Опыт майкельсона. Опыт майкельвона-морли Из опыта майкельсона и морли следует

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).

Эксперимент Майкельсона-Морли

Схема экспериментальной установки

Иллюстрация экспериментальной установки

О́пыт Ма́йкельсона - физический опыт, поставленный Майкельсоном в году, с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира . Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмнораспределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям. Результат эксперимента был отрицательный - скорость света никак не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости. Позже, в году Майкельсон, совместно с Морли , провёл аналогичный, но более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли и показавший тот же результат. В году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров , показавший неизменность частоты от движения Земли с точностью около 10 −9 % (чувствительность к скорости движения Земли относительно эфира составляла 30 км/с). Ещё более точные измерения в 1974 довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона используют оптические и криогенные микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10 −16 .

Опыт Майкельсона является эмпирической основой принципа инвариантности скорости света , входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО) .

Примечания

Ссылки

Физическая энциклопедия, т. 3. - М.: Большая Российская Энциклопедия; стр. 27 и стр. 28 .
Г. А. Лоренц . Интерференционный опыт Майкельсона . Из книги "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern. Leiden, 1895 , параграфы 89...92.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эксперимент Майкельсона-Морли" в других словарях:

ЭКСПЕРИМЕНТ МАЙКЕЛЬСОНА МОРЛИ, эксперимент, имевший большое значение для развития науки. Был проведен в 1887 г. Альбертом МАЙКЕЛЬСОНОМ и Эдвардом МОРЛИ для выявления движения Земли через ЭФИР. Тот факт, что это движение тогда не было обнаружено,… …

Общий вид интерферометра в перспективе. Изображение из доклада А.Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г. Движение Земли вокруг Солнца и через эфир … Википедия

- (Morley) Эдвард Вильяме (1838 1923), американский химик, работавший с Альбертом МАЙКЕЛЬСОНОМ над знаменитым ЭКСПЕРИМЕНТОМ МАЙКЕЛЬСОНА МОРЛИ в 1887 г. Этот эксперимент доказал, что не существует гипотетического вещества, называемого «эфиром»,… … Научно-технический энциклопедический словарь

Общий вид интерферометра в перспективе. Изображение из доклада А. Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г. … Википедия

Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А.Эйнштейном, частная в 1905, общая в 1915. В современной физике частная… … Энциклопедия Кольера

Альберт Абрахам Майкельсон Albert Abraham Michelson … Википедия

Майкельсон, Альберт Абрахам Альберт Абрахам Майкельсон Albert Abraham Michelson Дата рождения … Википедия

Альберт Абрахам Майкельсон Альберт Абрахам Майкельсон (англ. Albert Abraham Michelson 19 декабря 1852, Стрельно, Пруссия 9 мая 1931, Пасадина, США) американский физик, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и… … Википедия

Книги

Ошибки и заблуждения современной физики (теория относительности и классическая теория тяготения) , Авдеев Е.Н.. Любая научная теория должна удовлетворять двум основным требованиям: отсутствию системных логических противоречий и соответствию опыту. Ни тому, ни другому не удовлетворяет теория…

Во второй половине XIX века физические воззрения на характер распространения света, действие гравитации и некоторые другие феномены все более явственно стали наталкиваться на трудности. Связаны они были с господствовавшей в науке эфирной концепцией. Идея проведения опыта, который разрешил бы накопившиеся противоречия, что называется, носилась в воздухе.

В 1880-х годах была поставлена серия экспериментов, весьма сложных и тонких по тем временам, - опыты Майкельсона по исследованию зависимости скорости света от направления движения наблюдателя. Прежде чем более подробно остановиться на описании и результатах этих знаменитых опытов, необходимо вспомнить, что представляла собой концепция эфира и как понималась физика света.

Взгляды XIX столетия на природу света

В начале века восторжествовала волновая теория света, получившая блестящие экспериментальные подтверждения в работах Юнга и Френеля, а позднее - и теоретическое обоснование в труде Максвелла. Свет совершенно бесспорно проявлял волновые свойства, и корпускулярная теория оказалась похоронена под грудой фактов, которые не могла объяснить (возродится она только в начале XX века на совершенно новой основе).

Однако физика той эпохи не могла представить себе распространение волны иначе, чем через механические колебания какой-либо среды. Если свет - волна, и он способен распространяться в вакууме, то ученым не оставалось ничего иного, как предположить, что вакуум заполнен некой субстанцией, благодаря своим колебаниям проводящей световые волны.

Светоносный эфир

Загадочная субстанция, невесомая, невидимая, не регистрируемая никакими приборами, именовалась эфиром. Опыт Майкельсона как раз и призван был подтвердить факт ее взаимодействия с другими физическими объектами.

Гипотезы о существовании эфирной материи высказывали еще Декарт и Гюйгенс в XVII столетии, но она стала необходима как воздух именно в XIX веке, и тогда же привела к неразрешимым парадоксам. Дело в том, что для того, чтобы, вообще, существовать, эфир должен был обладать взаимоисключающими либо, вообще, физически нереальными качествами.

Противоречия эфирной концепции

Чтобы соответствовать картине наблюдаемого мира, светоносный эфир должен быть абсолютно неподвижным - иначе эта картина постоянно искажалась бы. Но неподвижность его входила в непримиримый конфликт с уравнениями Максвелла и принципом относительности Галилея. Ради их сохранения приходилось признавать, что эфир увлекается движущимися телами.

Помимо того, эфирная материя мыслилась абсолютно твердой, непрерывной и одновременно никоим образом не препятствующей движению тел сквозь нее, несжимаемой и притом обладающей поперечной упругостью, иначе она не проводила бы электромагнитные волны. Кроме того, эфир мыслился как всепроникающая субстанция, что, опять-таки, плохо вяжется с идеей о его увлечении.

Идея и первая постановка опыта Майкельсона

Американский физик Альберт Майкельсон заинтересовался проблемой эфира после того, как прочел в журнале Nature письмо Максвелла, опубликованное после смерти последнего в 1879 году, с описанием неудачной попытки обнаружить движение Земли по отношению к эфиру.

В 1881 году состоялся первый опыт Майкельсона по определению скорости света, распространяющегося в различных направлениях относительно эфира, движущимся вместе с Землей наблюдателем.

Земля, перемещаясь по орбите, должна подвергаться действию так называемого эфирного ветра - явления, аналогичного потоку воздуха, набегающего на движущееся тело. Монохроматический световой луч, направленный параллельно этому «ветру», навстречу ему будет двигаться, несколько теряя в скорости, а обратно (отразившись от зеркала) - наоборот. Изменение скорости в том и в другом случае одинаково, но достигается оно за разное время: замедленный «встречный» луч будет дольше находиться в пути. Таким образом, световой сигнал, испущенный параллельно «эфирному ветру», обязательно задержится относительно сигнала, преодолевающего то же расстояние, также с отражением от зеркала, но в перпендикулярном направлении.

Для регистрации этой задержки использовался изобретенный самим Майкельсоном прибор - интерферометр, работа которого основана на явлении наложения когерентных световых волн. При запаздывании одной из волн интерференционная картина смещалась бы из-за возникающей разности фаз.

Первый опыт Майкельсона с зеркалами и интерферометром не дал однозначного результата вследствие недостаточной чувствительности прибора и недоучета многочисленных помех (вибраций) и вызвал критику. Требовалось существенное повышение точности.

Повторный опыт

В 1887 году ученый повторил эксперимент совместно со своим соотечественником Эдвардом Морли. Они использовали усовершенствованную установку и особенно позаботились об исключении влияния побочных факторов.

Суть опыта не изменилась. Световой пучок, собранный при помощи линзы, падал на полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45°. Здесь он делился: один луч проникал сквозь делитель, второй уходил в перпендикулярном направлении. Каждый из лучей затем отражался обычным плоским зеркалом, возвращался на светоделитель, после чего частично попадал на интерферометр. Экспериментаторы были уверены в существовании «эфирного ветра» и рассчитывали получить вполне измеряемый сдвиг более чем на треть интерференционной полосы.

Нельзя было пренебрегать движением Солнечной системы в пространстве, поэтому идея опыта предусматривала возможность поворачивать установку с целью точной настройки на направление «эфирного ветра».

Чтобы избежать вибрационных помех и искажений картины при поворотах прибора, вся конструкция была размещена на массивной каменной плите с деревянным тороидальным поплавком, плавающей в чистой ртути. Фундамент под установкой был заглублен до скальной породы.

Результаты опытов

Ученые проводили тщательные наблюдения в течение года, вращая плиту с прибором по часовой стрелке и против. фиксировалась по 16 направлениям. И, несмотря на беспрецедентную для своей эпохи точность, опыт Майкельсона, проведенный в сотрудничестве с Морли, дал отрицательный результат.

Синфазные световые волны, уходящие со светоделителя, достигали финиша без сдвига фаз. Это повторялось всякий раз, при любом положении интерферометра и означало, что скорость света в опыте Майкельсона ни при каких обстоятельствах не менялась.

Проверка результатов эксперимента проводилась неоднократно, в том числе и в XX веке с применением лазерных интерферометров и микроволновых резонаторов, достигающих точности в одну десятимиллиардную скорости света. Итог опыта остается незыблемым: эта величина неизменна.

Значение эксперимента

Из опытов Майкельсона и Морли следует, что «эфирный ветер», а, следовательно, и сама эта неуловимая материя просто не существует. Если какой-либо физический объект принципиально не обнаруживается ни в каких процессах, это равнозначно его отсутствию. Физики, включая и самих авторов блестяще поставленного эксперимента, далеко не сразу осознали крушение концепции эфира, а вместе с ним - и абсолютной системы отсчета.

Непротиворечивое и при этом революционно новое объяснение результатов опыта удалось представить только Альберту Эйнштейну в 1905 году. Рассмотрев эти результаты как есть, без попыток притянуть к ним умозрительный эфир, Эйнштейн получил два вывода:

Никаким оптическим экспериментом нельзя обнаружить прямолинейное и равномерное движение Земли (право считать его таковым дает кратковременность акта наблюдения).
Относительно любой инерциальной системы отсчета скорость света в вакууме неизменна.

Эти выводы (первый - в сочетании с галилеевским принципом относительности) послужили Эйнштейну основой для формулировки его знаменитых постулатов. Так что опыт Майкельсона - Морли послужил прочной эмпирической базой специальной теории относительности.

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.

Введение.

Еще в конце 19-го века, когда развивалась различные теории электрических и магнитных явлений появилась гипотеза о том, что свет распространяется в так называемом "мировом эфире".

Новые открытия в оптике, в корне перевернули раннее устоявшееся мнение, основанное на убежденности Ньютона в том, что света имеет корпускулярную природу. Эксперименты Гюйгенса, Френеля, Юнга и других ученых показали, что явления дифракции, интерференции и дисперсии могут быть объяснены только в рамках волновой теории света. Все попытки объяснить эти явления с позиций корпускулярной теории потерпели поражение.

После установления волновой природы света возник вопрос о среде в которой эти световые волны распространяются. Согласно представлениям, возникшим вскоре, свет распространяется в особой среде, называемой эфиром. Эфир заполняет все пространство, в котором движутся материальные тела, и неподвижен в этом пространстве. Скорость света относительно эфира является постоянной величиной, определяемой таким свойством эфира, как упругость. Эфир, по этим представлениям, является неподвижной и абсолютной системой отсчета.

Поскольку скорость света относительно эфира постоянна, то относительно материальных тел, движущихся в эфире, она переменна и зависит от их скорости относительно эфира. Измеряя скорость света относительно тела, можно определить скорость тела относительно эфира.

Такая попытка определить абсолютную скорость Земли была выполнена Майкельсоном и Морли в 1881 - 1887 г.г.

Идея и схема опыта Майкельсона - Морли.

Идея опыта состоит в сравнении прохождения светом двух путей, из которых один совпадает с направлением движения тела в эфире, а другой ему перпендикулярен. Схема установки изображена на Рис.1.

Рис.1. Схема опыта Майкельсона-Морли.

Представим себе интерферометр в котором свет, поступая из источника A падает на наклоненное под углом 45 градусов плоское полупрозрачное зеркало B и разделяется на два луча. Один из лучей отражается и уходит под углом 90 градусов по отношению к первоначальному направлению к зеркалу D , а другой проходит зеркало B насквозь и идет к зеркалу F . Отразившись от соответствующих зеркал лучи возвращаются к зеркалу B и наблюдаются в окуляр E .

Если интерферометр неподвижен, то в окуляре должны наблюдаться полосы, положение которых зависит от разности хода лучей по двум путям. Пусть длины плеч интерферометра BF=l 1 и BD=l 2 . Рассчитаем разность хода, если система движется в направлении плеча BF со скоростью v .

При этом точка F удаляется от луча света, то есть луч, движущийся из B в F будет двигаться со скоростью c-v , а луч, движущийся из F в B со скоростью c+v . Значит время движения из B в F равно , а время движения из F в B равно . То есть полное время движения туда и обратно в направлении плеча BF равно .

Луч, движущийся в неподвижном случае вдоль BD , в подвижном случае движется сложнее. Его траектория, показаная на рисунке проходит через точки B , D" , B" . При этом, если его скорость равна c , то она раскладывается на параллельную скорости движения системы c || и перпендикулярную c ^ . При этом c || =v и выполняется соотношение c 2 || + c 2 ^ =с 2 , откуда находим . Тогда движение из B в D" займет . Время обратного пролета такое же, то есть .

Вычислим разность хода . Для этого вначале разложим t ^ и t || по малому параметру v 2 /c 2 .