УДК 53.01; 530.1; 530.11; 530.12:

ЭКСПЕРИМЕНТ МАЙКЕЛЬСОНА – МОРЛИ, ОШИБКИ И ПРИЧИНЫ НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТИ

Орлов Евгений Федорович
научно-производственная фирма Ltd "Sinuar"

Аннотация
Данная статья посвящена поискам причин неудачно выполненных физических экспериментов Майкельсона – Морли и их последователей. Проведенные исследования выявили конкретные причины не позволявшие получить положительные результаты указанных экспериментов. Устранение выявленных ошибок путем изменения конструкции интерферометров позволит установить фактические скорости и фактические направления движения небесных тел, что послужит основанием для открытия новой страницы в познании физической картины мира.

THE MICHELSON - MORLEY, ERRORS AND CAUSES OF FAILURE

Orlov Evgeny Fedorovich
Scientific and Production Company Ltd "Sinuar"

Abstract
This article is dedicated to finding the causes of failure of the physical experiments of Michelson - Morley and their followers. Our studies have revealed specific reasons do not provide positive results of these experiments. Eliminating the errors identified by changing the design of interferometers will set the actual speed and the actual direction of the heavenly bodies, which will serve as the basis for opening a new page in the knowledge of the physical picture of the world.

Уникальный физический эксперимент Майкельсона,

Являясь робкой попыткой науки заглянуть в глубины

Физической картины мира, показал истинный уровень

Интеллектуального развития человечества.

ВВЕДЕНИЕ.

В 1881году после продолжительных попыток измерить абсолютную скорость Земли в пространстве, А.Майкельсон опубликовал результаты, как ему казалось, «неудачного» физического эксперимента, в последствии поставившие всю современную науку в ступор, доведя ее к настоящему времени до бредового состояния.

В работе «Логический и физический аспекты в основе критики теории относительности» была указана конкретная причина принципиальной невозможности применения математических преобразований Х.Лоренца, а значит и теории относительности, при рассмотрении физических явлений. Одновременно, был приведен пример с двумя инерциальными системами отсчета, в котором автор настоящей работы уже высказал одну из главных идей о том, что в принципе, распространение электромагнитных сигналов в каждой из инерциальных систем отсчета, имеют место в реальной действительности .

ПОСТАНОВКА ВОПРОСА.

Распространение электромагнитных сигналов в каждой из инерциальных систем отсчета означает, что каждая инерциальная система отсчета (ИСО) является абсолютной для локального пространства в непосредственной близости от основного объема массы материальных частиц, являющихся основой инерциальной системы отсчета. А распространение действия по объемным координатам на огромные расстояния, ИСО осуществляет посредством эфирных частиц, «принадлежащих» конкретной инерциальной системе отсчета.

Таким образом, распространение действия компонентов каждой системы отсчета определяют параметры конкретной системы отсчета, которые напрямую зависят от концентрации объема массы материальных частиц в локальном пространстве. Из этого следует, что визуально определяются размеры любой инерциальной системы отсчета состоящие из основных агрегатных состояний материи – твердой, жидкой, газообразной и плазменной. При этом, широкий спектр электромагнитных излучений, исходящий от перечисленных агрегатных состояний материи, позволяющий осуществлять визуальное наблюдение с помощью телескопов и иных устройств на большом расстоянии от концентрации агрегатных состояний, свидетельствует о том, что конкретные инерциальные системы отсчета распространяют свое действие с помощью эфирного состояния материи, а эфирное состояние материи наблюдается в виде электромагнитных волн, распространяющихся с определенной скоростью в эфирной материи.

Следовательно, пространство нашей Вселенной является конечным, а его размеры находятся в прямой пропорциональной зависимости от суммы объемов масс материальных частиц, включая эфирные частицы.

Границы Вселенной определяются исключительно по отсутствию эфирной материи в пространстве, я называю его Общим Пространством (Пространство-О или, для простоты идентификации, Пространство-Орлова), которое определяется по отсутствию каких-либо электромагнитных колебаний. Таким образом, удаляясь от пространства нашей Вселенной и наблюдая её в мощный телескоп в виде единственной очень маленькой светящейся точки, можно говорить о том, что наблюдатель покидает пространство нашей Вселенной. Дальнейшее удаление наблюдателя от Вселенной и полное исчезновение свечения будет свидетельствовать о том, что наблюдатель покинул пространство нашей Вселенной и находится в Общем Пространстве. Общее Пространство бесконечно по любым направлениям и может включать в себя бесконечное число любых иных Вселенных. Отсутствие эфирной материи в Общем Пространстве означает, что распространение любых видов известных фундаментальных взаимодействий невозможно принципиально.

Таким образом, А.Майкельсон и его последователи, могли и должны были получать две составляющие скоростей перемещения интерферометра, а следовательно и Земли в пространстве. Первая из них, это нулевая скорость относительно поверхности Земли, при условии неподвижности интерферометра, доказывающая, что Земля является инерциальной системой отсчета, со своими компонентами параметров действия в пространстве. Вторая составляющая – это скорость перемещения Земли относительно любой иной выбранной инерциальной системы отсчета, при условии, если интерферометр будет направлен исключительно на выбранную систему отсчета. Но в таком случае оказывается, что во Вселенной находится огромное количество инерциальных систем отсчета, перемещающихся в пространстве в различных направлениях. Следовательно, значения скоростей взаимного перемещения Земли и указанных систем отсчета, будет представлять собой широкий спектр скоростей, начиная от нулевых значений и кончая скоростями сравнимыми со скоростями распространения гравитационного взаимодействия.

Указанная постановка вопроса требует, чтобы интерферометр был ориентирован на выбранную звезду, а значит, был смонтирован либо на тубе телескопа, с помощью которого можно установить точное направление на выбранную звезду. Либо необходимо смонтировать телескоп на монтажном столе интерферометра, но в любом случае интерферометр должен иметь возможность вращаться в двух плоскостях – в горизонтальной и в вертикальной.

Как известно, интерферометры А.Майкельсона и его последователей, вращались лишь в горизонтальной плоскости, означая тем самым, что интерферометры хаотично направлялись на различные инерциальные системы отсчета, в результате чего регистрировались хаотичные показания.

Следующим важным моментом для успешного выполнения эксперимента по измерению скорости перемещения Земли относительно выбранной удаленной инерциальной системы отсчета (звезды) является учет ослабления действия компонентов параметров удаленной ИСО в пространстве. Предположительно, подобное ослабление происходит пропорционально квадрату расстояния, измеренного от Земли до удаленной выбранной звезды. Указанная постановка вопроса требует ослабления светового луча интерферометра до состояния, когда компоненты параметров удаленной ИСО будут способны взаимодействовать со световым лучом интерферометра.

Известно, что в современных интерферометрах используются лазерные источники света, обладающие большими мощностями светового потока. Мощность светового потока подобных источников когерентного излучения несоизмеримо больше светового потока удаленной звезды и соответственно взаимодействие двух разновеликих излучений просто не замечается человеческим глазом и тем более современной аппаратурой.

Сравнительно слабый источник света в интерферометре Майкельсона позволял ему получать хаотичные значения скоростей тех или иных удаленных систем отсчета, на которые интерферометр хаотично направлялся во время проведения эксперимента, при вращении интерферометра вокруг собственной оси.

Таким образом, для измерения абсолютной скорости перемещения Земли в локальной абсолютной системе отсчета удаленной звезды или галактики необходимо выполнить как минимум два важных дополнительных условия. Первое условие: – при выполнении измерений интерферометр должен быть строго ориентирован на выбранную удаленную звезду или галактику. Второе условие: – световой поток интерферометра должен быть соизмеримым со световым потоком удаленной звезды или галактики.

Следовательно, реконструкция интерферометра состоит в том, чтобы он был смонтирован на телескопе, с помощью которого должно отслеживаться направление на выбранную звезду или галактику, а соизмеримость световых потоков удаленной звезды и источника света интерферометра следует подбирать опытным путем, устанавливая поглощающие фильтры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении необходимо отметить, что выполнение эксперимента Майкельсона – Морли с учетом выявленных ошибок, позволит определить фактические скорости и фактические направления движения звезд и галактик в пространстве нашей Вселенной. Это крайне необходимо сделать, поскольку применяемая современная методика определения скоростей взаимного перемещения небесных тел основывается исключительно на «красном смещении» спектров, тем самым, внося большие искажения в понимание физической картины мира.

Библиографический список

1. Орлов Е.Ф. Логический и физический аспекты в основании критики теории относительности. // Исследования в области естественных наук. – Март, 2013 [Электронный ресурс]. URL:

В 1881 г. Майкельсон осуществил знаменитый опыт, с помощью которого он рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер). В 1887 г. Майкельсон повторил свой опыт совместно с Морли на более совершенном приборе. Установка Майкельсона - Морли изображена на рис. 150.1. Кирпичное основание поддерживало кольцевой чугунный желоб с ртутью. На ртути плавал деревянный поплавок, имеющий форму нижней половины разрезанного вдоль бублика. На этот поплавок устанавливалась массивная квадратная каменная плита. Такое устройство позволяло плавно поворачивать плиту вокруг вертикальной оси прибора. На плите монтировался интерферометр Майкельсона (см. рис. 123.1), видоизмененный так, что оба луча, прежде чем вернуться к полупрозрачной пластинке, несколько раз проходили туда и обратно путь, совпадающий с диагональю плиты. Схема хода лучей показана на рис. 150.2. Обозначения на этом рисунке соответствуют обозначениям на рис. 123.1.

В основе опыта лежали следующие соображения. Предположим, что плечо интерферометра (рис. 150.3) совпадает с направлением движения Земли относительно эфира. Тогда время, необходимое лучу чтобы пройти путь до зеркала и обратно, будет отлично от времени, необходимого для прохождения пути лучом 2.

В результате, даже при равенстве длин обоих плеч, лучи 1 и 2 приобретут некоторую разность хода. Если повернуть прибор на 90°, плечи поменяются местами и разность хода изменит знак. Это должно привести к смещению интерференционной картины, величину которого, как показали произведенные Майкельсоном расчеты, вполне можно было бы обнаружить.

Чтобы вычислить ожидаемое смещение интерференционной картины, найдем времена прохождения соответствующих путей лучами 1 и 2. Пусть скорость Земли относительно эфира равна .

Если эфир не увлекается Землей и скорость света относительно эфира равна с (показатель преломления воздуха практически равен единице), то скорость света относительно прибора будет равна с - v для направления и с + v для направления Следовательно, время для луча 2 определяется выражением

(скорость движения Земли по орбите равна 30 км/с, поэтому

Прежде чем приступить к вычислению времени , рассмотрим следующий пример из механики. Пусть катеру, который развивает скорость с относительно воды, требуется пересечь реку, текущую со скоростью v, в направлении, точно перпендикулярном к ее берегам (рис 150.4). Для того чтобы катер перемещался в заданном направлении, его скорость с относительно воды должна быть направлена так, как показано на рисунке. Поэтому скорость катера относительно берегов будет равна Такова же будет (как предполагал Майкельсон) скорость луча 1 относительно прибора.

Следовательно, время для луча 1 равно

Подставив в выражение значения (150.1) и (150.2) для получим разность хода лучей 1 и 2:

При повороте прибора на 90° разность хода изменит знак. Следовательно, число полос, на которое сместится интерференционная картина, составит

Длина плеча I (учитывая многократные отражения) составляла 11 м. Длина волны света в опыте Майкельсона и Морли равнялась 0,59 мкм. Подстановка этих значений в формулу (150.3) дает полосы.

Прибор позволял обнаружить смещение порядка 0,01 полосы. Однако никакого смещения интерференционной картины обнаружено не было. Чтобы исключить возможность того, что в момент измерений плоскость горизонта окажется перпендикулярной к вектору орбитальной скорости Земли, опыт повторялся в различное время суток. Впоследствии опыт производился многократно в различное время года (за год вектор Орбитальной скорости Земли поворачивается в пространстве на 360°) и неизменно давал отрицательные результаты. Обнаружить эфирный ветер не удавалось. Мировой эфир оставался неуловимым.

Было предпринято несколько попыток объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, не отказываясь от гипотезы о мировом эфире. Однако все эти попытки оказались несостоятельными. Исчерпывающее непротиворечивое объяснение всех опытных фактов, в том числе и результатов опыта Майкельсона, было дано Эйнштейном в 1905 г. Эйнштейн прншел к выводу, что мирового эфира, т. е. особой среды, которая могла бы служить абсолютной системой отсчета, не существует. В соответствии с этим Эйнштейн распространил механический принцип относительности на все без исключения физические явления. Далее Эйнштейн постулировал в соответствии с опытными данными, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Принцип относительности и принцип постоянства скорости света образуют основу созданной Эйнштейном специальной теории относительности (см. главу VIII 1-го тома).

Идея опыта состоит в сравнении прохождения светом двух путей, из которых один совпадает с направлением движения тела в эфире, а другой ему перпендикулярен.

Пластинка B полупрозрачна. На ней луч разделяется на два когерентных перпендикулярных луча, идущих к зеркалам D и C. В интерферометре встречаются два когерентных луча, прошедших от места разделения различные пути.

Если эти пути пройдены ими за одинаковое время, то в точку встречи они придут в одной фазе и усилят друг друга. Если за разное время, то в точке встречи разность фаз и колебаний изменится. Наблюдая интерференцию, можно сделать вывод о разности фаз пришедших в интерферометр когерентных волн, а отсюда вычислить время запаздывания одной волны относительно другой. Это и было сделано Майкельсоном и Морли. Это был один из самых замечательных экспериментов 19 столетия. Простой по существу, этот опыт привел к революции в науке.

Пусть прибор движется в направлении плеча BC со скоростью v относительно эфира. Скорость света относительно эфира c . Полное время, в течение которого будет пройден путь до зеркала C и обратно, будет равно:

До зеркала D путь BDB /

Здесь v – скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца (~30 км/c). Следовательно, если прибор стоит на Земле, то . Учитывая малость этого члена, выражения можно разложить в ряды:

Получаем:

Разность хода лучей равна:

Теперь повернем прибор на 90° так, чтобы с направлением движения совпало плечо BD, а плечо BC было направлено перпендикулярно. Для разности хода получим:

Полное изменение разности хода лучей во времени при повороте прибора равно:

В опыте прибор медленно вращался, так как истинное движение прибора относительно эфира было неизвестно. Таким образом, при повороте прибора на 360° каждое из плеч два раза совпадает с направлением движения и два раза становится перпендикулярным направлению движения. Если при повороте прибора разность хода лучей меняется, то положение полос интерференции в поле зрения также должно изменяться. Оценим величину смещения.

Относительно смещение полос интерференции равно:

расстояния между полосами, а это можно без труда наблюдать и измерить.

Но на опыте никакого эффекта не было обнаружено. Абсолютную скорость Земли оказалось невозможно обнаружить.

Получалось, что скорость света по всем направлениям одна и та же и никакого эфирного ветра нет. Продольная и поперечная составляющие скорости всегда равны друг другу. С появлением лазеров точность опытов удалось значительно повысить.

Опыты показали, что скорость света не складывается ни со скоростью источника, ни со скоростью приемника.

Постоянство скорости света находится в глубоком противоречии с привычными представлениями опытов и с формулами сложения скоростей на основе преобразований Галилея. При скоростях много меньших скорости света отклонения не наблюдаются, так как они очень малы. Неправильность формулы сложения скоростей проявляется, когда скорости достаточно велики. Впервые отклонения были обнаружены в 1860 году в опытах Физо.

Прежде чем разбираться в деталях интерферометра Майкельсона, давайте посмотри на него сверху, и попытаемся понять, к чему приводит недооценка эффекта аберрации света.

Слева на рис. 1 показан полный ход лучей света, справа на этом же рисунке вычерчена упрощенная схема, принятая современной наукой. На правом рисунке мы видим квадратное основание прибора, на котором закреплены источник света, система зеркал, многократно отражающих луч света, и оптический прибор (Майкельсон называл его «телескоп») для наблюдения интерференционной картинки. Система зеркал нужна для увеличения оптического хода интерферирующих лучей, которая напрямую связана с разностью фаз. Принципиального значения, однако, зеркала не имеют: их может быть больше или меньше.

Рис. 1. Ход лучей света в интерферометре Майкельсона . На правом рисунке луч 1 от источника света 0 распространяется в направлении движения Земли; луч 2 - это отраженный от зеркала С луч 1. Луч 3, отразившись от зеркала А, становится лучом 4. Как отметил Майкельсон, оптический путь, проделанный лучами 1-2, не равен оптическому пути, проделанному лучами 3-4. Следовательно, встретившись в точке В они дадут интерференционные полосы, расстояния между которыми пропорционально разности хода лучей 1-2 и лучей 3-4. На этой традиционной схеме, которая воспроизводится во всех учебниках, рассказывающих об эксперименте Майкельсона – Морли, углом аберрации фактически является угол α. Эффект аберрации сравнивают с эффектом «сноса» светового луча в ту или иную сторону в зависимости от движения источника или приемника. К сожалению, при выборе знака отклонения луча 3 была допущена ошибка: на диаграмме луч 3 отклоняется вправо, в действительности он должен отклоняться влево (луч 3").

В школьных учебниках аберрацию разъясняют через косые струи воды, которые оставляет дождь на боковых стеклах движущегося автомобиля. Эти струи образуют острый угол с направлением вектора движения автомобиля. В самом деле, представьте себе, что вы сидите внутри автомобиля, который движется по дороге. Капли дождя на боковых стеклах автомобильного салона прочерчивают косые линии, так как образуется треугольник скоростей: горизонтальный катет v 1 - скорость автомобиля; вертикальный катет v 2 - скорость движения капли сверху вниз. Тогда гипотенуза этого треугольника есть векторная сумма этих двух скоростей. Так проявляется эффект аберрации.

Согласно этому явлению, астрономы при наблюдении звезд слегка поворачивают свои телескопы по направлению движения Земли. В противном случае участок волнового фронта, зашедшего в объектив телескопа, не достигнет его окуляра. Причем величина аберрации зависит от расположения звезды на ночном небосклоне. Звезды, которые находятся прямо у нас над головой, в течение года описывают правильную окружность с угловым радиусом аберрационного отклонения α = 20,45". Звезды, расположенные на некотором угловом расстоянии от зенита описывают эллипс. Звезды на линии горизонта, т.е. находящиеся в плоскости эклиптики (земной орбиты), совершают колебательные движения по прямой с тем же угловым отклонением ±α.

Рис. 2. Суть эффекта аберрации света . Звезда, направление к которой лежит под прямым углом к плоскости орбиты Земли, оказывается смещенной по направлению движения Земли на угол α = 20,45". Следовательно, труба телескопа должна быть наклонена на угол α к вертикальному направлению. Эффект аберрации объясняется тем, что луч света, зашедший в объектив телескопа в точке А , должен дойти до окуляра в точку В , чтобы его можно было увидеть земному наблюдателю. Угол наклона α определяется векторной суммой двух скоростей - скорости света c и скорости Земли на орбите v , так что скорость света внутри трубы телескопа (c" ) на отрезке AC определяется формулой Пифагора, т.е. по классической формуле сложения скоростей - (c ² – v ²) ½ (Эти разъяснения позаимствованы из ранее написанной мной статьи Главный аргумент против теории относительности ).

В первой части этой работы многократно подчеркивалось, что правильное понимание эксперимента Майкельсона – Морли приходит с рассмотрением волновой природы света - и это действительно так. Однако необходимо помнить также, что явление аберрации можно наблюдать и на примере точечных объектов. Нужно не забывать, что Дж. Брэдли, первооткрыватель аберрации, согласно оптической теории Ньютона, представлял свет в виде корпускул.

Итак, в примерах с телескопом или автомобилем движущимся является приемник . Повторим, если лучи от звезды или капли дождя падают вертикально вниз, то за счет движения приемника образуется острый угол α, который будет откладываться от нормали в сторону по направлению движения приемника . Ну, а что произойдет, если движется источник ? Представьте себе, что в кузове автомобиля установлен фонтан, струя которого направлена вертикально вверх. При движении автомобиля эта струя, естественно, отклониться назад. Следовательно, угол аберрации α, при движении источника света нужно откладывать от нормали в противоположную сторону от вектора скорости перемещения источника.

Таким образом, на рис. 1 луч 3 от источника света 0 пойдет не по направлению к точке А, а по направлению к точке D. Майкельсон ошибся. В его голове стояла картина реки с двумя лодками, которые двигаются вдоль и поперек течения. Именно для этой картины он производил расчеты времени хода лучей в приборе и получал разность фаз. Но этим не исчерпываются недостатки его чертежа и, следовательно, расчетов.

Внешне майкельсоновская схема хода лучей в интерферометре, взятая из работы (см. рисунок справа), напоминает чертеж из геометрической оптики, когда все углы отражения равны углам падения. Но при наличии аберрации этот закон нарушается. Луч света, падающий на полупрозрачное зеркало под углом в 45°, отразиться уже не под тем же углом, а под другим: 45° + α. Следовательно, в случае быстрого перемещения источника, приемника и системы зеркал уже нельзя пользоваться законами геометрической оптики , справедливой только для стационарного случая.

В движущейся системе понятие «оптического пути» видоизменяется. В этом случае нужно учитывать эффект аберрации и эффект Доплера, которые не учитываются в оптике неподвижных источников света и приемных датчиков. Традиционная схема хода лучей в интерферометре не пригодна для расчета разности фаз, которая ответственна за интерференционную картину. Она была непосредственно взята из примера Майкельсона с лодками, которые сносятся течением реки. С лучами света дело обстоит совершенно иначе. Они распространяются в неподвижной эфирной среде, движутся же источник и приемники световых колебаний.

Прежде чем углубляться в детали интерферометра и схему эксперимента, давайте посмотрим, что происходило накануне до этого. С этой целью процитируем отрывок из статьи Майкельсона и Морли, написанной по итогам эксперимента 1887 года.

«Согласно Френелю, - пишут авторы, - в волновой теории эфир, во-первых, предполагается находящимся в покое, за исключением внутренности прозрачных сред, в которых, во-вторых, он считается движущимся со скоростью, меньшей скорости среды в отношении (n ² – 1)/n ², где n - коэффициент преломления. Эти две гипотезы дают полное и удовлетворительное объяснение аберрации. Вторая гипотеза, несмотря на ее кажущееся неправдоподобие, должна считаться полностью доказанной, во-первых, замечательным опытом Физо и, во-вторых, нашим собственным исследованием. Экспериментальная проверка первой гипотезы составляет цель настоящей работы.

Если бы Земля была прозрачным телом, то, учитывая только что упомянутые эксперименты, вероятно, можно было бы допустить, что межмолекулярный эфир находится в пространстве в покое, несмотря на движение Земли по орбите; но мы не имеем права распространять выводы из этих экспериментов на непрозрачные тела. Однако вряд ли можно сомневаться, что эфир может проходить и действительно проходит через металлы. Лоренц приводит в качестве иллюстрации трубку ртутного манометра. Когда трубка наклонена, эфир, находящийся в пространстве над ртутью, безусловно, выталкивается оттуда, поскольку он не сжимаем. Но опять-таки мы не имеем права предположить, что он выходит совершенно свободно, и если бы существовало какое-то сопротивление, хотя и слабое, мы не могли бы, конечно, полагать, что непрозрачное тело, такое, как Земля в целом, обеспечивает свободное прохождение эфира через всю эту массу. Но, как удачно отмечает Лоренц, «как бы то ни было, по моему мнению, в этом вопросе, также важном, лучше не позволять себе руководствоваться соображениями, основанными на правдоподобности или простоте той или иной гипотезы, а обращаться к опыту, чтобы научиться узнавать состояние покоя или движения, в котором находится эфир на поверхности Земли.

В апреле 1881 г. был предложен и испытан метод для решения этого вопроса.

При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому движению. Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г. А. Лоренца, который выяснил, что данным эффектом ни в коем случае нельзя пренебрегать. Как следствие, в действительности величина, которая должна быть измерена, составляет только половину предполагавшейся величины, и, поскольку последняя уже была едва за пределами ошибок эксперимента, выводы, сделанные из результатов опыта, могли вполне основательно подвергаться сомнению. Однако, поскольку основная часть теории сомнению не подлежит, было решено повторить эксперимент с такими изменениями, которые давали бы уверенность в том, что теоретический результат достаточно велик, чтобы не быть скрытым экспериментальными погрешностями» .

«Еще Френель в цитированном выше письме, в котором было введено понятие о коэффициенте увлечения, показал, что принятие значение k = (n ² – 1)/n ² позволяет объяснить отсутствие влияние движения Земли на некоторые оптические явления, даже если признать неподвижность эфира, т.е. явно отказаться от распространения принципа относительности на электродинамику. В дальнейшем вопрос о коэффициенте увлечения становится центральным пунктом теории. Признав недостаточно обоснованными исходные предпосылки Френеля (различная плотность эфира в разных телах при одинаковой его упругости), последующие исследователи пытались дать динамическую интерпретацию эффекта увлечения, исходя из других моделей.

Стокс заметил, что френелевский коэффициент можно получить, если допустить, что внутри тела движется весь эфир, причем входящий в Землю или другое тело спереди эфир сразу сжимается, а выходящий позади тела разряжается» .

Отсюда становится понятно, что Майкельсон и Морли фактически проверяли именно эту идею Стокса, которой отдавал предпочтение и Лоренц. По модели Френеля никакого ветра эфир не вызывает: физические тела создают неоднородность в плотности эфира, которые движутся вокруг Солнца с орбитальной скорости Земли, но сам эфир покоится. Франкфурт и Френк правильно заметили, если принять это - значит «явно отказаться от распространения принципа относительности на электродинамику». Между тем к моменту обсуждения этой острой проблемы тотальный принцип относительности уже был провозглашен Махом. Те, кто соглашался с ним, автоматически переходили на позиции Стокса и Лоренца, придерживавшихся отнюдь не новой концепции.

По старым представлениям, Земля при своем движении вокруг Солнца должна обдуваться эфирной средой подобно тому, как летящий мяч обдувается воздухом. Каким бы разряженным не был эфир в результате трения Земля и другие планеты рано или поздно должны будут упасть на Солнце. Однако астрономы не заметили какого-либо замедления в их движении: каждый последующий год в точности равен предыдущему. Дело усугублялось еще и тем, что физики установили, что свет представляет собой колебания электрического и магнитного поля, направленные перпендикулярно лучу распространения. Было установлено, что такие поперечные колебания возможны только в абсолютно твердом теле. Значит, планеты и все другие тела перемещаются в твердом теле? Абсурд!

Во времена Майкельсона не существовало объектов, которые могли бы служить моделью для подобного рода движений. Сегодня знания о мире существенно расширились. При изучении физики полупроводников были открыты механизмы, которые позволяют моделировать описанную выше ситуацию. Например, при низких температурах в германии образуются так называемые экситоны . Эти квазичастицы перемещаются в полупроводнике без переноса полупроводникового вещества.

Таким образом, в твердом теле образуются энергетические возбуждения, которые аналогичны атомам водорода и описываются соответствующими характеристиками: боровским радиусом орбиты, импульсом, массой и пр. При определенных условиях можно получить биэкситоны - аналог гелия, триэкситоны - аналог лития. Физики открыли экситонную жидкость , которая собирается в капли ; капли можно испарять. Короче говоря, физика твердого тела имеет дело с механикой супервещества , которое надстраивается над обычным веществом.

Впрочем, и во времена Майкельсона многие конструктивно думающие физики считали, что атомы и молекулы обычного вещества образованы вихрями или каким-то более сложными возбуждениями эфирной среды. Например, Дж. Дж. Томсон пытался моделировать электрон и атом с помощью вихрей и фарадеевских трубок (см. Материя и эфир , Электричество и материя , а также полезно почитать ). Такие, как он физики, отлично понимали, что никакого «эфирного ветра» зарегистрировать нельзя. Земля и всё, что на ней находится (включай интерферометр Майкельсона), летит в открытом космосе подобно тому, как волна скользит по поверхности океана.

Трудно сказать, почему эксперимент Майкельсона - Морли произвел на релятивистов столь сильное впечатление. Ведь еще Маскар, после проведения большой серии экспериментов в 1869 – 1874 гг. сделал вывод: «Явления отражения света, дифракции, двойного преломления и вращения плоскости поляризации в равной мере не в состоянии выявить поступательное движение Земли, когда пользуемся светом Солнца или земного источника» . Спрашивается, почему нужно было ожидать чего-то экстраординарного от интерференционной картины, которая получалась в установке Майкельсона? Франкфурт и Френк напоминают, что помимо вышеупомянутого Миллера, который получил положительный результат, подобные эксперименты были проделаны Рэлеем (1902) и Бресом (1905), подтвердившими уже отрицательный результат Майкельсона. Понятно, что расхождение в толковании опытов, степень непонимания и недоверия к эмпирическим результатам во многом зависит от мировоззренческих позиций физика.

О различиях в эпистемологическом подходе формалистов-феноменалистов и рационалистов-конструктивистов можно говорить долго. Но сейчас важно понять, что мировоззрение Лоренца тяготело к первым, а Дж. Дж. Томсона - ко вторым. В своей электронной теории Лоренц, в отличие от Дж. Дж. Томсона, электрон представлял математической точкой и не ломал голову над его внутренней структурой. Он также считал, что атомы вещества существуют сами по себе, а эфирная среда - сама по себе. Его мышление пронизано абстрактной символикой, в нём мало места отводилось наглядным представлениям. За длинными математическими выкладками терялась физика явления.

Опыт Ипполита Луи Физо (1819 – 1896), проведенный в 1851 г. и повторенный Майкельсоном в 1886 г., касался определения скорости света в движущейся среде. Упрощенная схема эксперимента выглядит как показано на фиг. 16, взятой из книги .

Фиг. 16. Свет от источника L , разделяясь на два луча, проходит через трубу, по которой течет вода со скорость u . Из-за разности хода лучей в точке А появляется интерференционные полосы, которые можно сдвинуть, если изменить направление скорости u . По идее, результирующая скорость должна находиться по элементарной формуле сложения двух скоростей: V = c" ± u , где c" = c/n - скорость света в среде с коэффициентом преломления n . Однако эксперимент показал, что эта формула не пригодна для расчета V .

Напомним, если скорость света в пустоте обозначить через c , то в среде с показателем преломления n она уменьшится: c" = c/n . В воздухе, как и в вакууме, она равна c" = c =300 000 км/с, так как для воздуха показатель преломления n близок к единице; для воды n = 1,33 и c" = 225 000 км/с, а для алмаза n = 2,42 и c" = 124 000 км/с. Получается, чем плотнее среда, тем меньше скорость света (плотность алмаза в 3,5 раза выше воды). В акустике, в общем, наблюдается обратная зависимость. Если в воздухе звук распространяется со скоростью 331 м/с, то в воде - 1482 м/с, а в стали 6000 м/с. Однако зависимость скорости акустической волны от плотности среды не столь однозначна и зависит от строения вещества (см. табл. 3 Введение в акустику ).

Физо показал, когда водная среда начинает перемещаться, скорость света в ней находится по "релятивистской" формуле сложения двух скоростей:

где u = 7 м/c, при которой не образуется турбулентных завихрений. На одном участке трубы скорость движения воды u совпадает со скоростью c" и тогда в формуле фигурирует, на друго участке не совпадает и тогда ставится "–".

Но ни о какой "релятивистской" трактовке последней формулы в середине XIX века не могло быть и речи. Интерпретации поддавалась ее приближенное значение, за которым скрывалось более сложная зависимость результирующей скорости V от длины волны светового излучения. Выражение стоящее в скобках называлось коэффициентом увлечения , который вывел и объяснил Огюстен Жан Френель (1788 – 1827) еще в 1818 году, после эксперимента, проведенного Домиником Франсуа Жаном Араго (1786 –1853).

Араго экспериментировал с движущейся стеклянной призмой, измеряя при этом угол аберрации. Он рассчитывал, что два знакомых нам вектора скорости будут складываться и вычитаться обычным образом: V = c" ± u . Тогда, в соответствии с логикой эксперимента, должен был измениться угол аберрации. Однако с точностью до одной угловой секунды величина α = 20,45", найденная Дж. Брэдли, не менялась.

Цель эксперимента можно было сформулировать иначе и решать обратную задачу: как изменится показатель преломления призмы, находящейся на Земле, движущейся со скоростью 30 км/с, если через призму пропускать свет от неподвижной звезда. Тогда отрицательное заключение из этой постановки задачи выглядит так: показатель преломления призмы не меняется.

Френель принял, что световые волны носят продольный характер, как и акустические волны (поперечный характер световых волн был установлен им в 1821 году). Скорость звука в том или ином веществе, как мы уже знаем (Введение в акустику ), зависит от плотности вещества. Избыток плотности возникает в результате различного рода возбуждений среды, например, воздушных и водных вихрей. Если акустические волны пропускать через движущийся со скоростью u вихрь, то их звуковая скорость внутри вихря будет реагировать на избыточную плотность в соответствии с "релятивистской" формулой. Кажется, что в вихре кружится весь заключенный в нем воздух и переносится вместе с вихрем. Если так, то результирующая скорость определялась бы по "классической" формуле сложения скоростей, но этого не случилось. На высоком формально-теоретическом уровне Френелю удалось провести параллель между оптическими и акустическими явлениями. Он показал, что увлечению подвергается лишь избыток плотности эфира в материальных телах по сравнению с плотностью эфира в открытом космосе.

Волновая теория Френеля, объясняющая целый комплекс оптических проблем, включая дифракцию и поляризацию, безмятежно господствовала при и его жизни и затем еще без малого два десятка лет после его смерти. Французская школа оптиков, прежде всего, в лице Араго, Френеля, Фуко и Физо, явно доминировала в мире. Англичане, вечные конкуренты французов, с завистью взирали на успехи своих противников не только в научной сфере, но также культурной, политической и военной.

Френель вывел коэффициент частичного увлечения, оперируя двумя характеристиками эфира, определяющими скорость света. Это - его упругость , которая оставалась неизменной для движущихся сред, и его варьируемой плотности . Англичанин Джордж Габриэль Стокс (1891 – 1903) в середине 1840-х годов впервые высказал идею полного увлечения эфира движущимися объектами такими, например, как наша планета. При этом он опирался на третью механическую характеристику эфира - вязкость . В 1849 году он опубликовал фундаментальную работу «О теории внутреннего трения в движущихся жидкостях и о равновесии и движении упругих твёрдых тел», в которой получил знаменитое дифференциальное уравнение для описания движения вязких жидкостей .

Стокс считал, что Земля целиком увлекает эфир не только внутри своего объема, но и далеко за пределами своей поверхности. Как высоко простирается слой увлекаемого планетой эфира - неизвестно. Миллер, пытаясь измерить скорость эфирного ветра, старался подняться вместе с интерферометр как можно выше: быть может, там высоко в горах или на высоте полета дирижабля дует ветер. Эксперимент Физо 1851 года был хорош как раз тем, что убедительно доказывал не состоятельность теории Стокса и справедливость теории Френеля.

В 1868 году всем известный англичанин, Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), сам проделал опыт, аналогичный опыту Физо. Однако, по итогам экспериментирования он вынужден был признать победу за теорией Френеля. Так как эксперимент Физо касался эффекта первого порядка по β, Максвелл высказал предположение, что эффект по β², возможно, даст о себе знать в будущем, когда физики научатся измерять столь малые величины.

Следующий за этим эксперимент, проведенный англичанином Джорджем Бидделем Эйри (1801–1892) в 1871 году по измерению звездной аберрации при наблюдении через телескоп, заполненный водой, также подтвердил правоту Френеля. Наконец, эксперимент 1886 года, осуществленный Майкельсоном и Морли, по схеме близкой к экспериментальной установке Физо 1851 года, еще раз доказали верность теории частичного увлечения эфира. Вот, как об этом говорил Майкельсон на юбилейной конференции 1927 года:

«В 1880 году я задумался над возможностью измерения оптическим способом скорости v движения Земли в Солнечной системе. Ранние попытки обнаружить эффекты первого порядка основывались на идее движения системы сквозь стационарный эфир. Эффекты первого порядка пропорциональны v/c , где c - скорость света. Исходя из представлений о любимом старом эфире (который теперь заброшен, хотя я лично еще его придерживаюсь), ожидалась одна возможность, а именно, что аберрация света должна быть различной для телескопов, заполненных воздухом или водой. Однако эксперименты показали вопреки существующей теории, что такой разницы не существует.

Теория Френеля первая объяснила этот результат. Френель предположил, что вещество захватывает эфир, частично (увлечение эфира), придавая ему скорость v , так что v" = kv . Он определил k - коэффициент Френеля через показатель рефракции n : k = (n ² – 1)/n ². Этот коэффициент легко получается из отрицательного результата следующего эксперимента.

Два световых луча пропускаются вдоль одного пути (0,1,2,3,4,5) в противоположных направлениях и создают интерференционную картину. I - это труба, заполненная водой. Если теперь вся система движется со скоростью v сквозь эфир, при перемещении трубы из положения I в положение II должно ожидаться смещение интерференционных полос. Смещение же не наблюдалось. Из этого эксперимента при учете частичного увлечения эфира может быть определен коэффициент Френеля k . Он может быть также очень просто и непосредственно выведен из преобразований Лоренца.

Результат, полученный Френелем, признавался всеми исследователями универсальным. Максвелл указал: если не обнаружен ожидаемый эффект первого порядка, то, возможно, могут существовать эффекты второго порядка, пропорциональные v ²/c ². Тогда при v = 30 км/с для орбитального движения Земли v/c = 10 –4 имеем v ²/c ² = 10 –8 . Это значение, по мнению Максвелла, слишком мало, чтобы его измерить.

Мне показалось, однако, что, используя световые волны, можно придумать соответствующее приспособление для измерения такого эффекта второго порядка. Я придумал прибор, который включал в себя зеркала, движущийся со скоростью v сквозь эфир. В этом приборе распространяются два луча света. Первый проходит вперед и назад параллельно вектору v , второй проходит под прямым углом к вектору скорости v . В соответствии с классической теорией изменения в световом пути, вызванные скоростью v , должны быть различными для продольного и поперечного луча. Это должно производить ощутимое смещение интерференционных полос. …

При движении прибора со скоростью v сквозь эфир должен возникать такой же эффект в свете, что и при движении лодки , плывущий вниз и вверх по течению реки, а также вперед и назад поперек течения. Время, требуемое для преодоления дистанции вперед и назад, будет различным для обоих случаев. Это легко увидеть из следующего соображения. Какова бы ни была скорость течения реки, лодка всегда должна будет вернуться к тому месту, из которого она стартовала, если только она движется поперек течения реки. Если же лодка движется вдоль течения , то она может уже и не достичь того места, откуда стартовала, когда плывет против течения.

Я попытался провести эксперимент в лаборатории Гельмгольца в Берлине, но вибрации городских магистралей не позволили стабилизировать положение интерференционных полос. Аппаратура была перенесена в лабораторию в Потсдаме. Я забыл имя директора (думаю, что это был Фогель), но вспоминаю с удовольствием, что он немедленно проявил интерес к моему эксперименту. И хотя он никогда не видел меня раньше, он предоставил всю лабораторию вместе с ее штатом в мое распоряжение. В Потсдаме я получил нулевой результат. Точность была не очень высока, потому что длина оптического пути составляла около 1 м. Тем не менее, интересно отметить, что результат был вполне хорошим.

Когда я вернулся в Америку, мне посчастливилось в Кливленде вступить в сотрудничество с профессором Морли. В приборе применялся тот же принцип, что и в приборе, использованном в Берлине. Правда, длина светового пути была увеличена за счет введения некоторого числа отражений вместо единственного прохождения луча. Фактически длина пути составила 10 – 11 м, что должно было за счет орбитального движения Земли сквозь эфир дать смещение в половину полосы. Однако ожидаемого смещения обнаружить не удалось. Смещение полос было определено меньше, чем 1/20 или даже 1/40 от предсказанного теорией. Этот результат может быть истолкован так, что Земля захватывает собой эфир почти полностью, так что относительная скорость эфира и Земли на ее поверхности равна нулю или очень мала.

Это предположение, однако, весьма сомнительно, потому что противоречит другому важному теоретическому условию. Лоренцем было предложено иное объяснение (Лоренцево сокращение ), которое в окончательной форме выведено им как результат известных преобразований Лоренца . Они составляют сущность всей теории относительности » .

В этом фрагменте Майкельсон отразил основные вехи становления специальной теории относительности . Как видим, некорректность эксперимента по обнаружению эфирного ветра вытекает из двух ложных предпосылок. Прежде всего, автор эксперимента неправильно считал, что материал мировой среды и материал, из которой "сделана" Земля, различны. Именно поэтому на поверхности планеты должен наблюдаться эфирный ветер, когда она вращается вокруг Солнца. Вторая ошибка вытекала из ложной аналогии между движением лодок на реке и ходом лучей в интерферометре, о чем говорилось в конце предыдущего подраздела.

Теория Огюстена Жана Френеля (1788 – 1827), созданная после удачного истолкования эксперимента Араго 1810 года по измерению скорости света в движущейся линзе, с помощью понятия частичного увлечения эфира объясненяла неизменность интерференционной картинки и в эксперименте Физо. Точно так же нужно было найти конкретную причину неизменности интерференционной картинки в эксперименте Майкельсона – Морли. Лоренц, плотно работавший с Майкельсоном, предложил сокращение линейных размеров физических тел в направлении вектора v , которое, как ему казалось, вытекало из найденных им преобразований. Однако эти преобразования лишины были физического смысла, особенно, в интерпретации эйнштейновского варианта теории относительности.

Истинная причина отрицательного результата лежит в другом и смысл ее таков. Если источник волн находится на одной движущейся платформе с приемником, то за счет компенсации длина волны, частота и период колебаний останутся такими же, как и при неподвижной платформе. Вы можете поворачивать эту платформу на любой угол по отношению к вектору ее перемещения - всё равно интерференционная картина останется неизменной, так как компенсационный механизм и в этом случае сработает. Этот аргумент уже назывался, но он настолько важен, что его лишнее напоминание не повредит, особенно, релятивистам.

2. Эксперимент Майкельсона-Морли

Относительно ли движение? После некоторого размышления вы могли бы склониться к ответу: «Да, конечно!» Представьте себе поезд, движущийся на север со скоростью 60 км/ч. Человек в поезде идет на юг со скоростью 3 км/ч. В каком направлении он движется и какова его скорость? Совершенно очевидно, что на этот вопрос нельзя ответить, не указав системы отсчета. По отношению к поезду человек движется на юг со скоростью 3 км/ч. По отношению к Земле он движется на север со скоростью 60 минус 3, т. е. 57 км/ч.

Можно ли сказать, что скорость человека по отношению к Земле (57 км/ч) является его истинной, абсолютной скоростью? Нет, потому что имеются и другие, еще более крупномасштабные системы отсчета. Сама Земля движется. Она вращается вокруг своей оси и в то же время движется вокруг Солнца.

Солнце вместе со всеми своими планетами движется внутри Галактики. Галактика вращается и движется по отношению к другим галактикам. Галактики, в свою очередь, образуют сгустки галактик, движущиеся друг относительно друга. Никто не знает, насколько далеко на самом деле может быть продолжена эта цепь движений. Нет очевидного пути определить абсолютное движение какого-либо предмета; иными словами, нет такой фиксированной, окончательной системы отсчета, по отношению к которой можно было бы измерять все движения. Движение и покой, подобно большому и малому, быстрому и медленному, верху и низу, левому и правому, по-видимому, полностью относительны. Нет иного пути измерить движение какого-либо предмета, кроме как сравнивая его движение с движением другого предмета.

Увы, это не так просто! Если бы можно было ограничиться лишь тем, что уже сказано об относительности движения, то не было бы необходимости в создании Эйнштейном теории относительности.

Причина сложности в следующем: имеется два очень простых способа обнаружения абсолютного движения. В одном из методов используются свойства света, в другом - различные явления инерции, возникающие при изменении движущимся предметом траектории или скорости. Специальная теория относительности Эйнштейна имеет дело с первым методом, а общая теория относительности - со вторым.

В этой и двух следующих главах будет рассматриваться первый метод, который может служить ключом к пониманию абсолютного движения, метод, использующий свойства света.

В девятнадцатом веке, еще до Эйнштейна, физики представляли себе пространство наполненным особым неподвижным и невидимым веществом, названным эфиром. Часто его называли «светоносным» эфиром, имея в виду, что он является носителем световых волн. Эфир заполнял всю Вселенную.

Он проникал во все материальные тела. Если бы весь воздух был откачан из-под стеклянного колокола, колокол был бы наполнен эфиром. А как иначе свет мог бы пройти через вакуум? Свет - это волновое движение. Следовательно, должно быть что-то, в чем происходят колебания. Сам эфир, хотя в нем и существуют колебания, редко (если не никогда) движется по отношению к материальным предметам, скорее все предметы движутся сквозь него, подобно движению сита в воде. Абсолютное движение звезды, планеты или какого-либо другого предмета упростится (в этом физики той эпохи были уверены), если движение рассматривать по отношению к такому неподвижному, невидимому эфирному морю.

Но, спросите вы, если эфир нематериальная субстанция, которую нельзя видеть, слышать, чувствовать, обонять или пробовать ни вкус. Но так можно рассматривать движение, например, Земли по отношению к нему? Ответ прост. Измерения могут быть выполнены путем сравнения движения Земли с движением светового пучка.

Чтобы понять это, обратимся на время к природе света. В действительности свет - это лишь небольшая видимая часть спектра электромагнитного излучения, в состав которого входят радиоволны, ультракороткие волны, инфракрасный свет, ультрафиолетовый свет и гамма-лучи. В этой книге мы используем слово «свет» для обозначения любого типа электромагнитного излучения, так как это слово короче, чем «электромагнитное излучение». Свет - волновое движение. Думать о таком движении, не думая одновременно о материальном эфире, казалось физикам прошлого столь же абсурдным, как думать о волнах на воде, не думая о самой воде.

Если выстрелить из движущегося реактивного самолета по направлению его движения, то скорость пули относительно Земли будет больше, чем скорость пули, выпущенной из ружья на Земле. Скорость пули относительно Земли получается сложением скорости самолета и скорости пули.

В случае же света скорость пучка не зависит от скорости предмета, которым свет был испущен. Этот факт был убедительно доказан экспериментально в конце девятнадцатого и начале двадцатого века и с тех пор неоднократно подтверждался. Последняя проверка производилась в 1955 г. советскими астрономами, использовавшими свет от противоположных сторон вращающегося Солнца. Один край нашего Солнца всегда движется к нам, а другой - в противоположную сторону.

Было найдено, что свет от обоих краев приходит к Земле с одинаковой скоростью. Подобные опыты делались и десятилетия назад со светом от вращающихся двойных звезд. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова: она несколько меньше 300 000 км/сек.

Видите, каким образом этот факт дает способ ученому (будем называть его наблюдателем) вычислить свою абсолютную скорость. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с определенной скоростью с и если эта скорость не зависит от скорости движения источника, то скорость света может служить эталоном для определения абсолютного движения наблюдателя. Наблюдатель, движущийся в том же направлении, что и пучок света, должен был бы обнаружить, что пучок проходит мимо него со скоростью, меньшей с ; наблюдатель, движущийся навстречу пучку света, должен был бы отметить, что пучок приближается к нему со скоростью, большей с . Другими словами, результаты измерения скорости света должны были бы изменяться в зависимости от движения наблюдателя по отношению к пучку. Эти изменения отражали бы его (наблюдателя) истинное, абсолютное движение сквозь эфир.

При описании этого явления физики часто пользуются понятием «эфирный ветер». Для понимания содержания этого термина рассмотрим снова движущийся поезд. Мы видели, что скорость человека, идущего по поезду со скоростью 3 км/ч, всегда одинакова по отношению к поезду и не зависит от того, в сторону локомотива или к концу поезда он идет. Это будет справедливо и для скорости звуковых волн внутри закрытого вагона. Звук - волновое движение, передаваемое молекулами воздуха. Поскольку воздух содержится внутри вагона, звук внутри вагона будет распространяться на север с той же скоростью (по отношению к вагону), что и на юг.

Положение изменится, если мы перейдем из закрытого пассажирского вагона на открытую платформу. Воздух более не изолирован внутри вагона. Если поезд движется со скоростью 60 км/ч, то вдоль платформы в обратном направлении дует ветер со скоростью 60 км/ч. Из-за этого ветра скорость звука в направлении от конца к началу вагона будет меньше нормальной. Скорость звука в обратном направлении будет больше нормальной.

Физики девятнадцатого столетия были уверены, что эфир должен вести себя подобно воздуху, дующему на движущейся платформе. Как может быть иначе? Если эфир неподвижен, то любой движущийся в нем предмет должен встретить эфирный ветер, дующий в противоположном направлении. Свет - волновое движение в неподвижном эфире. На скорость света, измеренную с движущегося предмета, эфирный ветер должен, конечно, влиять.

Земля несется в пространстве по своему пути вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Это движение, рассуждали физики, должно вызывать эфирный ветер, дующий навстречу Земле в промежутках между ее атомами со скоростью 30 км/сек. Чтобы измерить абсолютное движение Земли (ее движение относительно неподвижного эфира), необходимо лишь измерить скорость, с которой свет проходит некоторое определенное расстояние на земной поверхности туда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом. Сравнив скорости света, испущенного по разным направлениям, можно было бы вычислить абсолютное направление и скорость движения Земли в любой заданный момент. Этот эксперимент был впервые предложен в 1875 г., за 4 года до рождения Эйнштейна, великим шотландским физиком Джемсом Кларком Максвеллом.

В 1881 г. Альберт Абрагам Майкельсон, в те времена молодой офицер Военно-Морского Флота Соединенных Штатов, сделал именно такой эксперимент.

Майкельсон родился в Германии, его родители - поляки. Отец его переехал в Америку, когда Майкельсон у было два года. После окончания Военно-Морской Академии в Аннаполисе и двухлетней морской службы Майкельсон начинает преподавать физику и химию в этой же Академии. Взяв длительный отпуск, он едет учиться в Европу. В Берлинском университете, в лаборатории известного немецкого физика Германа Гельмгольца, молодой Майкельсон впервые попытался обнаружить эфирный ветер. К его великому удивлению ни в одном направлении компаса он не обнаружил разницы в скорости, с которой свет проходил путь туда и обратно. Это было похоже на то, как если бы рыба открыла, что она может плыть в любом направлении в море, не замечая движения воды относительно ее тела; как если бы пилот, летящий с открытым колпаком кабины самолета, не заметил ветра, дующего ему в лицо.

Выдающийся австрийский физик Эрнст Мах (мы еще поговорим о нем в гл. 7) уже тогда критически относился к представлению об абсолютном движении через эфир. Прочитав опубликованный отчет Майкельсона об опыте, он немедленно заключил, что представление об эфире надо отбросить. Однако большинство физиков отказались сделать такой смелый шаг. Прибор Майкельсона был груб, было достаточно оснований думать, что эксперимент, поставленный с более чувствительной аппаратурой, даст положительный результат. Так думал и сам Майкельсон. Не найдя ошибок в своем опыте, он стремился повторить его.

Майкельсон отказался от военно-морской службы и стал профессором в Кэйсовской школе прикладных наук (теперь Кэйсовский университет) в Кливленде, штат Огайо. Поблизости, в университете Западной Территории преподавал химию Эдвард Вильям Морли. Эти два человека стали добрыми друзьями.

«Внешне, - пишет Бернард Яффе о книге «Майкельсон и скорость света», - эти двое ученых являли образец контраста… Майкельсон был красивый, нарядный, всегда безупречно выбритый. Морли, мягко говоря, был небрежен в одежде и служил примером рассеянного профессора… Он позволял волосам отрастать до тех пор, пока они не начинали завиваться на плечах, и был обладателем беспорядочной рыжей щетины, доходившей почти до ушей».

В 1887 г. в подвале лаборатории Морли оба ученых сделали вторую, более точную попытку найти неуловимый эфирный ветер. Их опыт, известный как эксперимент Майкельсона - Морли, - одна из великих поворотных точек современной физики.

Прибор был установлен на квадратной каменной плите со сторонами около полутора метров и толщиной более 30 см. Плита плавала в жидкой ртути. Это исключало вибрации, поддерживало горизонтальность плиты и позволяло легко поворачивать ее вокруг центральной оси. Система зеркал направляла пучок света в определенном направлении, зеркала отражали пучок туда и обратно по одному направлению так, что он делал восемь пробегов. (Это было сделано для того, чтобы максимально удлинить путь, сохранив размеры прибора такими, при которых он еще мог легко вращаться.) В то же время другая система зеркал посылала пучок на восемь пробегов по направлению, составлявшему прямой угол с первым пучком.

Предполагалось, что когда плита будет повернута так, что один из пучков будет пробегать туда и обратно параллельно эфирному ветру, то пучок будет делать рейс за большее время, чем другой пучок, проходящий такое же расстояние перпендикулярно ветру. Сначала кажется, что должно быть справедливо обратное. Рассмотрим свет, распространяющийся по ветру и против ветра. Не будет ли ветер увеличивать скорость на одном пути настолько же, насколько уменьшает ее на другом? Если так, то ускорение и торможение компенсировали бы друг друга и время, затраченное на весь путь, было бы точно таким же, как если бы никакого ветра не было вовсе.

Действительно, ветер будет увеличивать скорость в одном направлении на точно такую же величину, как уменьшать ее в другом, но - и это самое важное - ветер будет уменьшать скорость в течение большего промежутка времени. Вычисления показывают, что на преодоление полного пути против ветра затрачивается больше времени, чем при отсутствии ветра. Ветер будет оказывать замедляющее действие и на пучок, распространяющийся под прямым углом к нему. В этом также легко убедиться.

Оказывается, что замедляющее действие меньше, чем в том случае, когда пучок распространяется параллельно ветру. Если Земля движется через море неподвижного эфира, то должен возникать эфирный ветер и прибор Майкельсона - Морли должен его зарегистрировать. И действительно, оба ученых были уверены, что они смогут не только обнаружить такой ветер, но и определить (вращая плиту до тех пор, пока не найдут то положение, в котором разность времени прохождения света в обоих направлениях максимальна) в любой заданный момент точное направление движения Земли через эфир.

Надо отметить, что прибор Майкельсона - Морли не измерял истинной скорости света каждого из пучков. Оба пучка после того, как они совершали нужное количество пробегов туда и обратно, объединялись в единый пучок, который можно было наблюдать в небольшой телескоп. Прибор медленно поворачивался. Любое изменение относительных скоростей обоих пучков вызвало бы сдвиг интерференционной картины чередующихся светлых и темных полос.

И снова Майкельсон был поражен и разочарован.

Удивлены были и все физики во всем мире. Несмотря на то что Майкельсон и Морли поворачивали свой прибор, они не заметили и следа эфирного ветра!

Никогда раньше в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон снова решил, что его эксперимент не удался. Он никогда не думал, что эта «неудача» сделает его опыт одним из наиболее значительных, революционных экспериментов в истории науки.

Позже Майкельсон и Морли повторили свой опыт с еще более совершенным прибором. Другие физики сделали то же. Наиболее точные опыты выполнил в 1960 г. Чарльз Таунс в Колумбийском университете.

Его прибор, использующий мазер («атомные часы», основанные на колебаниях молекул), был настолько чувствителен, что мог бы заметить эфирный ветер, даже если бы Земля двигалась со скоростью, составляющей всего лишь одну тысячную истинной. Но и следа такого ветра не было обнаружено.

Физики вначале были настолько изумлены отрицательным результатом опыта Майкельсона-Морли, что начали придумывать всевозможные объяснения для спасения теории эфирного ветра. Конечно, если бы этот эксперимент был выполнен несколькими столетиями раньше, то, как отмечает Г. Дж. Уитроу в книге «Строение и развитие Вселенной», очень простое объяснение о неподвижности Земли быстро пришло бы на ум каждому. Но это объяснение опыта казалось неправдоподобным. Наилучшим объяснением была теория (значительно более старая, чем опыт Майкельсона - Морли), утверждающая, что эфир увлекается Землей, подобно воздуху внутри закрытого вагона. Также думал и Майкельсон. Но другие опыты, один из которых Майкельсон выполнил собственноручно, исключали и это объяснение.

Наиболее необычное объяснение дал ирландский физик Джордж Фрэнсис Фитцджеральд. Возможно, говорил он, эфирный ветер давит на движущийся предмет, заставляя его сокращаться в направлении движения.

Чтобы определить длину движущегося предмета, надо его длину в состоянии покоя умножить на величину, даваемую формулой

где v 2 - квадрат скорости движущегося тела, а с 2 - квадрат скорости света.

Из этой формулы можно видеть, что величина сокращения пренебрежимо мала при малых скоростях тела, возрастает с ростом скорости и становится большой при приближении скорости тела к скорости света. Так, космический корабль, по форме напоминающий длинную сигару, при движении с большой скоростью приобретает форму короткой сигары.

Скорость света - недостижимый предел; для тела, движущегося с этой скоростью, формула имела бы вид

а это выражение равно нулю. Умножив длину предмета на нуль, мы получили бы в ответе нуль. Другими словами, если какой-либо предмет сможет достичь скорости света, то он не будет иметь никакой длины в направлении своего движения!

Элегантную математическую форму теории Фитцджеральда придал голландский физик Хендрик Лоренц, который независимо пришел к такому же объяснению. (Позже Лоренц стал одним из ближайших друзей Эйнштейна, но в то время они еще не были знакомы.) Эта теория получила известность как теория сокращения Лоренца - Фитцджеральда (или Фитцджеральда - Лоренца).

Легко понять, как теория сокращения объяснила неудачу опыта Майкельсона - Морли. Если бы квадратная плита и все приборы на ней немного сокращались в том направлении, в котором дул эфирный ветер, то свет проходил бы более короткий полный путь.

И хотя ветер оказывал бы в целом тормозящее действие на движение пучка в прямом и обратном направлениях, более короткий путь позволил бы пучку закончить это путешествие за точно такое же время, как если бы не было ни ветра, ни сокращения. Иначе говоря, сокращение было точно таким, чтобы сохранить постоянство скорости света независимо от направления поворота прибора Майкельсона - Морли.

Почему, можете спросить вы, нельзя было просто измерить длину прибора и посмотреть, происходило ли в действительности укорачивание в направлении движения Земли? Но ведь линейка тоже сокращается и в той же самой пропорции. Измерение дало бы такой же результат, как и при отсутствии сокращения.

На движущейся Земле все подвержено сокращению.

Положение такое же, как и в мысленном опыте Пуанкаре, в котором Вселенная внезапно становится в тысячу раз больше, но только в теории Лоренца - Фитцджеральда изменения происходят в одном-единственном направлении. Так как этому изменению подвержено все, то нет способа его обнаружить. Внутри определенных пределов (пределы устанавливаются топологией - наукой о свойствах, сохраняющихся при деформации предмета) форма столь же относительна, как и размер. Сокращение прибора, как и сокращение всего на Земле, мог бы заметить лишь тот, кто находится вне Земли и не движется вместе с нею.

Многие писатели, говоря о теории отностельности, считали гипотезу сокращения Лоренца - Фитцджеральда гипотезой ad hoc (латинское выражение, означающее «только для данного случая»), не поддающейся проверке какими-либо другими экспериментами. Адольф Грюнбаум считал, что это не вполне справедливо. Гипотеза сокращения была ad hoc только в том смысле, что в то время не было пути проверить ее. В принципе она вовсе не ad hoc . И это было доказано в 1932 г., когда Кеннеди и Торндайк экспериментально опровергли эту гипотезу.

Рой Дж. Кеннеди и Эдвард М. Торндайк, два американских физика, повторили опыт Майкельсона - Морли. Но вместо того, чтобы стремиться сделать оба плеча по возможности равными, они постарались сделать их длины максимально различными. Для того чтобы обнаружить разницу во времени, затрачиваемом светом на прохождение в двух направлениях, прибор поворачивали. В соответствии с теорией сокращения разность времен должна была изменяться при повороте. Ее можно было бы заметить (как и в опыте Майкельсона) по изменению интерференционной картины, возникающей при смешении двух пучков. Но такого изменения не обнаружили.

Наиболее просто проверить теорию сокращения можно было бы, выполнив измерения скорости пучков света, распространяющихся в противоположных направлениях: вдоль направления движения Земли и против него. Очевидно, сокращение пути не делает невозможным обнаружение эфирного ветра, если он существует. До недавнего открытия эффекта Мёссбауэра (о нем будет говориться в гл. 8) гигантские технические трудности мешали провести этот опыт.

В феврале 1962 г. на собрании Королевского общества в Лондоне профессор Христиан Мёллер из Копенгагенского университета рассказал о том, как легко можно выполнить этот эксперимент при использовании эффекта Мёсебауэра. Для этого источник и поглотитель электромагнитных колебаний устанавливают на противоположных концах вращающегося стола. Мёллер указал, что такой эксперимент мог бы опровергнуть первоначальную теорию сокращения.

Возможно, что за время печатания этой книги такой эксперимент будет выполнен.

Хотя эксперименты такого рода и не могли быть выполнены во времена Лоренца, он предусматривал принципиальную возможность их и считал вполне обоснованными предположения о том, что эти опыты, подобно опыту Майкельсона, дадут отрицательный результат. Чтобы объяснить такой вероятный результат, Лоренц сделал важное добавление к первоначальной теории сокращения. Он ввел изменение времени. Он говорил, что часы замедлялись бы под действием эфирного ветра, причем таким образом, что измеренная скорость света всегда составляла 300 000 км/сек.

Рассмотрим конкретный пример. Допустим, что у нас есть часы, достаточно точные, чтобы сделать опыт по измерению скорости света. Пошлем свет из точки А в точку Б по прямой вдоль направления движения Земли. Синхронизируем двое часов в точке А и затем передвинем одни из них в точку Б. Отметим время, когда пучок света покинул пункт А и (по другим часам) момент прибытия его в пункт Б. Так как свет двигался бы при этом против эфирного ветра, его скорость несколько уменьшилась бы, а время пробега возросло по сравнению со случаем покоящейся Земли. Вы заметили изъян в этом рассуждении? Часы, двигавшиеся из точки А в Б, также двигались против эфирного ветра. Это замедлило часы в точке Б, они несколько отстали от часов в точке А. В результате измеренная скорость света остается неизменной - 300 000 км/сек.

То же самое произойдет (утверждает Лоренц), если измерять скорость света, распространяющегося в противоположном направлении, из точки Б в А. Двое часов синхронизируются в точке Б и затем одни из них переносятся в точку А. Пучок света, распространяясь из пункта Б в А, движется вдоль эфирного ветра. Скорость пучка увеличивается, и, следовательно, время прохождения несколько уменьшается по сравнению со случаем покоящейся Земли. Однако при перенесении часов из точки Б в А их тоже «подгоните ветер. Уменьшение давления эфирного ветра разрешит часам увеличить скорость, и, следовательно, к моменту окончания эксперимента часы в точке А убегут вперед по сравнению с часами в точке Б.

И в результате скорость света опять 300 000 км/сек.

Новая теория Лоренца не только объяснила отрицательный результат опыта Майкельсона - Морли; из нее следовала принципиальная невозможность опытным путем обнаружить влияние эфирного ветра на скорость света. Ее уравнения для изменения длины и времени действуют так, что при любом возможном методе измерения скорости света в любой системе отсчета будет получаться одинаковый результат. Ясно, что физики были неудовлетворены этой теорией. Она была теорией ad hoc в полном смысле этого слова. Оказались обреченными усилия залатать дыры, возникшие в теории эфира. Нельзя представить себе пути ее подтверждения или опровержения. Физикам было трудно поверить, что, создав эфирный ветер, природа устроила все так, что обнаружить этот ветер невозможно. Английский философ-математик Бартран Рассел позднее очень удачно цитировал песенку Белого Рыцаря из книги Льюиса Кэррола «Алиса в стране чудес».

Из книги Атомная энергия для военных целей автора Смит Генри Деволф

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ НЕЙТРОНЫ6.23. Мы не будем упоминать множества различных вспомогательных экспериментов, выполненных за этот период. Однако, один такой эксперимент изучение запаздывания нейтронов мы рассмотрим, так как он представляет собою

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

Десятимерность и эксперимент В приливе воодушевления и суматохе, которыми сопровождается рождение любой значительной теории, легко забыть о том, что в конечном счете любая теория должна опираться на фундамент эксперимента. Какой бы элегантной и прекрасной ни казалась

ЭКСПЕРИМЕНТ С КЮВЕТОЙ CO ЛЬДОМ Работы по статическому электричеству и изолирующему эффекту клетки Фарадея были подтверждены в эксперименте 1843 года с использованием кюветы со льдом. Схема аппарата, использованного Фарадеем для эксперимента с кюветой льда. Для изоляции