Главная > Физика > Специальная теория относительности
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

II. Безуспешные поиски среды, в которой распространяется свет.

Для специальной теории относительности световые явления в вакууме играют особую роль. Скорость света в вакууме является предельной скоростью передачи сигпалов, и вполне справедливо утверлсдение, что история теории относительности пачинается с открытия конечности скорости раснространения света.

Как указывалось в § 1.8, теория относительности исходит из того, что для распространения света (электромагнитных волп) не требуется никакой материальной среды; другими словами, свет может распространяться в вакууме. Но эта идея вошла в физику с большим трудом, и ее утверждение связано с возникновением СТО. В пате время эта идея должна использоваться с самого начала обучения физике. Но отказ от обязательного существования «светоносной среды» под давлением экспериментальных фактов — очень поучительная страница истории физики, и на ней следует остановиться. Однако мы вынуждены начать издалека и кратко напомнить о том, как развивались представления о природе спета. В начале XVII века возникли две точки зрения на природу света, не утратившие своего значения до сих пор. Одна из них -«корпускулярная» - принадлежит Ньютону, другая — «волновая» — Гюйгенсу. Нетрудно понять исходную позицию Ньютона: успехи его механики заставили искать механическую интерпретацию и для света. Ньютон считал, что свет представляет собой движение особых материальных частиц -«корпускул». Основные свойства света — прямолинейное распространение в однородной среде, законы отражения и преломления — можно легко объяснить, исходя из корпускулярной картины. В однородной среде на корпускулу не действуют силы, она движется по инерции, т. е. прямолинейно. Отражение происходит по закопу упругого удара (так происходит удар бильярдного шара о борт бильярдного стола); в этом случае угол падепия равен углу отражения. А это как раз и есть закон отражения спета от неподвижной границы.

Если на границе раздела сред и II на корпускулу действуют силы, направленные по нормали к границе раздела в сторону более плотной среды, то корпускула изменяет направление своего движения. Действительно, пусть в среде I компоненты скорости корпускулы были равны Силы, действующие на грапице, увеличили и направление скорости изменилось — произошло «преломление» (рис. Д.1).

Из геометрической оптики известпо, что, когда свет переходит из среды с показателем преломления в среду с показателем

преломления он испытывает преломление. Связь между углом падения и углом преломления устанавливается законом Декарта — Спеллиуса:

Качественно рассуждения Ньютона объясняют преломление света.

Ньютон знал и о том, что у света есть такие свойства, которые плохо укладываются в его схему (вспомните «кольца Ньютона» в оптике — типичное интерференционное явление), однако придумывал весьма искусственные объяснения, чтобы сохранить корпускулярную картину. Но примерно в то же самое время Гюйгенс высказал мысль о волновой природе света.

Рис. Д.1. а) Изменение направления движения корпускулы при переходе через границу раздела сред 1 и II. После прохождения границы раздела но и направление скорости меняется, б) Преломление света прохождении границы двух сред.

Гюйгенс исходил из аналогии со звуковыми волнами, хотя природа световых колебаний ему была совсем неясна. Он понимал, что свет может распространяться там, где звук уже не существует (если смотреть через прозрачный колпак, из-под которого выкачали воздух, то видно, как бьется молоточек колокольчика под колпаком, а звука не слышно). Допустить, что колебания могут распространяться без наличия какой-либо среды, Гюйгенс (а за ним и все физики до Эйнштейна) не мог. Поэтому для распространения световых колебаний нужно было ввести особую среду. Эту среду Гюйгенс назвал эфиром. Так возникло понятие, несостоятельность которого обнаружила лишь теория относительности.

Ньютон выступал против теории волнового распространения света. Он опирался на явление двойного лучепреломления в кристаллах. Ньютон показал, что если свет распространяется в виде волн, то двойное лучепреломление означает наличие в пучке света выделенного направления колебаний. Но во времена Ньютона были известны только продольные волны, не обладающие этим свойством. И Ньютон отказался от волновой теории, хотя

и допускал ее возможность. Ньютон категорически отвергал и эфир.

Корпускулярная точка зрения на природу света господствовала около ста лет после смерти Ньютона. Ее утверждению и немалой степени содействовал авторитет Ньютона. По любая теория годится лишь до тех пор, пока она не противоречит фактам и объясняет их. Начало XIX века принесло с собой открытие явлений, которые убедительно свидетельствовали о волновой природе света. Были подробно изучены интерференция и дифракция спета, удалось объяснить на основе волновой теории и прямолинейное распространение света. Открытие поляризации света показало поперечиость световых волн.

Таким образом, XIX век принес триумф волновой теории света. Казалось, не оставалось сомнений в том, что свет — это волповой процесс. Но и физики XIX века не могли себе представить колебаний, которые происходили бы без участия каких-либо тел или какой-либо среды. Поэтому снова возник вопрос о том, в какой среде происходят световые колебания. Название для такой среды — эфир — было уже придумано Гюйгенсом; физические свойства эфира предстояло еще выяснить. Физика XIX века была насыщена идеями механики, и неудивительно, что эфир наделили механическими свойствами твердого тела (поперечные колебания распространяются только в упругих твердых телах). Конечно, это было странное тело: оно не ощущалось при движении, его нельзя было ни увидеть, ни потрогать, но другими свойствами, не входя в противоречие с наблюдениями, эфир наделить было нельзя.

Но, даже если оставить в стороне трудпый вопрос о свойствах эфира, возникал еще один острый вопрос: с какой системой отсчета связан эфир, т. е. в какой системе он покоится? Эта система, естественно, была бы выделенной по отношению ко всем остальным, по крайней мере для оптических явлений. И здесь, казалось, сама природа дает прямой ответ на поставленный вопрос, если вспомнить о явлении аберрации света. Это явление заключается в том, что если наблюдать луч света из двух систем отсчета, движущихся относительно друг друга, то он будет виден под разными углами к некоторому общему в этих двух системах направлению (например, направлению относительной скорости). Если речь идет о наблюдении лучей света через телескоп, видимое направление, по которому идет свет, совпадает с направлением оси телескопа. Но почему же движепие наблюдателя (телескопа) изменяет видимое направление приходящего света? Суть дела может быть объяснена на простом примере. Пусть шарик равномерпо падает но вертикали

со скоротью с. Его нужно пропустить через трубку длины движущуюся в горизонтальном направлении со скоростью V, так, чтобы он не попал на стенку трубки. Для этого нужно, чтобы шарик все время оказывался внутри трубки на ее оси В частности. когда шарик дойдет до точки В, туда должен подойти нижний конец трубки В.

Рис. Д.2. а) Вертикально падающий шарик должен пройти через трубку, движущуюся горизонтально со скоростью V. б) Волновой фронт должен пройти без искажений через трубку, движущуюся горизонтально со скоростью V. в) Возникновение параллактического смещения у звезды, находящейся в полюсе эклиптики, из-за перемещения Земли. Благодаря этому эффекту звезда описывает в течение года небольшой эллипс. Следует обратить внимание на то, в каком месте находится наблюдатель на Земле; наблюдатель, находящийся, например, в положении А, будет видеть на небесной сфере звезду А (положение звезды также отмечено буквой ), г) Аберрация света и движение Земли по орбите также приводят к тому, что звезда, расположенная в полюсе эклиптики, описывает в течение года эллипс. Однако соответствующие положения Земли и звезды отличаются от картины, приведенной на рис. в). Этим и отличаются аберрационное и параллактическое смещения. В рамке схематически изображено возникновение угла аберрации при изменении направлении движения Земли на обратное (через полгода).

Трубку, очевидно, нужно наклопить вперед по движению. Легко найти угол паклопа по отношению к вертикали. Пусть шарик проходит отрезок за время т. За это же самое время конец трубки В должен пройти расстояние Но откуда (рис. Д.2, а).

С точки зрения корпускулярной теории света корпускулы как раз и играют роль шариков. Следовательно, телескоп нужно наклонять вперед по движению. Но и волновая теория света оставляет этот вывод неизменным. Чтобы движущаяся трубка

не «смяла» волновой фронт света (скорость трубки V, а скорость света с), ее нужно наклонить также на угол причем .

Углом аберрации называется изменение видимого угла, под которым наблюдается приходящий луч, при переходе от одной ИСО к другой. Но совершенно ясно, что угол аберрации обнаружить невозможно, находясь в пределах одной ИСО, потому что направление луча (на далекую звезду) будет всегда одним и тем же. Однако в условиях наблюдения звезд с Земли аберрация света была обнаружена, потому что Земля движется по эллипсу, следовательно, представляет собой одну и ту же ИСО лишь в ограниченный интервал времепи. Через полгода Земля меняет вообще направление своего орбитального движения на обратное. В этих условиях видимое направление на звезду должно через полгода измениться.

Английский астроном Бредли искал параллактическую траекторию звезд — кажущуюся траекторию, которую описывает в течение года звезда за счет изменения положения наблюдателя. Рис. в поясняет возникновение видимого параллактического смещения Полярной звезды. В течение года звезда должна описывать небольшой эллипс, расположенный совершенно онределеппо относительно орбиты Земли.

В 1728 г., пытаясь обнаружить параллактическую траекторию, Бредли открыл аберрацию света; он нашел, что звезды, расположенные вблизи полюса эклиптики, действительно описывают эллипс, большая полуось которого равна Однако этот эллипс был расположен совсем не так, как ото следовало бы для параллактического смещения (рис. Д.2, в).

На рис. Д.2, г иллюстрируется, как возникает смещение звезды из-за явления аберрации света. Звезду расположенную перпендикулярно плоскости орбиты Земли, наблюдают из двух диаметрально противоположных положений А и С. Угол направления на звезду для этих двух положений (через полгода) меняется на На рис. Д.2, г через угол обозначен угол между направлением, под которым звезду видел бы наблюдатель с покоящейся Земли (это направление на Земле наблюдать, конечно, нельзя), и видимым направлением на звезду Через полгода тот же угол будет направлен в противоположную сторону и разность видимых направлений на звезду будет равна Воспользуемся элементарным расчетом, чтобы оценить угол Свет от Полярной звезды падает нормально к плоскости орбиты Земли. Движение Земли перпендикулярно направлению луча. Скорость Земли равна скорость света Отсюда Именно эту цифру и нашел Бредли. Он понял, что параллакс неподвижной звезды он не обнаружил (его нашел сто лет спустя Бессель), а открыл аберрацию света. Бредли

объяснил явление аберрации света на основе корпускулярной теории; мы привели это объяснение. Однако тот же результат получается и для волновой теории. Таким образом, объяснение явления аберрации для волповой теории затруднений не вызывало. Однако такое объяснение влекло за собой неизбежное следствие для «светоносной среды». Нужпо было считать, что свет распространяется в неподвижном относительно гелиоцентрической системы эфире: иначе свет не падал бы нормально к плоскости орбиты Земли.

Итак, из наблюдения аберрации света вытекало, что эфир неподвижен в гелиоцентрической системе отсчета (она же ньютонова абсолютная система). Гелиоцентрическая система оказывается выделенной, привилегированной по отношению к распространению света. Не забудем, что до середины XIX века никто не знал о том, что световые волны — это электромагнитные полны определенной частоты.

Если предположить наличие светоносной среды, ее роль ничем не отличается от роли любой материальной среды, передающей колебания. Если скорость распространения колебаний в системе отсчета, где среда покоится, равна то в любой другой системе, которая движется относительно среды со скоростью , скорость распространения колебаний будет равна Скорость волн, согласно любой волновой теории, не зависит от движения источника, но зависит от движения наблюдатели относительно среды, колебания которой создают эти волны: здесь речь идет об эфире. В связи с этим появляется зависимость явлений не только от относительной скорости объектов, но также от их скорости относительно среды.

Проще всего проиллюстрировать эти утверждения на примере доплер-эффекта для звуковых волн в воздухе. Пусть воздух покоится в системе К, где скорость звука равна источник движется относительно К (т. е. воздуха) со скоростью V, а наблюдатель покоится в этой системе (рис. Д.З, а). Свяжем с источником систему К (движение к наблюдателю) или К" (движение от наблюдателя). В этом случае можно повторить рассуждения из § 3.4. Из источника посылаются импульсы с интервалом или Т" — это собственная частота Приемник получит два последовательных сигнала с интервалом в первом случае и втором. Таким образом, если движется источник отпосительпо наблюдателя и среды, то при приближении источпика к наблюдателю последний отметит увеличение частоты , а при удалении — уменьшение

Если же источник покоится относительно среды, а от источника удаляется (или к источнику приближается) наблюдатель, то скорость распространения колебаний отпосптельно наблюдателя будет уже или (соответственно при удалении и приближении). Теперь уже источник покоится в а с системами К и А" связаны наблюдатели. Из источника посылаются сигналы с интервалом Т, которьт будут доходить до наблюдателя через интервал , а до наблюдателя через интервал

Рис. Д.З. К выводу формулы доплер-эффекта для звука, а) Наблюдатель и воздух покоятся в системе К, а источник дшгкртся в среде со скоростью V. б) Источник звука и воздух покоятся в системе К. наблюдатель двпжеточ в воздухе со скоростью V.

Но теперь уже откуда мы получаем при удалении уменьшение частоты приближении — возрастание частоты

Мы видим, что формулы получаются разные при одной и той же относительной скорости источника и наблюдателя. Аналогично тому, что было сделано в § 3.4 для случая излучения волн иод углом к направлению распространения, мы получим

На атом примере хорошо видно, что предположение о существовании эфира сразу же нарушает принцип относительности. Конечно, принцин относительности годится и при наличии среды, но условия тождественности постановки опыта нужпо включить ту же самую скорость системы отсчета относительно среды. Другими словами, в каждую систему отсчета нужно брать свою среду.

Короче, для соблюдения принципа относительности годился бы полностью увлекаемый пли частично увлекаемый (системой отсчета) эфир. Но ото уже совсем странное предположение; тем не менее и ему суждено было появиться, но в другой связи.

Если гипотеза неподвижного эфира правильпа, то с ее помощью можно объяснять и другие оптические явления. С этой точки зрения опыт Физо привел к весьма вагадочным результатам. Мы уже описывали этот опыт в § 8.5, по постараемся сейчас взглянуть на него глазами физика XIX века. Пусть вода покоится в системе К, которая вместе с водой со скоростью V движется относительно лаборатории. Допустим, что лабораторию можно считать той щшвилегпрованпой системой отсчета, где эфир покоится. Свет распространяется в эфире; вещество меняет его фазовую скорость, но скорость вещества роли не играет. Следовательно, скорость света в лабораторной системе и просто равна скорости света в неподвижной воде Конечно, Предположим на мгновение, что эфир «увлекался» бы вместе с водой. Тогда, естественно, скорость света складывалась бы со скоростью движения эфира, т. е. воды, и мы получили бы, что о . Эфир, наделенный странными свойствами «частичного» увлечения, привел бы к результату со знаком, зависящим от взаимного направления движения света и среды. Опыт Физо, многократно подтвержденный впоследствии, привел к результату . Как бы то ни было, гипотеза неподвижного эфира противоречила результатам опыта Физо.

На этом борьба за признание эфира, конечно, не окончилась, но, прежде чем рассказывать о дальнейших попытках обнаружить существование эфира, полезно остановиться на взаимоотношении физического эксперимента и теории. В процессе познания природы ищутся законы, которые нравпльно отражали бы зависимости, существующие в природе, или, говоря философским языком, объективные законы в объективно и вне нас существующем мире. Природа исследуется людьми, и в этот процесс вносится много субъективного, идущего от самих людей, не говоря уже о неизбежных ошибках. Следовательно, законы природы должны проверяться. В чем состоит критерий правильности физических законов? Правильность физических законов раскрывается в практической деятельности. Проверки закопов разными людьми и в разных местах, многократная проверка закона одним человеком служат гарантией соответствия наших знаний подлинным законам природы. Важнейший способ проверки физических законов и выявления закономерностей природы — это искусственное создание пужных условий, т. е. постаповка физического эксперимента.

Но физика не может состоять только из результатов экспериментов. Физика невозможна без теории, позволяющей систематизировать

и объяснять различные явления природы, исходя из небольшого числа фундаментальных законов. В свою очередь физическая теория, а сейчас это уже целая наука — теоретическая физика, тесно переплетена с математикой. Когда собирается некоторый экспериментальный материал, появляется теория, позволяющая объяснить определенную группу явлений. Может ли эксперимент или серия экспериментов доказать правильность такой теории или ее опровергнуть? Конечно, мы не говорим об ошибочных экспериментах, которые всегда будут появляться; в конце концов, их ошибочность всегда обнаруживается. С другой стороны, при построении теории иногда ясны границы ее применимости, и выходить за них не следует. Но с этими оговорками можно утверждать следующее: если хотя бы один правильный эксперимент, поставленный в пределах применимости теории, противоречит этой теории, теорию следует призпать неверной. Что же касается «доказательства» того или иного закона или теории путем сопоставления полученных выводов с экспериментом, то никакое число экспериментов, согласующихся с теорией, не может подтвердить ее окончательно. Теория существует и считается правильной до тех пор, пока ее выводы не приходят в противоречие с каким-то новым экспериментом, относящимся к области применимости этой теории. Эта ситуация сходна с правилом, принятым в математике: справедливость общей теоремы не доказывается ее справедливостью в частпых случаях, однако один контрпример ее опровергает.

Физика в своей основе — экспериментальная наука. Процесс познания природы, часть которого составляет физика, непрерывен и неограничен. Вопрос об установлении полной истины — это скорее философский вопрос, чем вопрос той или иной частной науки. Отдельные физические эксперименты раскрывают те или ипые частные закономерности, или, с философской точки зрения, относительные истины. Хотя эти закономерности содержат в себе элементы абсолютной истины, тем не менее они не могут дать исчерпывающего познания. В конечном счете всякая теория будет либо ограничена, либо опровергнута. Но на каждом этапе справедливость эта определяется отсутствием противоречащих ей экспериментальных данных, а ее ценпость — способностью объяснить и предсказать наблюдаемые явления. Эти замечания — интересные сами по себе — можно было бы и не приводить, если бы они не помогли нам при изложении истории эфира. Мы будем в основном пользоваться «отрицательными» экспериментами, указывающими на несостоятельность того или иного предположения, пытающегося спасти или обнаружить эфир.

Вернемся к предположению о том, что эфир неподвижен в гелиоцентрической системе (что следует из наблюдения аберрации света). Если эфир неподвижеп в гелиоцентрической системе, то Земля при своем движении вокруг Солнца должна испытывать

«эфирный ветер». Нетрудно указать эксперимент для обнаружения движения относительно эфира; его принципиальная схема состоит в следующем Два фотоэлемента расположены на оптической скамье, параллельной скорости движения Земли но орбите. Посередине между ними расположен источник света I, в котором производится вспышка света. Свет распространяется в пеподвижном эфире со скоростью с. Но фотоэлемент Ф, движется навстречу лучу света, а «уходит» от света. К свет идет со скоростью а к со скоростью . Значит, зафиксирует приход света раньше, чем на промежуток времени

Рис. Па оптической скамье смонтированы источник света I и два фотоэлемента Скамья расположена параллельно направлению скорости движения Земли по орбите. Если свет распространяется в неподвижном «эфире», то от источника I свет распространяется к фотоэлементу со скоростью с , а к фотоэлементу скоростью .

Прежде чем размышлять о возможности реализации такого опыта, обратим внимание на следующее. Когда речь идет о скорости распространения сгета, предположение о наличии эфира сводится только к утверждению о том, что существует единственная система отсчета, где скорость снета в вакууме равна с. Это — единственная привилегированная система. Скороть света в вакууме во всех остальных системах, движущихся относительно нее со скоростью V, определяется классическим правилом сложения скоростей Рассуждение, которое мы провели, относится к системе отсчета К, связанной с эфиром (или просто к той системе отсчета, где скорость света в вакууме равна с). Здесь предполагается, что сигналы, полученные фотоэлементами, регистрируются в системе К. По если мы проведем те же рассуждения в системе К, где оптическая скамья покоится, мы получим в точности тот же результат. В этой системе просто скорость света в вакууме будет уже не та, что в К: вправо а влево с (рис. Д.4). В системе К, напомним, были бы просто скоростями, с которыми свет «догоняет» фотоэлементы Совпадение результатов в К и К неудивительно, поскольку в классической механике отсчеты времени наступления событий носят абсолютный характер.

Таким образом, если бы удалось измерить разность времени тем самым было бы доказано лишь различие скоростей

света и системах К и К. Коснеино, конечно, это был бы аргумент в пользу эфира (см. ниже).

Что касается порядка величины возникающей в опыте такого типа, то если взять, к примеру, см, (скорость Земли на орбите), то сек. Даже современная техника не позволяет измерить столь малый промежуток времени.

В 1878 г. Максвелл предложил схему опыта, использующую явление интерференции света. Этот опыт позволил бы обнаружить движение Земли относительно эфира, если бы свет действительно распространялся в эфире, а эфир покоился бы в гелиоцентрической системе. Максвелл считал, что необходимая точность измерения недостижима. Однако три года спустя Майкельсоп построил интерферометр, с помощью которого можно было бы заметить движение установки относительно неподвижного эфира.

Опыт Майкельсопа, осуществленный в 1881 г. по идее Максвелла. состоял в следующем (рис. Д.5). Луч света, идущий от источника I, попадает на посеребренную полупрозрачную стеклянную пластинку Р. Половина света, надающего на пластинку, отражается, а половина — проходит через стекло. В приборе Майкельсона (теперь он называется интерферометром Майкелъсона) предусмотрены два зеркала расположение которых указано на рисунке; зеркала находятся на расстояниях от пластинки Р. Все части интерферометра жестко укреплены на тяжелой плите, плавающей в ртути, для того чтобы всю систему можно было плавно поворачивать.

Па пластинке Р свет расщепляется на два луча: луч 7, идущий к зеркалу луч 2, идущий к зеркалу Каждый из лучей доходит до своего зеркала и возвращается обратно к пластинке Р. Благодаря полупрозрачности пластинки некоторая часть света от каждого из этих лучей идет по направлению 3. Поскольку каждый из лучей 1 и 2 представляет собой некоторую часть исходного луча, лучи 1 и 2, идущие по направлению 3, являются когерентными и могут интерферировать.

Найдем время прохождения света от Р к и обратно. Вся картина рассматривается в системе, где покоится интерферометр и которая движется со скоростью V относительно эфира. Расстояние между Р и равно скорость света вправо равна с влево с . Следовательно, искомое время равно

Найдем теперь время за которое луч 7 пройдетнуть от Р к зеркалу За время зеркало сдвинется на расстояние и свет пройдет но гипотенузе треугольника расстояние Из этого

(кликните для просмотра скана)

прямоугольного треугольника следует, что откуда

Полнее время движения света от Р к и обратно будет вдвое больше, так что

Различие времен обусловлено не только различием в длинах плеч интерферометра, но и движением прибора.

Опыт ставится таким образом, что одно из плеч интерферометра располагается параллельно направлению движения Земли по орбите (ото направление известно по астрономическим данным). Но мы живем на Земле, которая — по предположению — движется относительно эфира, потому опыт всегда проводится при наличии эфирного нетра. Поэтому сравнить интерференционную картину «без эфирпого ветра» с картиной «при эфирном ветре» невозможно. Расположив, например, плечо по папраплепию скорости V, мы получим определенную интерференционную картину — чередование светлых и темных полос зависящую от разности времеп хода лучей

Эта разность времен зависит как от так и от скорости Т. Если бы можно было гарантировать условие то эта разность зависела бы от так:

При известном интерференционные полосы, наблюдаемые в приборе, однозначно определяются движением установки. Но, во-первых, проще не заботиться о соблюдении условия а во вторых, удобнее наблюдать изменение интерференционной картины, т. е. смещение полос. Для этого всю установку поворачивают на 90°. Плечи интерферометра меняются местами. Тогда мы

получим

Это значит, что при испорото, установки разность времен изменится:

и будет наблюдаться смещение полос.

Если мы хотим получить разность хода лучей порядка то это значит, что должно быть порядка периода колебаний Т. Но Для движения Земли по орбите для видимого спета откуда суммарная длина плеч интерферометра Такой путь светового луча можно получить многократным отражением.

Майкельсон мог бы обнаружить «эфирный ветер» со скоростью Не только Майкельсон, но и все другие физики не сомневались том, что «эфирный ветер» даст о себе знать. Но никаких следов «эфирного ветра» не оказалось. Опыт Майкельсона неоднократно повторился со все большей точностью; в настоящее время можно было бы обнаружить «эфирный ветер», скорость которого равна но результат Майкельсона, или, как еще говорят, отрицательный результат опыта Майкельсона, остается незыблемым. Таким образом, его надежность не вызывает сомнений.

Из опыта Майкельсона вовсе не следует вывод о том, что эфир не существует. Результат опыта Майкельсона можно объяснить, наделив эфир некоторыми свойствами. Эфир можно «добить», только привлекая данные других наблюдений. Но мы попытаемся пока сделать выводы из опыта Майкельсона, не связывая его с поисками «эфирного ветра». Этот опыт показал, что новорот интерферометра на Земле не вызывает сдвига интерференционных полос. Но этот сдвиг в принципе мог бы быть связан с различием в скорости распространения света двум направлениям в системе отсчета интерферометра.

Следовательно, — независимо от того, существует эфир или нет, — опыт Майкельсона показывает, что скорость света на замкнутом пути, измеренная на Земле, одинакова по всем направлениям, т. е. изотропна. Так как Земля движется вокруг Солнца по замкнутой кривой, т. е. ее можно считать инерциальной системой лишь на протяжении небольшого промежутка времепи,

фактически мы проводим измерения во многих ИСО. Это означает, что из опыта следует, что скорость света на замкнутом путл изотропна в любой ИСО.

Несколько видоизмененный опыт Майкельсона, поставленный и 1932 г. Кеннеди и Торндайком, позволяет подтпсрдпть главное предположение Эйнштейна. Если взглянуть на формулу видно, что зависит и от с. Если бы в разных абсолютное значение скорости света и вакууме было различно, то при переходе от одной ИСО к другой наблюдалось бы смещение полос. За интерференционной картиной наблюдали несколько раз непрерывно от восьми дней до месяца (с перерывом на три месяца). За время установка сменила многие инерциалыше системы отсчета. Прибор был настолько чувствителен, что можно было бы обнаружить изменение с на Но ничего похожею обнаружено не было. Таким образом, из опыта Майкельсопа следует, что скорость света имеет одну и ту же величину (при распространении туда и обратно) во всех направлениях для данной ИСО; кроме того, скорость света в вакууме имеет одну и же величину во всех ИСО.

Хотя мы несколько нарушим связность изложения, здесь все же уместно принести истолковапие результатов опыта Майкельсопа в СТО. Если рассматривать опыт Майкельсопа, поставленный в любой ИСО, то его результат очевидеп. В каждой такой системе скорость спета в вакууме изотропна, и интерференционная картина, возникающая и опыте, обусловлена исключительно геометрической разностью хода. Короче, в любой ИСО, где покоится интерферометр, мы получим в точности ту же самую картину, которую при классическом рассмотрении мы получили бы в той привилегированной системе отсчета, где покоится эфир.

Необходимость более усложненного истолкования результата возникает тогда, когда птот опыт рассматривается в ИСО, относительно которой интерферометр движется. Пусть интерферометр покоится в К, а оныт «ставится» в для простоты допустим, что (в К) Мы добавили сюда еще индекс чтобы подчеркнуть, что речь идет о собственных длинах. Очевидпо, что формулы остаются справедливыми, но

Тогда видно, что определяемое согласно обращается в нуль. Естественно, не дает никакого эффекта и попорот установки. Таким образом, отрицательный результат опыта Майкельсопа объясняется в СТО относительностью длин масштабов (которая самым непосредственным образом связана с инвариантностью скорости света, § 2.3).

Для того чтобы объяснить результат опыта Майкельсона и сохранить эфир, Лоренц и Фитцжеральд предположили, что все тела при движении относительно неподвижного эфира испытывают сокращение в раз в направлении движения («лоренцево

сокращение»). Из предыдущего рассуждения ясно, что результат опыта Майкельсопа таким способом объяснить можно. Нужно только подчеркнуть существенную разницу относительности длин масштабов в СТО и «лоренцева сокращения». В СТО сокращение — это следствие измерений при относительном движении систем отсчета. У Лоренца — Фитцжеральда это следствие движения относительно эфира; в этом случае сохранена привилегированная система отсчета. Но гипотеза сокращения Лоренца обнаруживает свою несостоятельность при несколько видоизмененной постановке опыта Майкельсона. У Майкельсопа плечи интерферометра были одинаковыми, у Кеннеди и Торндайка разными. Если плечи интерферометра различны, то будет наблюдаться смещение полос, если меняется скорость интерферометра относительно эфира. Но находящийся на Земле интерферометр участвует в трех движениях относительно эфира: движений Земли относительно Солнца, вращении Земли и, наконец, движении Солнца. Суммарная скорость меняется на определенную величину через каждые 12 часов (и 6 месяцев). Эти изменения должны приводить к смещению интерференционных полос. Действительно, если гипотеза Лоренца верна, то мы получим

будем поворачивать установку, по выясним, как изменится при изменении скорости В относительно эфира на ДВ. Дифференцируя по В, получим

Последпяя формула записана с точностью до Но длительное наблюдение за интерференционной картиной не обнаружило ее изменения.

Второй способ согласовать эфир с результатом опыта Майкельсона — это предположение о том, что эфир «увлекается» движущимися телами. Однако, как мы видели, аберрация света «согласуется» только с «неподвижным в гелиоцентрической системе» эфиром. Опыт, специально поставленный Физо (см. стр. 91, где рассказано, как объясняет этот опыт теория относительности) с целью выяснить, «увлекается» ли эфир, привел к выводу, что эфир «частично увлекается».

Конечно, перечисленными экспериментами и наблюдениями далеко не исчерпываются все попытки установить свойства эфира. Но уже из этих данных видно, насколько противоречивыми свойствами должен был бы обладать эфир. Но, пожалуй, самый

существенный «вклад» эфира в физику состоял бы в том, что от принципа относительности в электродинамике пришлось бы отказаться.

В 1905 г. появилась работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В этой работе почти полностью излагалась специальная теория относительности, которая не только естественным образом объясняла результат Майкельсона, но давала правильное истолкование всем известным механическим, электродинамическим и оптическим явлениям.

Она с самого начала распространила принцип относительности на всю физику, явно утвердила равноправие всех ИСО в вакууме и тем самым сделала эфир ненужным. Замечательным образом СТО не противоречит ни одип опытный факт.

Если Майкельсон в своих первоначальных опытах мог обнаружить изменение скорости света при изменении направления его распространения относительно направления движения Земли вплоть до то экспериментаторы, производившие свои опыты позднее, могли бы уловить это изменение пплотьдо Использование для той же цели лазеров позволило бы обнаружить изменение скорости до Однако изменение скорости света для движущегося наблюдателя так и не было обнаружено.

Была проверена независимость скорости света в вакууме от движения источника. Один из опытов был проведен с внеземным источником света — Солнцем (А. М. Бонч-Бруевиче, 1956 г.). Если скорость света зависит от движения источника, то, измеряя скорость света, исходящего от двух противоположных точек экватора, можно было бы уловить разность этих скоростей. Опыт ничего не обнаружил. Был проведен также лабораторный опыт, в котором сравнивалось время пролета определенного расстояния -квантами; рассматривались у-кванты, испущенные неподвижным и движущимся источниками (радиоактивными ядрами). Снова независимость скорости света от движения источника была подтверждена.

Можно уверенно сказать, что, несмотря на колоссальное возрастание точности экспериментов, нет никаких намеков на существование привилегированной системы отсчета, ни на различие скорости света в вакууме в различных инерциальных системах отсчета, ни на проявления эфира.

В заключение отметим, что ускоренное движение системы отсчета относительно ИСО, конечно, может быть обнаружено. Механический опыт такого типа — опыт Фуко — был описан в § 1.5. Имеются также оптические варианты этого опыта, о которых мм упомянем для полноты. Мы опишем опыт Гарреса (1912 г.), повторенный затем Сапьяком. На диске, который можно вращать, смонтированы три зеркала А, В, С и полупрозрачная пластинка (рис. на диске укреплены также источник света и фотопластинка Р. Луч света расщепляется пластинкой на два

луча и обегающие контур в двух противоположных направлениях. Если система покоится, на пластинке происходит интерференция двух лучей, идущих от и расщепленных пластинкой Если диск принести во вращение, интерференционные полосы должны сместиться, так как возникнет дополнительная разность хода лучей.

Рис. 9.6. Схема опыта Сапьяка — Гарреса,

Считая отклонение геоцентрической системы от инерцнальной несущественным, рассмотрим все происходящее в системе отсчета Земли. Для простоты рассуждений будем считать, что зеркал много и что свет практически перемещается по окружности. Тогда скорость, с которой спет догоняет диск, если свет распространяется в направлении вращения диска, равна — радпус диска, угловая скорость вращения диска); при распространении света в противоположном направлении эта же скорость равна Время, за которое свет обойдет окружность диска, равно в первом случае , а во втором Разность этих времен равна

где — площадь диска. Саньяк наблюдал смещение полос, превосходно согласующееся с приведенной формулой. По смещению полос можно определять угловую скорость

Если и качестве вращающегося диска использовать Землю, можно определить угловую скорость вращения Земли. Такой опыт был проведен в 1925 г. Майкельсопом и Гейлом. Угловая скорость вращения соответствовала составляющей угловой скорости вращения Земли в направлении отвеса на месте наблюдения. Для постановки опыта пришлось проложить около 2 км труб и запастись вторым контуром для определения нулевой точки смещения полос. Результат Майкельсона был при теоретической цифре 0,236. Отличное согласие!

Таким образом, в отличие от равномерного поступательного движения Земли, ее вращение может быть обнаружено физическими экспериментами различных типов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление