Эйнштейновская теория относительности - Борн М.
Скачать (прямая ссылка):
Более того, в некристаллических телах направление колебаний для поперечных волн можно выбирать произвольно; все такие волны распространяются с одной и той же скоростью et; продольные — с другой скоростью Ci (фиг. 68). § 6. Эфир как упругое твердое тело
115
Все эти утверждения доказаны экспериментально в опытах с акустическими волнами в твердых телах.
Вернемся теперь к исходной точке наших рассуждений — к упругой теории света, суть которой заключается в том, что эфир — носитель световых колебаний — рассматривается как твердое упругое тело. Световые волны при этом представляют себе как звуковые волны в этой гипотетической среде.
Итак, какие свойства следует приписать этому упругому
Фиг. 68. Продольные и поперечные колебания. В твердых телах атомы могут колебаться в направлении распространения волны и перпендикулярно к нему.
с требует, чтобы либо константа упругости р была очень велика, либо плотность р очень мала, либо эти два условия выполнялись одновременно. Но, поскольку скорость света в разных веществах различна, внутри материальных тел эфир либо должен быть более конденсированным, либо должна изменяться его упругость, либо опять-таки должно иметь место и то и другое. Мы видим, что можно идти двумя путями. Число различных возможностей еще более возрастает вследствие того факта, что, как мы видели раньше (гл. IV, § 5), эксперимент не дает ответа на вопрос, параллельны или перпендикулярны плоскости поляризации (плоскости падения на поляризующее зеркало) колебания поляризованного света.
Благодаря неопределенной природе задачи мы находим в истории большое число теорий упругого эфира. Мы уже упоминали имена основоположников этих теорий — Навье, Коши, Пуассона; добавим к ним имена Грина и Неймана. 116
Г л. IV. Фундаментальные законы оптики
Сейчас мы поражаемся колоссальности того труда и мысли, которые были затрачены на решение проблемы истолкования оптических явлений в терминах упругого эфира, имеющего те же свойства, которые характерны для материальных твердых упругих тел. Ведь мы с тех пор узнали, что природа твердых упругих тел отнюдь не проста; они не непрерывны, но имеют в действительности атомистическую структуру. Физика эфира оказалась гораздо проще и понятнее, чем физика материи.
Одно из очевидных возражений против гипотезы упругого эфира заключается в необходимости приписать ему огромную жесткость, для того чтобы объяснить высокую скорость распространения волн. Такое вещество с необходимостью оказывало бы сопротивление движению небесных тел, в частности движению планет. Астрономия никогда не обнаруживала никаких отклонений от ньютоновских законов движения, которые указывали бы на существование такого сопротивления. Стоке (1845 г.) пытался обойти это возражение, отмечая, что понятие твердости тела в известном смысле относительно. Кусок вара от удара молотком сразу рассыпается (воск и стекло ведут себя так же). Но если на него положить какой-нибудь груз, то он постепенно, хотя и очень медленно, тонет в варе, который в этом случае ведет себя как вязкая жидкость. Далее, силы, участвующие в световых колебаниях, изменяются во времени чрезвычайно быстро (600 миллиардов периодов в 1 сек) по сравнению с относительно медленными процессами, происходящими при планетарных движениях. Отношение скоростей соответствующих процессов в световой волне и при движении планет несравненно выше, чем такое отношение для удара молотка и статического давления груза. Таким образом, эфир мог бы вести себя в случае света как упругое твердое тело и все-таки свободно допускать движение планет.
Однако даже если бы нам удалось убедить себя принять идею о том, что астрономическое пространство наполнено некоторого сорта варом, серьезные затруднения возникли бы из самих законов распространения света. Прежде всего необходимо принять во внимание, что в упругих твердых телах продольная волна всегда сопровождается двумя поперечными волнами. В этом смысле, если рассматривать преломление волны на границе двух сред, предполагая, что волна в первой среде чисто поперечная, то во второй среде одновременно с поперечной волной должна возникнуть продольная. Все попытки увильнуть от этого вывода теории с помощью более или менее произвольных допущений были обречены на провал. Выдвигались удивительнейшие гипотезы: например, о том, что эфир оказывает сжатию бесконечно малое или, наоборот, бесконечно большое сопротивление по сравнению с его жесткостью относительно по- § 7. Оптика движущихся тел
117
перечных колебаний, В этом случае продольные волны распространялись бы бесконечно медленно или, наоборот, бесконечно быстро и, таким образом, не проявляли бы себя в форме света. Физик Мак-Кэллаг (1839 г.) дошел даже до изобретения эфира, который полностью отличался от моделей упругих тел. В упругих телах частицы оказывают сопротивление любому изменению расстояния от их соседей; эфир же Мак-Кэллага обладал свойством противодействовать вращательным движениям соседей вокруг центральной частицы. Мы не можем здесь излагать эту теорию, но какой бы странной она ни показалась, она тем не менее важна как предвестник электромагнитной теории света. Она приводит почти к тем же формулам, что и последняя, и, по сути дела, в состоянии дать объяснение оптическим явлениям, которое в известной мере верно. Но ее слабость состоит в том, что она не устанавливает никакой взаимосвязи между оптическими и другими физическими явлениями. Ясно, что с помощью произвольных конструкций можно найти модели эфира, которые позволяли бы описать определенную область явлений. Однако подобные изобретения имеют ценность лишь тогда, когда они устанавливают связь между ранее не связанными физическими явлениями. Максвелл, показав, что свет представляет собой электромагнитное явление (о чем нам предстоит говорить позднее), сделал огромный шаг вперед.
