустотой» или вакуумом. А понятие «эфир», всегда прежде обозначавшее именно вот эту материю пространства, столь же официально принято именовать «давно преодолённым научным заблуждением» вроде теплорода, флогистона или эпициклов Птолемея.
Но при этом все действительно грамотные учёные отлично знают, что на самом деле вакуум пространства это вовсе не пустота, а … Ну, вы поняли. Только никому не говорите.
О том, как самая передовая наука планеты умудрилась дойти до странной жизни такой, развёрнуто и с великим множеством подробностей рассказывает книга «Эйнштейн и эфир» [2] от профессора-физика Людвика Костро. Однако здесь представляется более уместным не пересказывать вкратце содержание этой научной книги, а процитировать [практически полностью] её содержательное предисловие. Написанное куда более знаменитым учёным Максом Джеммером (1915-2010).
Особо глубокий смысл такому манёвру придаёт и тот факт, что в 1954 году предисловие к первой из монографий самого Джеммера («Понятие пространства») написал Альберт Эйнштейн, впечатлённый работой молодого коллеги…
#
Предисловие [ Макса Джеммера к книге Людвика Костро ]
В июльском номере «Американского журнала физики» за 2000-й год содержится семистраничный обзор трёх недавно опубликованных книг об Эйнштейне. Обозреватель Джереми Бернштейн, и сам автор эйнштейновой биографии, начинает своё эссе с вопроса о том, не слишком ли много уже написано об Эйнштейне, а завершает его следующими словами: “Похоже на то, что мы каждый год открываем и новые сокровища в науке Эйнштейна, и новые странные вещи в его жизни. Не слишком ли много написано о нём? Пока что нет.”
Представленное здесь исследование профессора Людвика Костро “Эйнштейн и эфир” подтверждает этот вывод. Данная работа бросает вызов широко распространённому мнению о том, будто Эйнштейн в своей теории относительности раз и навсегда исключил концепцию эфира из современной физической теории.
Это правда, что в его знаменитой основополагающей статье 1905 года «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейном было заявлено: «Введение «светоносного эфира» окажется излишним, поскольку в предлагаемой теории не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделённое особыми свойствами, а также ни одной точке пустого пространства, в котором протекают электромагнитные процессы, не приписывается какой-нибудь вектор скорости.»
Но, как отмечает Костро, то, что Эйнштейн считал вещью необязательной, была идея эфира, которую постулировал Максвелл и его последователи, а также использовал Пуанкаре в качестве среды, объясняющей распространение электромагнитных волн в пространстве. Поскольку такая среда определяет абсолютную или предпочтительную систему отсчёта, Эйнштейн мог бы отвергнуть её не только как излишнюю, но и даже как несовместимую с его специальной теорией относительности.
Однако через полгода после того, как была построена его общая теории относительности, Эйнштейн вновь принял идею эфира. Так, в письме к Лоренцу, ярому защитнику этой концепции, Эйнштейн писал в июне 1916 года: «… общая теория относительности ближе к гипотезе эфира, нежели специальная теория относительности. Но этот новый эфир не нарушает принципа относительности, потому что его состояние – это не состояние твёрдого тела в независимом движении, но такое состояние движения, которое является функцией положения, определяемого материальными процессами.»
По аналогичным причинам также и Герман Вейль, в немецком издании его трактата по теории относительности Raum–Zeit–Materie (Пространство–Время–Материя, 1919), выдвинул предложение о том, что, поскольку коэффициенты фундаментального метрического тензора определяют, каким образом одни точки пространства взаимодействуют с другими, или иначе, образуют Wirkungszusammenhang (эффект взаимосвязей), то термин «гравитационное поле» следует заменить на «эфир» .
Кроме того, следует вспомнить, что в 1951 году также и Поль Дирак в своей статье «Существует ли эфир?», опубликованной в Nature, volume 168, уже исходя из соображений квантовой теории поля, продемонстрировал, что «как мы теперь видим, у нас вполне может быть такой эфир, который согласуется с квантовой механикой и соответствует теории относительности». Откуда становится ясно, что концепция эфира, вопреки широко распространённому мнению, весьма далека от того, чтобы считаться умершей.
Общепринятое утверждение о том, что знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли нанёс фатальный удар по концепции эфира, было оспорено ещё в декабре 1911 года, когда Уильям Мэги в обращении к Американскому физическому обществу заявил: «Принцип относительности объясняет отрицательный результат эксперимента Майкельсона и Морли, но как мы без эфира объясним те феномены интерференции, которые и сделали этот эксперимент возможным?” (Science, volume 35, 1912)
В чем же секрет долговечности эфира? Ответ на этот вопрос предоставил сам Эйнштейн, когда в книге “Эволюция физики”, написанной в 1951 году в соавторстве с Леопольдом Инфельдом, сказал так: «Это слово, эфир, много раз меняло свой смысл в ходе развития науки». Эйнштейн, безусловно, был прав. Не будет, вероятно, преувеличением говорить, что ни один другой из терминов в словаре физиков-теоретиков не претерпел такого множества семантических изменений.
Фактически, это можно видеть в самом начале истории данного слова, когда термин aither, происходящий от санскритского aidh, обозначающий сильно горящий огонь, уже в мифопоэтическом языке древних греков использовался по-разному. Гомер использовал его как существительное женского рода, Гесиод – как существительное мужского рода. Различие в грамматическом роде слова показывает, что с этим термином были связаны различные концепции. Для Платона и Аристотеля оно обозначало сверхземной пятый элемент, который более поздние комментаторы стали отождествлять с квинтэссенцией и приписывать ему богословские коннотации. Для стоиков же это слово означало пневму, среду для взаимодействия в физических процессах, а также ещё и источник жизни.
Начиная с Декарта, за которым последовали Ньютон и Бурхааве, эфир стал неотъемлемой частью механистической философии и достиг своего апогея в различных теориях эфира девятнадцатого века. Для Оливера Лоджа, например, одного из самых ярых защитников этой концепции, эфир служил средой не только для распространения электромагнитных волн, но и для передачи мыслей в экстрасенсорных или телепатических явлениях. Изобилие различных концепций эфира столь велико, что все книги, которые были написаны на эту тему, такие как книги Э.М. Лемере (1922), Э. Т. Уиттекера (1951), К. Ф. Шаффнера (1969), Л. С. Свенсона (1972), Г. Н. Кантора и М.Дж. С. Ходжа (1981) представляют лишь небольшую часть данной истории.
Было бы неправильно предполагать, что различные концепции эфира эволюционировали последовательно одна из другой. Например, О. Мун, автор книги о Френеле и его эфире, сообщает, что в середине девятнадцатого века одновременно использовались четырнадцать различных концепций эфира.
Эйнштейн, как очень подробно показывает Костро, признавал только три вида эфира. Однако то, что называл “эфиром” Эйнштейн, является не столько разреженной материальной средой, пронизывающей всё пространство, сколько гораздо более абстрактной геометродинамической составляющей пространства-времени, которая определяет инерционно-гравитационное поведение материи. Чтобы понять этот момент, давайте вспомним, что до Эйнштейна пространство и время играли роль просто пассивного фона, на котором происходят события. Теории же Эйнштейна превратили их в активных участников динамики космоса.
Мы также должны напомнить, что Эйнштейн не только создал специальную и общую теорию относительности. В течение последних трёх десятилетий своей жизни он был занят, хотя и безуспешно, созданием третьей теории, единой теории, объединяющей гравитационные и электромагнитные силы. С каждой из этих трёх теорий он связывал “эфир” в вышеупомянутом смысле. Различие же между тремя видами эфира находит у Эйнштейна своё математическое выражение в различных свойствах соответствующих гравитационных потенциалов фундаментального метрического тензора.
Термин “эфир” уникален в истории физики не только из-за множества различных смыслов, в которых он использовался, но ещё и потому, что это единственный термин, который сначала был исключён, а впоследствии восстановлен, хотя и с другой коннотацией, одним и тем же физиком.
Хотя Эйнштейн неоднократно подчёркивал разницу между двумя вариантами употребления этого термина, его возврат к применению того же самого слова использовался не только оппонентами, такими как Ленард, в качестве аргумента против теории относительности, но и подвергался критике со стороны даже его убеждённых сторонников.
Например, Макс фон Лауэ, автор самого раннего учебника по теории относительности (1911), написал в его пятом переиздании (1952), что употребление слова «эфир» для множества гравитационных потенциалов следует всячески избегать, «дабы не возрождать идею материального эфира.» Аналогичным образом Джон Л. Синг в своём широко известном трактате о релятивистской теории относительности провозгласил, что “в теории относительности лучше всего избегать употребления этого опасного слова”.
Про то, как враги Эйнштейна использовали терминологическую неоднозначность эфира в начале двадцатых годов с целью дискредитации его теории, ярко рассказано Филиппом Франком в его биографии Эйнштейна, где он цитирует слова оппонентов: “Долгое время предпринимались попытки убедить нас в сенсационном факте, что от эфира избавились, и вот теперь сам Эйнштейн вводит его вновь; этого человека не следует воспринимать всерьёз, он постоянно противоречит сам себе”.
Хотя ныне утроение эфира Эйнштейном утратило свою научную актуальность, его теория относительности навсегда изменила представления человека о пространстве, времени и движении. Несмотря на то, что его идеи об эфире больше не находят поддержки, они, безусловно, заслуживают нашего внимания, по крайней мере, по историческим причинам и, в частности, для более глубокого понимания собственной концепции Эйнштейна о его общей теории относительности.
Книга Людвика Костро с тщательным изложением аргументов Эйнштейна в пользу возрождения понятия эфира, как “релятивистского эфира” или “тотального эфира”, является полезным вкладом в историю онтологического статуса пространства-времени в современной физике.
Мы в долгу перед профессором Костро за то, что он посвятил себя столь подробному изучению этого аспекта работы Эйнштейна, и за то, что он привлёк наше внимание к этой обычно неизвестной главе в научной биографии человека, которого журнал Time недавно назвал “Человеком столетия”.
Макс Джеммер
#
Третья из заметных книг, выпущенных авторитетными физиками в начале XXI столетия под знаменем «возврата эфира в науку», написана Нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком. И уже в названии своём внятно указывает на одну из главных тем работы: «Лёгкость бытия: Масса, Эфир и Объединение сил» [3].
В отдельной (восьмой) главе этой книги, которая так и озаглавлена, «Всепроникающий эфир» , Вильчек развёрнуто объясняет, почему концепция лёгкого материального флюида, повсюду заполняющего – и образующего – пространство, не только полезна, но и необходима для прогресса современной физики.
Дабы суть послания не расплывалась в деталях, вместо подробного цитирования этой содержательной главы просто изложим суть сформулированных там выводов.
Наиболее важный урок, который получен в физике благодаря квантовой хромодинамике [за успехи в исследованиях этой области Вильчек удостоен Нобелевской премии], заключается в следующем. То, что мы воспринимаем как «пустое пространство», в действительности представляет собой мощную среду, активность которой и формирует этот мир. Не менее важно, что прогресс в других областях современной физики всячески усиливает и обогащает данный – главный – урок.
Именно вот эта концепция «пустого» пространства как богатой и динамичной среды ныне постоянно подпитывает мечты и идеи науки относительно того, как же достичь объединения сил природы. И если спросить, как современная наука отвечает на вопрос типа «так из чего же сделан мир?», то основные моменты для многогранного ответа на этот непростой вопрос сегодня таковы:
Имеется некий первичный ингредиент физической реальности, который наполняет собой пространство-время, и из которого формируется всё остальное.
Каждый фрагмент или элемент пространства-времени имеет одни и те же базовые свойства, такие же, как у любого другого фрагмента.
И этот первичный ингредиент реальности является живым, поскольку постоянно наполнен квантовой активностью.
Также этот первичный ингредиент реальности содержит в себе постоянные материальные компоненты.
Именно это делает космос многослойным сверхпроводником (или иначе, сверхтекучим флюидом с целым спектром разных свойств).
В лексическом арсенале физики имеется довольно много разных слов, ухватывающих разные аспекты этой так называемой «пустоты» (термин, самый неподходящий из всех возможных). Первым же из наиболее подходящих слов Вильчек называет «эфир» – как «старую концепцию, которая ближе всего приближается к сути сказанного»…
Работая над переводом этой книги для русскоязычных читателей, редакция отечественного издательства почему-то сочла неподходящим исходное авторское название, озаглавив книгу существенно иначе. Так что в версии издательства Питер (2018) эта работа стала называться не «Лёгкость бытия» , а «Тонкая физика» .
Вместе с переменой названия, к сожалению, из перевода полностью выпала и важная вводная часть от автора, в которой Вильчек объясняет, почему он выбрал для книги именно такое наименование:
НЕВЫНОСИМАЯ ЛЁГКОСТЬ БЫТИЯ – это название знаменитого романа Милана Кундеры и одной из моих любимейших книг. Речь там идёт о многих вещах, но прежде всего, наверное, о том, как неимоверно трудно отыскивать закономерности и смысл во вроде бы случайных событиях этого странного, а порой и жестокого мира, в котором мы живём.
Подход Кундеры к этим проблемам через историю и искусство, конечно же, сильно отличается от того, который использовал в своей книге я – через науку и (облегчённую) философию. Но для меня, как минимум, такой подход к пониманию глубинной структуры реальности помог сделать Бытие не просто выносимым, но и восхитительным — и продолжающим восхищать.
Откуда, собственно, и моё название (без Невыносимой):
Лёгкость Бытия.
Кроме того, здесь же есть и шутка с игрой слов [в слове Lightness, или Лёгкость, корень LIGHT означает также СВЕТ]. Центральная тема данной книги в том, что древнее противопоставление – Света небесного и Материи земной – ныне удалось преодолеть. В современной физике есть только одна вещь, и это одно гораздо больше похоже на традиционную идею [лёгкого] Света, чем на традиционную идею [тяжёлой] Материи. Отсюда и Лёгкость Бытия…
Причины того, почему из русскоязычной версии этой книги от Вильчека не только полностью исчез столь содержательный фрагмент, но и собственно название «Лёгкость Бытия», скорее всего останутся для истории неизвестными. Да и не очень это интересно, честно говоря.
Потому что куда интереснее тут иное. То, что за дела происходят в современной физике прямо сейчас. То, в частности, как физикам-экспериментаторам, изучающим научные чудеса нелинейной оптики и конденсата Бозе-Энштейна, совсем недавно удалось ухватить один из важнейших феноменов в основах природы «релятивистского эфира, порождаемого светом». Или в основах структуры пространства как «вихревой губки», используя архаичную терминологию XVIII-XIX столетий.
Об этих вещах, впрочем, надо рассказывать отдельно и с подробностями. То есть чуть позже.
# # #
Дополнительное чтение:
Про трудную судьбу в науке у древней и верной по сути идеи: Одиссея вихревой губки
Про книги и демарши Боба Лафлина: Наш человек в Стэнфорде (или «Преступление размышления») ; Sci-Myst (или «Другая вселенная»)
Про научно-популярные книги Фрэнка Вильчека, про его интересные (и не очень) идеи: Разнообразие мистического опыта у учёных ; Спираль восхождения ; О новой-старой физике, о жизни после смерти и о нашем будущем
# #
Основные источники:
[1] Robert B. Laughlin. A Different Universe: Reinventing Physics from the Bottom Down. Basic Books. 2005
[2] Ludwik Kostro, Einstein and the Ether, Apeiron, 2000
[3] Frank Wilczek. The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces. Basic Books. 2008
#
kiwi arXiv 