Нельзя толкнуть, не прикасаясь

Мы знаем, что тела действуют друг на друга при соприкосновении. Бросим в воду камень, от него побежит волна и всколыхнёт плавающие ветки – воздействие передаётся от точки к точке. Звук распространяется потому, что давление передаётся от одного объёма среды к соседнему, от молекулы к молекуле. Если накрыть звучащий электрический звонок стеклянным колпаком и откачать воздух, то видно, как по прежнему молоточек ударяет по колокольчику, но звук исчезает – в пустом пространстве звук не распространяется.

В отличие от звука электрические и магнитные силы, гравитация действуют и в пустоте; в ней распространяется свет, поэтому мы видим Солнце и звёзды. Период колебания маятника, помещённого под колпак, не изменяется при удалении воздуха (если пренебречь трением); значит, не изменяется и сила тяжести.

Естественно предположить, что в пространстве вблизи магнита, вблизи заряженного или массивного тела состояние пустоты изменяется. Пространство, окружающее эти тела, находится в напряжённом состоянии, которое описывается словами: «В пространстве имеется поле». Под действием зарядов возникает электрическое поле, под действием магнита – магнитное, массивное тело вызывает гравитационное поле. Электрическое поле действует на заряженное тело, магнитное – на магнит, поле силы тяжести – скажем, на камень, заставляя их двигаться. Изменение скорости этих тел объясняется действием поля в той области пространства, где в данный момент времени они находятся. Сила передаётся через пустое пространство от точки к точке с помощью полей, как через невидимую жидкость. Такой механизм передачи воздействия называется близкодействием и принят современной физикой.

Но существовало и другое представление – дальнодействие: сила от одного тела к другому мгновенно передаётся на расстояние. На основе этого взгляда Ньютон построил свою теорию тяготения. Предположение о мгновенной передаче воздействия не помешало ему получить законы движения небесных тел, с огромной точностью совпадающие с данными наблюдений. Сейчас мы знаем почему: небесные тела движутся со сравнительно малыми скоростями, а гравитационное взаимодействие осуществляется со скоростью света и при таком сравнении может считаться мгновенным.

Идею дальнодействия трудно согласовать со свойствами света: было известно, что свет распространяется с конечной скоростью и проходит все промежуточные точки на линии светового луча. Особенно хорошо это видно, когда луч света проходит в тумане – он непрерывен. Ньютон предположил, что светящееся тело испускает частицы, передающие свет, - корпускулы. Тогда конечная скорость распространения света не противоречит представлению о дальнодействии, но остаются без объяснения волновые свойства света, доказанные опытами по интерференции (сложение и вычитание волн, идущих от одного источника, но разными путями) и дифракции (огибание светом препятствий). Корпускулярная теория Ньютона так и не смогла объяснить эти явления.

Через 200 с лишним лет после Ньютона, в 1905 году, появилась замечательная работа Эйнштейна по квантовой природе света. Эйнштейн показал, что свойства фотоэффекта (вырывание электронов из атомов при облучении) можно объяснить, только предположив, что свет представляет собой набор частиц – фотонов, которые, ударяясь об электрон, выбрасывают его из атома. (О фотонах мы подробно поговорим позже). Представление о свете, как о волне не могло объяснить главное свойство фотоэффекта: энергия вылетающего электрона, не зависит от интенсивности света, а только от его частоты.

В некотором смысле точка зрения Эйнштейна означала возврат к ньютоновской теории корпускул. И снова возник вопрос, на который не смог ответить Ньютон: как объединить оба представления – о волновой природе света, доказанной опытами по интерференции и дифракции, и о корпускулярной, объясняющей фотоэффект? Возник важный парадокс – «дуализм волн-частиц», - который был разрешён квантовой теорией, доказавшей, что свет – и волна, и частица одновременно, так же как электрон – и частица и волна!

Сейчас нам известно, что в пустоте все взаимодействия – электрическое, магнитное, гравитационное, ядерное – передаются от точки к точке со скоростью, не превышающей скорости света. Если одно тело передвинуть, должна измениться сила тяжести, действующая на другое тело. Но если это другое тело находится далеко от первого, то пройдёт много времени, прежде чем оно получит воздействие. Где же находится возмущение, когда первое тело уже переместилось, а второе ещё не имеет сведений о его новом местоположении? На этот вопрос теория дальнодействия не могла ответить, и многие физики отказались от неё ещё в прошлом веке.

Для объяснения передачи воздействия на расстояние была придумана специальная среда – эфир, заполняющая всё пространство между частицами вещества. Воздействие передаётся за счёт того, что вокруг заряженных или намагниченных тел эфир деформируется и возникает сила, действующая на другое заряженное или намагниченное тело. Деформация эфира передаётся последовательно от точки к точке. Свет распространяется в нём так же, как звук в твёрдом теле.

Всё было правильно, кроме одного – вплоть до начала ХХ века физики пытались строить эфир по образу и подобию известных твёрдых и жидких тел, а его нужно было изучать сам по себе. Это среда особого рода. Следствием неверного представления о природе эфира было возникновение интереснейших парадоксов, разрешение которых приводило к созданию новых физических теорий.