Albert Einstein i eter

Według Wikipedii: „Eter kosmiczny, (gr. αιτηρ – górne warstwy powietrza) – to „hipotetyczna substancja wypełniająca całą przestrzeń. Koncepcja ta weszła do nauki pod koniec XIX wieku wraz z rozwojem teorii elektromagnetyzmu, a następnie upadła wraz z powstaniem szczególnej teorii względności.”

Upadła? Jak nisko upadła?

Eter?

O eterze tak pisał Albert Einstein jako 15-16 letni młodzieniec::

O badaniu stanu eteru w polach magnetycznych

Albert Einstein

Tekst poniższy jest wstępnym skromnym wyrazem pewnych prostych myśli dotyczących tego trudnego przedmiotu. Z wielkim wahaniem przedstawiam je w formie skondensowanego eseju, który jest bardziej programem niż pracą naukową. Brak mi materiałów by przestudiować to zagadnienie głębiej, dlatego przedstawiam tu jedynie moje spostrzeżenia i proszę by nie obwiniać mnie o powierzchowność. Mam nadzieję, że Czytelnika będzie wykaże cierpliwość odpowiednią do mojego uczucia pokory gdy przedstawiam ten tekst.

Prąd elektryczny, gdy powstaje, wprawia natychmiast w ruch otaczający eter, którego dokładna natura wciąż jest niejasna. Nawet gdy pobudzający czynnik, to jest prąd elektryczny, zanika, eter pozostaje w stanie pobudzenia i produkuje pole magnetyczne. O tym, że pole magnetyczne jest wzbudzonym stanem eteru przekonuje nas istnienie stałych magnesów, gdyż zasada zachowania energii wyklucza w tym przypadku możliwość istnienia stanu ruchu. Ruch eteru spowodowany prądem elektrycznym będzie trwał dopóki działające siły elektromotoryczne nie zostaną skompensowane siłami pasywnymi powstającymi w wyniku deformacji źródłem których jest sam ruch eteru.

Wspaniałe doświadczenia Hertza genialnie naświetliły dynamiczną naturę tych zjawisk – rozchodzenie się w przestrzeni, a także jakościową tożsamość tych zjawisk ze światłem i z ciepłem. Wierzę, że aby zrozumieć zjawiska elektromagnetyczne należy podjąć wszechstronne badania doświadczalne potencjalnych stanów eteru w różnego rodzaju polach magnetycznych. Innymi słowy należy mierzyć deformacje elastyczne i działające siły odkształcające,

Wszelką zmianę eteru w każdym (swobodnym) punkcie i w każdym kierunku powinno dać się wykryć poprzez zmianę prędkości fali eteru w tym punkcie i w tym kierunku. Prędkość fali jest proporcjonalna pierwiastka kwadratowego sił elastycznych które są przyczyna deformacji i odwrotnie proporcjonalna do masy eteru poruszanej przez te siły. Ponieważ jednak zmiany gęstości powodowane przez elastyczne deformacje są na ogół nieistotne, stąd, prawdopodobnie, możemy je zaniedbać. Z dobrym przybliżeniem można zatem powiedzieć: Pierwiastek kwadratowy ze stosunku zmiany prędkości propagacji (długości fali) jest równy stosunkowi zmiany siły elastycznej.

Nie ośmielę się zdecydować jakie fale eteru, elektromagnetyczne lub świetlne, i jakie metody doświadczalne nadają się najlepiej do badań pola magnetycznego; w zasadzie nie powinno to mieć jednak znaczenia.

Jeżeli w ogóle da się wykryć zmianę długości fali w polu magnetycznym w jakimś danym kierunku, wtedy można by doświadczalnie stwierdzić czy jedynie składowa stanu elastycznego w kierunku propagacji fali wpływa na prędkość propagacji, czy też wpływ mają także składowe prostopadłe. Wiadomo bowiem a priori, że w jednorodnym polu magnetycznym, czy to cylindrycznym czy o kształcie piramidalnym, stany elastyczne w punkcie prostopadłym do kierunku linii sił są całkowicie jednorodne, zmieniają się jednak wzdłuż linii sił. Jeżeli zatem pozwolimy na propagację fal spolaryzowanych prostopadle do kierunku linii sił, wtedy kierunek płaszczyzny oscylacji będzie istotny dla prędkości propagacji, to jest o ile składowa siły elastycznej prostopadła do propagacji fali w ogóle wpływa na prędkość propagacji. W samej rzeczy może to nie zachodzić, choć z drugiej strony zjawisko podwójnej dyfrakcji zdaje się na to wskazywać.

Gdy już odpowiemy na pytanie w jaki sposób trzy składowe elastyczności wpływają na prędkość fali eteru, możemy przystąpić do badań pola magnetycznego. By właściwie zrozumieć stan eteru w takim polu wyróżnić należy trzy przypadki:

Linie sił zbiegają się razem w biegunie północnym, w kształcie piramidy
Linie sił zbiegają się razem w biegunie południowym, w kształcie piramidy
Linie sił są równoległe

W każdym z tych przypadków należy zbadać prędkość propagacji fali tak w kierunku linii sił jak i w kierunkach prostopadłych do nich. Nie ma wątpliwości, że można będzie w ten sposób wykryć zarówno elastyczne deformacje jak i ich źródło, pod warunkiem, że da się skonstruować odpowiednio czułe przyrządy.

Najbardziej interesującym i jednocześnie najtrudniejszym zadaniem będzie bezpośrednie doświadczalne zbadanie pola magnetycznego powstającego wokół prądu elektrycznego, Zbadanie stanu elastycznego eteru w tym przypadku pozwoli nam na wgląd w tajemniczą naturę prądu elektrycznego. Analogia ta pozwoli nam także na wyciągnięcie definitywnych wniosków jeśli idzie o stan eteru w polu magnetycznym otaczającym prąd elektryczny – pod warunkiem, oczywiście, że wspomniane doświadczenia dadzą jakikolwiek wynik.

Sądzę, że można będzie zacząć jakościowe badania wielkości bezwzględnych gęstości siły elastycznej eteru dopiero wtedy, gdy pojawią się wyniki jakościowe związane z tymi ustanowionymi ideami. Dodam jeszcze jedną rzecz. Jeżeli długość fali nie okaże się proporcjonalną do sqrt(A+k), wtedy powodu takiego stanu rzeczy należy szukać w zmianach gęstości poruszającego się eteru spowodowanym przez deformację elastyczną; A jest tutaj elastyczną siłą eteru, a priori stałą, którą winniśmy zmierzyć doświadczalnie, zaś k jest zmienną siłą pola magnetycznego, która, oczywiście, jest proporcjonalna do sił rozważanych powstających sił elastycznych.

Przede wszystkim zaś należy wykazać, że istnieje pasywny opór przy produkcji pola magnetycznego przez prąd elektryczny, opór proporcjonalny do długości drogi prądu i niezależny od przekroju i materiału przewodnika,

(1894 lub 1895)

Albert Einstein miał wtedy 15 lub 16 lat

Źródło:Jagdish Mehra, The Golden Age of Theoretical Physics, Volume 1, World Scientific 2001

Jak wiemy, trochę później, gdy powstała szczególna teoria względności, Einstein pozbył się pojęcia eteru. Ale czy na dobre?

W roku 1920 pisał [1]:

„Bardziej szczegółowe rozważania uczą nas jednak, że szczególna zasada względności nie wymaga wyparcia się istnienia eteru. Możemy przyjąć, że eter istnieje, musimy jedynie porzucić przypisywanie mu określonego stanu ruchu, innymi słowy musimy poprzez abstrahowanie musimy odebrać mu jego ostatnią, pozostawioną przez Lorentza mechaniczną własność.” [AR, p. 9]

Podobnie:

„Byłoby słuszniej, gdybym był się ograniczył, w moich wcześniejszych publikacjach, do podkreślenia jedynie nieistnienia prędkości eteru miast argumentować za jego całkowitym nieistnieniem. Teraz widzę bowiem, że mówią eter mamy na myśli jedynie, że przestrzeń należy uważać za nośnik jakości fizycznych.” A. Einstein,Letter to H.A. Lorentz, 15 November 1919

„W roku 1905 byłem zdania iż w fizyce nie wolno już mówić o eterze. Opinia ta była jednak zbyt radykalna.[...] Wolno, tak jak to było przedtem, wprowadzić pojęcie ośrodka wypełniającego przestrzeń i przyjmować, że pola elektromagnetyczne (a także materia) są tego ośrodku stanami. Nie jest jedynie dozwolone przypisywanie temu ośrodkowi stanu ruchu w każdym punkcie tak jak to ma miejsce dla ważkiej materii. Nie należy myśleć o eterze jako składającym się z cząstek z których każdą możemy sledzić w czasie.” [MM, § 13]

„Z drugiej strony istnieje ważki argument na korzyść hipotezy eteru. Negowanie eteru prowadzi bowiem do negowania jakichkolwiek własności fizycznych pustej przestrzeni. Taki pogląd jest jednak sprzeczny z podstawowymi faktami mechaniki.”[AR, str. 11]

„Podsumowując można powiedzieć, że zgodnie z ogólna teorią względności przestrzeń posiada własności fizyczne; w tym więc sensie eter istnieje. Zgodnie z ogólna teorią względności przestrzeń bez eteru jest nie do pomyślenia, bowiem w takiej przestrzeni nie tylko nie rozchodziło by się światło, lecz także niemożliwe byłoby ostnienie zegarów i prętów pomiarowych. Nie istniałyby zatem także czasoprzestrzenne odległości w ich 'fizycznym sensie'”[AR, str. 15]

Odnośniki:

[AR] A. Einstein, ÄTHER UND RELATIVITÄTSTHEORIE: Rede gehalten am 5. May 1920 an der Reichs-Universität zu Leiden, Springer, Berlin (1920).

[MM] A. Einstein, Grundgedanken und Methoden der Relativitätstheorie in ihrer

Entwicklung dargestellt (Morgan Manuscript), EA 2070

Wypada teraz do tego dodać opinię Diraca dotyczącą argumentów Eisnteina. Pisał więc Dirac;

„Argumenty te są bezsporne gdy z punktu widzenia fizyku roku 1905, ale w czasach dzisiejszych wymagają one modyfikacji, bowiem do eteru należy zastosować mechanikę kwantową. Prędkość eteru, podobnie jak inne wielkości fizyczne, podlega zasadzie nieoznaczoności. Dla danego stanu fizycznego prędkość eteru w danym punkcie czasoprzestrzeni nie zawsze jest dobrze określoną wielkością.”

Po czym następuje przedstawienie nowej idei Diraca i artykuł Diraca kończy się stwierdzeniem:

„W ten sposób, wraz z wprowadzeniem nowej elektrodynamiki po prostu jesteśmy zmuszeni do wprowadzenia eteru.”

Źródło: P.A.M. Dirac, „Is there an Aether?”, Nature 168, pp. 906-907 (1951)