1700-е годы в истории физики были отмечены медленным, порой очень непростым, но все же неуклонным проникновением «английской» теории Ньютона в «континентальную» науку, находившуюся под сильнейшим влиянием картезианства. Когда великий французский вольнодумец Вольтер в 1726 году, после двух недель очередного тюремного заключения в Бастилии, был затем выслан с родины в Англию, то побочным эффектом этой ссылки стало появление в Европе влиятельнейшего литератора «ньютонианца». Ибо по возвращении во Францию спустя три года, Вольтер стал энергичным проводником всего английского – от политического либерализма и шекспировской драматургии до физики и математики Ньютона. В своих «Философских письмах» (1734 г.) Вольтер писал: «Француз, приехав в Лондон, обнаружит, что философия там совершенно изменилась, как, впрочем и все остальное. Он знал «пространство, заполненное веществом», а сейчас это уже «вакуум»»…

Впрочем, для ведущих европейских ученых от Парижа и Базеля до Берлина и Санкт-Петербурга идея пустого пространства еще очень долго продолжала оставаться неприемлемой. Хотя с декартовым объяснением гравитации через эфирные вихри ничего путного явно не получалось, сама идея всепроникающего эфира как среды, передающей взаимодействия, по-прежнему оставалась наиболее привлекательной. С помощью вихрей в эфире продолжались попытки объяснения и других труднопостижимых явлений, вроде электричества или магнетизма, а также загадочной природы света, демонстрировавшего одновременно волновые и корпускулярные свойства.

Одну из замечательных попыток такого рода предпринял Иоган Бернулли Второй (1710-1790), представитель выдающегося швейцарского «клана ученых» Бернулли, внесших огромный вклад в европейскую науку XVIII века. Иоган Второй известен в истории значительно меньше, чем его дядя Якоб, отец Иоган (Первый), или старший брат Даниил Бернулли, однако он сумел прожить свою жизнь не только наиболее благополучно в материальном отношении, но и получил за свои работы больше всех премий – четыре – от Парижской академии наук. Одна из этих премий была получена Иоганом Вторым в 1736 году за манускрипт, посвященный предположительному строению эфира на основе экспериментально наблюдаемых свойств света.

В основу модели младшего Бернулли была положена идея, которая значительно позже среди соратников Уильяма Томсона получит название «мелкозернистого турбулентного движения» или «вихревой губки». Согласно этой идее, жидкий эфир, пронизывающий все пространство, содержит огромное количество чрезвычайно маленьких вихрей. Каждый из таких вихрей под действием центробежной силы стремится к расширению, поэтому давит на все соседние вихри, а за счет этого эфир обладает свойством упругости и может распространять колебания. Источник света, по Бернулли, порождает возмущение, которое сгущает все окружающие вихри, те выходят из состояния равновесия и своим воздействием сгущают следующие за ними вихри. В итоге колебания распространяются во всех направлениях от светящейся точки. Эта модель весьма оригинально объясняла, как свойства среды превращают продольные по сути колебания в поперечные, наблюдавшиеся в опытах с поляризацией света. Бернулли сравнил эти колебания с колебаниями натянутого шнура, который «если его слегка оттянуть, а потом отпустить, совершает поперечные колебания в направлении, перпендикулярном направлению шнура»…

*

Развить все эти, очевидно любопытные, но чисто интуитивные идеи в обстоятельную математическую модель природы света ни самому Бернулли, ни его современникам не удалось. Однако сто с лишним лет спустя за капитальное решение задачи по объединенному описанию электрических и магнитных явлений взялся шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). И в ходе решения этой задачи, пытаясь увязать известные из экспериментов свойства электричества и магнетизма, Максвелл выстраивает в итоге механическую модель эфира, чрезвычайно похожую на гипотетическую «вихревую губку» Бернулли.

Ячеистая структура эфира была придумана Максвеллом на рубеже 1850-1860 годов, когда он работал профессором экспериментальной физики в шотландском Маришал Колледже, г. Абердин. Об этом периоде сохранились довольно занятные воспоминания одного из тогдашних учеников молодого профессора, Дэвида Гилла, впоследствии ставшего известным астрономом: «[Максвелл] был самым приятным и милым существом – он часто засыпал и внезапно просыпался – потом рассказывая о том, что пришло ему в голову. Большую часть из этого мы в то время понять не могли, но какую-то часть мы вспомнили и поняли потом».

Используя столь своеобразный мыслительный процесс в сочетании со строгой математикой, к 1861-1862 годам Максвелл подготовил и опубликовал цикл работ, в которых ему на основе собственной теории удалось объединить все законы электричества и магнетизма, открытые ранее Фарадеем и другими учеными, работавшими до него. Поначалу принятая очень неоднозначно, впоследствии эта теория поставит ее автора в один ряд с такими гигантами физики как Ньютон и Эйнштейн. Ныне максвелловскую формулировку электромагнетизма принято расценивать как одно из самых выдающихся достижений классической физики, оказавшее наибольшее влияние на физику XX века. Но все это будет много позже, когда в физике останутся лишь уравнения Максвелла, полностью очищенные от ячеистых вихрей эфира, с помощью которых они выстраивались.

Структура эфира по Максвеллу

Для самого же Максвелла, когда он создавал свою теорию под явным влиянием работ Майкла Фарадея и Уильяма Томсона (Кельвина), идея эфира как всепроникающей среды, передающей взаимодействия, была основополагающей. С помощью механической модели на основе вихрей-колесиков, связывающих магнитные поля и электрические токи, Максвелл сумел получить важнейшие уравнения своей теории и выстроить формально непротиворечивую картину, в которой магнитная энергия является кинетической энергией среды, занимающей все пространство, а электрическая энергия – это энергия натяжения этой же самой среды.

**

Может показаться удивительным, но другой знаменитый шотландский физик, Уильям Томсон (1824-1907), близко знавший и ценивший Максвелла, очень долго отказывался признавать теорию электромагнетизма своего младшего коллеги и еще многие годы, вплоть до конца XIX века пытался выстроить альтернативную модель. Томсона, как и многих его современников-ученых, в оригинальной и обширной теории Максвелла не устраивали несколько ключевых идей, противоречивших представлениям физики середины XIX века. Например, важнейшим компонентом в теории Максвелла был «ток смещения», с добавлением которого он сумел математически корректно избавиться от противоречий в законах электричества и магнетизма. Но вместе в вводом тока смещения важнейшим принципом теории Максвелла стала обязательная замкнутость всех токов системы, поскольку полный ток – это всегда вихревой вектор. Существование некоего гипотетического тока смещения в пространстве, свободном от проводящей материи или электрического заряда, для современников Максвелла представлялось крайне сомнительной идеей, почему и принимать всю теорию не торопились, несмотря на эффектную математику.

Уильям Томсон (Кельвин) в своей модели эфира тоже опирался на картезианскую идею вихревого движения, однако в ее разработке шел существенно иным путем. На работу Томсона, как известно, оказали влияние два сильных фактора, экспериментальный и теоретический. В лекционной аудитории своего друга П.Г. Тэта в Эдинбургском университете он случайно увидел однажды весьма впечатляющие опыты с вихревыми кольцами, порождаемыми в отверстии мембраны при ударе в наполненный дымом барабан. Кольца дыма в этом эксперименте удивительно долго сохраняют устойчивую форму и способны гасить пламя свечи, расположенной от барабана на расстоянии 3-5 метров.

Несколько же ранее этого, в области теоретической физики Томсон был сильно впечатлен открытием Гельмгольца, показавшего, что вихревое кольцо в идеальной жидкости – это крайне своеобразный тип движения, обладающий постоянной индивидуальностью на протяжении всех изменений при взаимодействиях с окружением. Вихревые кольца, в теории, не могут быть разрушены, так что их можно рассматривать как объединяющиеся и взаимодействующие друг с другом, хотя каждое из них состоит из движения, пронизывающего всю жидкость. Гельмгольц показал, что энергию этой жидкости можно выражать через положения и силы этих вихрей, а из знания этих характеристик можно определять будущее поведение системы.

Опираясь на эти идеи, в 1880 году Уильям Томсон создал собственную модель эфира, показав, что при определенных обстоятельствах масса жидкости может существовать в таком состоянии, когда ее части, находящиеся в вихревом и невихревом движении, превосходно смешиваются друг с другом. В результате эту массу можно рассматривать как однородную, поскольку она имеет в любом ощутимом объеме равное количество вихревого движения во всех направлениях. Жидкость, обладающую таким типом движения, Кельвин назвал вихревой губкой.

***

За последующие два десятка лет Томсону и его соратникам – В.М. Хиксу, Дж.Ф. Фитцджеральду и другим – удалось очень существенно продвинуть математическое описание данной модели, последовательно демонстрируя, что она позволяет объяснить труднопостижимые свойства эфира, в частности, свойственные твердому телу поперечные колебания при передаче возмущений. В 1887 году Томсоном было показано, что уравнение распространения ламинарных возмущений в вихревой губке совпадает с уравнением волн деформации в однородном упругом твердом теле. Это же по виду уравнение описывало и закон распространения световых колебаний в эфире.

Исследование проблем устойчивости турбулентного движения, очень важных для описаний явления электромагнетизма, продвигалось тяжело. Однако к 1899 году Фитцджеральд все же сумел отыскать путь к определению плотности энергии в турбулентной жидкости, распространяющей ламинарные волны. И вот тут-то и было сделано самое удивительное, наверное, открытие в модели вихревой губки.

Полученные в результате формулы демонстрировали совершенно очевидное их сходство с уравнениями электромагнетизма, выведенными ранее Максвеллом на основе существенно иной модели упругого эфира. Иначе говоря, куда более внятная с точки зрения механики модель Томсона в конечном счете оказалась в замечательном согласии с элегантными, но при этом весьма абстрактными уравнениями Максвелла. Более же глубоко постигнутая физика явлений сулила хотя и очень сложные в аналитике, но чрезвычайно перспективные пути дальнейшего продвижения…

Однако на пороге, напомним, уже стоял 1900-й год, а с ним и новое столетие, принесшее миру совсем другую физику, построенную на основе квантов энергии и теории относительности. Такую физику, которая уже совершенно не нуждалась ни в каких старомодных вихревых губках, да и вообще в эфире. По крайней мере, так казалось большинству ученых вплоть до конца XX века.