Опыт Майкельсона и крах представлений об эфире

Введение

 

К концу XIX века в ходе технической революции искусство физического эксперимента было поднято на новый уровень, и появилась возможность поставить более точные опыты с целью проверки положений классической механики и теории Максвелла.

До какой же степени выводы классической механики остались справедливыми?

Вскоре после открытия электрона - отрицательно заряженной элементарной частицы - его удалось разогнать с помощью внешнего электрического поля до скорости, близкой к скорости света. К своему удивлению, исследователи обнаружили, что для электрона, движущегося с большой скоростью, законы ньютоновской механики перестают быть справедливыми.

К этому времени теория Максвелла получила дальнейшее развитие; в частности, уже было известно понятие энергии электромагнитного поля. Поскольку электрон, обладающий электрическим зарядом, сам создает электрическое поле, а при движении, в соответствии с законом Био-Савара, и магнитное поле, то естественно было предположить, что энергия этих полей может влиять на движение электрона. Этого взгляда придерживались М. Абрагам, К. Шварцшильд, Г. Лоренц, А. Зоммерфельд. В историческом плане, по всей видимости, наибольший интерес представляет модель Абрагама, в которой электрон рассматривался как электрически заряженный шар. Абрагам получил логарифмическую зависимость массы от скорости, причем в пределе, при скоростях малых по сравнению со скоростью света, переменная «масса движения» переходила в «массу покоя», соответствующую ньютоновской постоянной массе.

Предположение, что масса может зависеть от скорости, произвело сенсацию среди физиков, считавших массу постоянной и неуничтожимой и поэтому ошибочно связывавших сохранение массы с сохранением материи. Физики-теоретики опасались, что им придется оставить надежный фундамент, основанный на механистических представлениях. Надвигался всеобщий кризис физики как науки.

В естественных науках критерием истины всегда была практика. В конце концов, человеческая фантазия должна ориентироваться на те ответы, которые природа дает на вопросы, корректно поставленные перед ней экспериментаторами. И когда на смену классической механике пришла релятивистская механика Эйнштейна, дело обстояло именно так.

В период 1902-1906 гг. В. Кауфман экспериментировал с быстро движущимися электронами. Он обнаружил, что электроны, несомненно, ведут себя иначе, чем требует классический закон движения, однако точность его измерений была еще недостаточна для того, чтобы можно было сделать выбор между упомянутой формулой Абрагама и только что опубликованной релятивистской формулой зависимости массы от скорости. Прошло еще несколько лет, прежде чем и другие исследователи в опытах по отклонению катодных лучей подтвердили правильность теории относительности. Безраздельному господству ньютоновской механики пришел конец. Она уже не могла более лежать в основе точных физических представлений об окружающем мире.

А что же показали эксперименты в отношении теории Максвелла? Скажем сразу: с релятивистской точки зрения эта теория безупречна. Сегодня мы знаем, что по этой причине результаты теории Максвелла не могли расходиться с данными экспериментов. И все же бурная полемика вокруг этой теории, казалось, зашла в безвыходный тупик. В чем же дело?

Законченная теория электромагнитных явлений была создана Максвеллом в 1864 году. Уравнения Максвелла справедливы для инерциальной системы отсчета, хотя сам Максвелл, естественно, не мог предвидеть связанных с этим проблем. И сегодня самые точные эксперименты подтверждают правильность теории Максвелла. Однако на протяжении полувека эта теория была предметом споров и разногласий.

Разгадка очень проста (вывод, к которому нередко приходит исследователь, измученный многодневными размышлениями над противоречиями) - уравнения Максвелла были верны, просто на протяжении почти половины столетия их физический смысл оставался непонятым. Даже такие выдающиеся исследователи, как Абрагам и Лоренц, не понимали основного содержания теории Максвелла, а занимались лишь частными ее вопросами. Сегодня кажется почти невероятным, что они, как и Максвелл, были по рукам и ногам связаны гипотезой эфира. Гипотеза существования эфира вошла у них в плоть и кровь, и они были не в состоянии представить, что свет не нуждается в какой-либо среде наподобие эфира, чтобы распространяться в пространстве. Лишь молодой Эйнштейн, не связанный предрассудками, смог наделить свет свойством, позволяющим ему распространяться в отсутствие среды.

Откуда же берет начало концепция эфира? Как известно, всякая волна связана со средой, в которой происходит волновое движение. Если бы не было воздуха, звук не смог бы достигнуть наших ушей. Морские волны не могут распространяться без воды. Соответственно волновая теория Гюйгенса, во многом основанная на аналогии между светом и звуком (вот какую опасность могут представлять аналогии, столь необходимые в науке!), предполагала, что световые волны распространяются в эфире - среде с удивительными свойствами. Невесомый, пронизывающий все тела эфир, согласно этой теории, заполняет все бесконечное ньютоновское пространство. Возмущение эфира распространяется в виде световой волны, так же как звуковая волна распространяется в виде возмущения в воздухе, металле и т. п.

В концепцию эфира удачно укладываются представления Фарадея о силовых линиях; последние легко делаются видимыми с помощью магнита и железных опилок. Силовые линии как бы «впечатываются» магнитом в эфир. Из сказанного ясно, что механика сплошных сред сыграла для концепции эфира важную роль. По существу, речь здесь идет о чисто механистическом подходе, позволившем смоделировать электромагнитные явления и упорядочить их. В соответствии с духом того времени ученые, воспитанные на понятии механических форм движения, пришли к неверному истолкованию наглядных аналогий, что и укрепило концепцию мирового эфира. Чтобы эта концепция продолжала укладываться в рамки экспериментальных данных, приходилось все более усложнять модель эфира, в частности, допуская, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, прежде всего Землей. И чем запутаннее становились эти построения, тем сильнее подрывалась вера в эту загадочную и сомнительную концепцию.

эфир свет волновой лоренц

 

Опыт Майкельсона и крах представлений об эфире

 

Из многих опытов, которые были проведены до создания теории относительности и на которых мы не имеем возможности здесь останавливаться, наибольший интерес представляет опыт А. Майкельсона, поставленный им в Потсдаме в 1881 году и известный теперь под его именем.

 

Рис. 1.

 

Результат этого эксперимента бесповоротно опровергнул концепцию эфира. Позднее аналогичные опыты на более совершенном оборудовании поставили Морли (1887), Миллер (1904), а также Иллингворт и Йоос (на заводах Цейсса в Йене в 1927-1930 гг.). В их опытах результат Майкельсона был подтвержден с большой достоверностью. Поскольку опыт Майкельсона сыграл важнейшую роль в создании специальной теории относительности, мы расскажем о нем и о вытекающих из него следствиях.

На рис. 1 представлена схема интерферометра Майкельсона. Интерферометр жестко связан с Землей, и если Земля движется относительно эфира, то интерферометр должен реагировать на это движение. Отрицательный результат доказывает несостоятельность концепции эфира.

Для наглядности движение Земли с интерферометром сквозь эфир (которое на небольшом участке околосолнечной орбиты можно приближенно считать движением по прямой) сравним с движением автомобиля сквозь воздух.

Луч света от источника L падает под углом 45° на плоскопараллельную стеклянную пластинку Р с полупрозрачным зеркальным покрытием. Часть света отражается в направлении такой же пластинки Р', параллельной Р, проходит через нее и попадает на зеркало . Отразившись от зеркала, луч проходит сквозь пластинки Р' и Р и попадает в окуляр F. Другая часть исходного пучка проходит сквозь пластинку Р, отражается от плоского зеркала , возвращается к пластинке Р, проходит сквозь нее до зеркального покрытия в точке О, отражается и также попадает в окуляр F. В точке О обе части исходного пучка интерферируют между собой, а поскольку пройденные ими пути различны, то луч, отраженный от зеркала , ведет себя так, как если бы он, пройдя по тому же пути, что и первый луч, отразился от воображаемого зеркала , так что мы можем рассматривать эквивалентную интерференцию лучей, отраженных от зеркал  и . Вспомогательная пластинка  введена для того, чтобы заставить каждый луч трижды пройти через стекло и тем самым скомпенсировать разность фаз, возникающую при прохождении через пластинку. Окуляр служит для наблюдения интерференционных полос.

Рассчитаем теперь разность времен хода лучей в такой установке, обусловленную предполагаемым движением прибора относительно эфира в направлении  со скоростью υ. Используя теорему Пифагора и некоторые другие методы, на которых мы не будем останавливаться, получаем выражение для разности времен хода

 

(1)

 

Через  и  здесь обозначены длины плеч интерферометра в соответствии с рисунком. Как и раньше, c обозначает скорость света в вакууме.

Повернем теперь прибор на 90° против часовой стрелки. Этот поворот необходим для того чтобы иметь возможность сравнить результаты двух измерений, поскольку в таком опыте нельзя пренебрегать вращением Земли. Нам не придется повторять весь расчет сначала - достаточно заметить, что такой поворот, по существу, означает, что зеркала  и  меняются ролями. Разность времен после поворота дается выражением

 

                     (2)

 

Теперь можно определить, как отличаются разности времен хода до поворота и после него, вычислить соответствующую разность фаз , а по ней определить смещение интерференционных полос .

В предположении, что , т. е. скорость относительно эфира мала по сравнению со скоростью света и длины плеч интерферометра практически равны (), для смещения полос получаем

 

         (3)

 

где  - длина волны используемого света.

Уже в экспериментах в Йене была достигнута такая точность, что последние приверженцы гипотезы эфира сдались. За счет многократного отражения лучей эффективная длина плеч интерферометра была доведена до 30 м. Длина волны света составляла 5000 A. Подставляя эти значения и скорость движения Земли относительно предполагаемого эфира (орбитальная скорость Земли равна 30 км/с) в формулу (3), получаем . Иными словами, если бы эфир действительно существовал, интерференционная картина после поворота установки сдвинулась бы на целую ширину полосы. В действительности никакого смещения, выходящего за пределы ошибки измерений, не наблюдалось, а точность йенской аппаратуры позволяла зарегистрировать смещение всего на 1/1000 ширины полосы.

В последующие годы опыт Майкельсона неоднократно повторялся, причем в наши дни использовалась и лазерная техника. Но его результат неизменно остается отрицательным.

В начале нашего столетия отрицательный результат опыта Майкельсона истолковывался по-разному.

Сторонники гипотезы эфира отказались от представлений о неподвижном эфире и выдвинули предположение, что эфир увлекается Землей и движется вместе с ней. В таком случае смещение интерференционных полос не должно было наблюдаться (здесь опять же можно провести аналогию со звуковыми волнами в воздухе). Однако это предположение противоречит наблюдаемой аберрации света, объяснение которой предполагает неподвижность эфира.

В 1908 году Ритц выступил со своей баллистической гипотезой, согласно которой свет, обладающий инерцией, ведет себя в отношении сложения скоростей подобно ньютоновской материальной точке (в то время уже было известно, что хотя частицы света - фотоны - и не обладают массой покоя, в движении они обладают импульсом, а следовательно, и массой). Скорость света, излучаемого земным источником в системе отсчета, связанной с Солнцем, должна складываться из измеренной на Земле скорости света в вакууме и скорости движения Земли относительно Солнца. Другими словами, скорость света, излучаемого источником, движущимся по направлению к наблюдателю, должна быть для этого наблюдателя больше скорости света в вакууме c, и наоборот.

Эта гипотеза противоречила тому факту, что двойные звезды наблюдаются как отдельные светящиеся точки. Двойная звезда - это по сути две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс. Если бы свет, идущий от приближающейся к нам звезды, имел большую скорость, а свет от удаляющейся звезды - меньшую, то свет каждой из звезд доходил бы до нас за различное время, и вследствие этого наблюдаемое движение звезд отличалось бы от предсказываемого законами механики.

Еще одна попытка объяснить результат опыта Майкельсона была сделана Г. Фицджеральдом и Г. Лоренцем в их гипотезе сокращения длины. Они предположили, что плечо интерферометра Майкельсона сокращается в направлении движения в  раз, в то время как длина плеча, перпендикулярного направлению движения, остается неизменной. С

 

 

Результат опыта Майкельсона в таком случае должен быть отрицательным, поскольку сокращение длины компенсирует эффект, обусловленный существованием эфира.

Но и эта теория не выдерживает критики, поскольку, для того чтобы плечо интерферометра действительно укорачивалось, на него должны действовать внешние вынуждающие силы. Между тем известно из опыта, что движущийся равномерно и прямолинейно стержень не испытывает действия сил.

На самом деле ключ к результатам этих опытов дает принцип постоянства скорости света:

В инерциальной системе отсчета скорость света в вакууме есть величина постоянная и не зависящая от движения источника и наблюдателя. Скорость света - универсальная фундаментальная постоянная.

Это утверждение сегодня получило всеобщее признание, если не считать высказываемых иногда возражений, за которыми стоят скорее эмоции, чем разум. Понять сущность этого принципа будет легче, если довести некоторые вытекающие из него следствия до их логического завершения. Воспользуемся для этой цели следующим примером.

Пусть два наблюдателя движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно (инерциальные системы отсчета и , рис. 2). В момент времени, когда положения обоих наблюдателей совпадают (будем считать, что каждый из них находится в начале своей системы отсчета), из начала системы отсчета (в силу постоянства скорости света, безразлично какой) начинает распространяться сферическая световая волна. Распространение такой волны в пространстве является объективным процессом, и каждый наблюдатель может с полным правом считать, что он находится в центре сферы, образуемой волновым фронтом, поскольку обе инерциальные системы отсчета совершенно равноправны.

 

Рис. 2.

 

Для наблюдателя, находящегося в системе отсчета , радиус сферы через время t будет определяться равенством . He зная об относительности времени, наблюдатель в системе  будет пользоваться тем же самым абсолютным временем и запишет для радиуса своего волнового фронта выражение , из чего следует, что  = . Но поскольку наблюдатели удаляются друг от друга в направлении оси  со скоростью u,  не может быть равно , так как

 

 

В дальнейшем мы покажем, что противоречие, к которому мы пришли, обусловлено предположением о том, что время для обоих наблюдателей течет одинаково. Это противоречие разрешается введением понятия релятивистского времени, согласно которому в каждой из инерциальных систем идет свой счет времени, и справедливы оба равенства  и , а представления двух наблюдателей, считающих, что каждый из них находится в центре сферической волны, не противоречат друг другу.

 

1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: