Уравнения Максвелла и концепция абсолютно неподвижного эфира

Созданная Ньютоном концепция абсолютного пространства и абсолютного времени безраздельно господствовала в науке вплоть до конца ХIХ века. Ее ограниченность стала выясняться лишь в связи с развитием представлений об электромагнетизме. Чтобы более глубоко понять, как происходил переход к современным пространственно-временным концепциям, рассмотрим хронологию событий, которые привели к становлению специальной теории относительности (СТО).

Одним из важнейших принципов ньютоновской механики является принцип инерции, который часто связывают с именем Галилея: существуют системы отсчета, в которых свободное тело (т.е. тело, на которое ничего не действует) движется равномерно и прямолинейно или покоится (этот принцип называют также первым законом Ньютона). Такие системы отсчета называются инерциальными. Очевидно, что если существует хотя бы одна инерциальная система отсчета (ИСО), то существует и бесконечное множество таких систем, так как любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, сама является инерциальной. В соответствии с другим важнейшим принципом классической механики, который называется принципом относительности Галилея, не существует абсолютно неподвижной ИСО, т.е. любую ИСО можно рассматривать как неподвижную, так и движущуюся с какой-то скоростью относительно другой ИСО.

Если положение некоторого тела А в какой-то ИСО (назовем ее K) в момент времени t определяется радиус-вектором r (t), то в другой ИСО (назовем ее K¢), движущейся с постоянной скоростью V относительно K, положение рассматриваемого тела в тот же момент времени

t¢ = t (5. 1)

описывается радиус-вектором r ¢(t), который связан с r (t) соотношением:

r ¢(t) = r (t) - V t. (5. 2)

Формулы (5.1) и (5.2) называются преобразованиями Галилея. Математическим «оформлением» принципа относительности Галилея является следующее утверждение: законы природы1 инвариантны относительно преобразований Галилея. Это означает, что если в уравнениях, отражающих какие-либо законы природы, заменить r (t) и t на r ¢(t) и t¢ = t, то вид уравнений не должен измениться.

Вот относительно этих преобразований Галилея и оказались неинвариантными уравнения Максвелла, которые описывали электромагнитное поле и, казалось бы, опирались на прочный фундамент известных к тому времени законов электричества и магнетизма. Вначале это было воспринято как несоответствие теории Максвелла принципу относительности Галилея, а, следовательно, как серьезное возражение против самой теории, Однако блестящие эксперименты Г. Герца (1887 г.) с электромагнитными волнами подтвердили большинство выводов теории Максвелла, после чего ее достоверность стала считаться установленной. В результате на какое-то время под сомнением оказался сам галилеевский принцип относительности, что выразилось в появлении концепции абсолютно неподвижного эфира.

В соответствии с этой концепцией, средой, в которой распространяется свет (и другие электромагнитные волны), служит абсолютно неподвижный эфир. Следовательно, абсолютно неподвижной должна быть и связанная с этим эфиром система отсчета. Но тогда скорость света в какой-либо системе отсчета, движущейся относительно эфира (например, в системе отсчета, связанной с Землей), должна зависеть от того, в каком направлении распространяется свет. Тончайшие эксперименты, выполненные Майкельсоном и Морли в 1887 г., опровергли это утверждение и показали, что скорость света одинакова во всех направлениях. Некоторое время пытались преодолеть это противоречие, считая, что эфир «увлекается» движущимися телами (так же, как воздух в движущемся вагоне поезда), но в этом случае должно было бы иметь место заметное взаимодействие (трение) между эфиром и телами, приводящее к торможению тел. Более того, чтобы согласовать свойства эфира с поперечностью электромагнитных волн (для которых, как известно, направление колебаний векторов электрического и магнитного поля перпендикулярно направлению распространения волны), нужно было считать эфир «твердым телом», которое, в то же время, не оказывает никакого влияния на движение других тел.

Это и другие противоречия теории абсолютно неподвижного эфира привели, в конце концов, к тому, что на рубеже XIX - XX вв. ученые вернулись к принципу относительности, правда, на ином концептуальном уровне. Этот процесс подытожил А. Эйнштейн, создавший в 1905 г. специальную теорию относительности (СТО).