 |
Другие эксперименты, лежащие в основе специальной теории относительности или подтверждающие ее
|
|
|
|
Опыт Майкельсона, о котором рассказывалось в предыдущем разделе, сыграл выдающуюся роль в подготовке теории относительности. Проводилось и немало других экспериментов, прояснивших ряд важных вопросов. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.
Астрономическая аберрация света
Это явление было открытом Брэдли в 1727 году. Расскажем о нем подробнее. Брэдли обнаружил, что при наблюдении звездного неба в телескоп, жестко закрепленный на Земле, звезды совершают в поле зрения определенное движение: те из них, которые находятся вблизи полюса Мира, движутся по дуге окружности, находящиеся вблизи эклиптики движутся по прямой, а занимающие промежуточное положение - по дуге эллипса.
Анализ этого явления, названного астрономической аберрацией, показывает, что из-за относительного движения источника света и наблюдателя, обусловленного орбитальным движением Земли, трубу телескопа приходится располагать так, что оптическая ось составляет некоторый угол с направлением на звезду.
В рамках гипотезы неподвижного эфира было предложено следующее объяснение. Свет распространяется в неподвижном эфире прямолинейно. Если на входе в телескоп направление светового луча совпадает с оптической осью, то на выходе из телескопа луч отклонится от оси, так как за это время телескоп успевает несколько переместиться. Здесь можно провести механическую аналогию со снарядом, пробивающим насквозь движущееся судно.
Из чертежа (рис. 3), где пропорции для наглядности нарушены, видно, что
Если телескоп движется в перпендикулярном световому лучу направлении со скоростью u,
Направление выхода луча
Рис. 3.
а свет проходит через телескоп за время t, то
|
|
|
и 
(4)
где 
- скорость света внутри телескопа, трубу которого можно предположить заполненной некоторой средой.
Как мы уже отмечали, эти рассуждения предполагают существование эфира. Экспериментально аберрационная формула (4) была подтверждена для вакуума, и это послужило серьезным доводом в пользу гипотезы эфира, противоречившей результату опыта Майкельсона. Но оказалось, что формула (4) не согласуется и с опытом Эри, показавшим, что аберрация наблюдается и в том случае, если заполнить трубу телескопа водой. Налицо, таким образом, двойное противоречие. Лишь специальная теория относительности Эйнштейна смогла полностью разрешить его.
Эффект Доплера
Этот эффект, связанный с волновыми движения ми, наблюдается как в оптике, так я в акустике и состоит в том, что при относительном движении источника волны и наблюдателя навстречу друг другу частота волнового движения с точки зрения наблюдателя повышается; при удалении источника от наблюдателя частота, наоборот, уменьшается. В предположении неподвижной среды (в случае звука - воздуха, в случае света - гипотетического эфира) эффект Доплера описывается формулами
(5)
в случае если относительно среды источник покоится, а наблюдатель движется, и
(6)
если относительно среды неподвижен наблюдатель, а источник движется. Здесь через 
обозначена наблюдаемая частота, 
- частота в отсутствие относительного движения, u - скорость относительного движения.
Приведенные формулы совпадают с точностью до величин первого порядка малости (
), но различаются членом, содержащим величину второго порядка малости (
). Исходя из этих формул, следует; различать, что движется относительно среды: наблюдатель или источник. В акустике эти формулы были подтверждены экспериментально (что и следовало ожидать), поскольку проводящей средой в данном случае является воздух. Если бы гипотеза эфира была справедлива, то и в оптике эти два типа доплеровского эффекта были бы различны, в то время как теория относительности не допускает различия между источником и наблюдателем, поскольку и с тем и с другим связаны равноправные системы отсчета.
|
|
|
Эффект, предсказанный Доплером для звука в 1842 году и им же экспериментально обнаруженный, наблюдал в 1906 году для света И. Штарк в опытах с каналовыми лучами. Майорана подтвердил этот результат в 1919 году, используя движущийся источник света. Он также наблюдал этот эффект при отражении света от движущихся зеркал.
Опыт Траутона-Нобла
Этот опыт был поставлен в надежде определить абсолютную скорость движения Земли относительно гипотетического эфира. Для этой цели был сконструирован жестко связанный с Землей конденсатор, который мог вращаться. Предполагалось, что при зарядке этого конденсатора последний приобретет вращательный момент, обусловленный стремлением линий, соединяющих центры зарядов, расположиться перпендикулярно направлению движения относительно эфира.
В эксперименте, поставленном Траутоном и Ноблом в 1903 году, вращение наблюдать не удалось, Результаты опытов, поставленных в 1925 году Томашеком и в 1926 году Чейзом на более совершенном оборудовании, также были отрицательными.
С точки зрения специальной теории относительности этого и следовало ожидать, поскольку находящиеся на обкладках конденсатора заряды неподвижны относительно друг друга, так что между ними отсутствуют магнитные силы, лежащие в основе объяснения предполагаемого эффекта.
Опыт Вина
В 1913 году И. Штарк обнаружил, что спектральные линии света, излучаемого атомами, находящимися в электрическом поле, определенным образом уширяются. Еще на рубеже столетий в работах Лоренца было показано, что при движении наблюдателя относительно электрического поля возникает магнитное поле, а при движении относительно магнитного поля - электрическое. Позднее специальная теория относительности убедительно объяснила эту взаимосвязь электрического и магнитного полей на основе концепции четырехмерного пространства-времени, и в свое время мы еще поговорим об этом более подробно.
|
|
|
Можно ожидать, что атомы, движущиеся в магнитном поле, также излучают свет, в котором будет наблюдаться штарковское уширение спектральных линий, обусловленное возникновением электрического поля. Эту идею использовал в 1914 году Вин. Он пропускал атомы водорода в виде каналовых лучей со скоростью 
см/с через магнитное поле В. Наблюдаемое при этом уширение спектральных линий соответствовало электростатическому полю напряженностью 
v 
B, что в точности согласуется с выводами специальной теории относительности.
Опыт Физо
Описываемый опыт впервые был поставлен Физо в 1851 году, а затем повторен в 1886 году Майкельсоном и Морли и с еще большей степенью точности в 1914-1915 гг. Зееманом.
Физо, разумеется, исходил из предположения о существовании эфира. Поэтому вопрос, разрешить который был призван поставленный им эксперимент, в его формулировке звучал так: как увлекается эфир (а следовательно, и свет) движущейся средой.
Физо установил параллельно одна другой две трубки, через которые в противоположных направлениях могла прокачиваться прозрачная жидкость. С помощью полупрозрачных зеркал он разделял пучок света на две части и направлял их во встречных направлениях через трубки вдоль их осей. После прохождения через трубки части пучка вновь совмещались, и интерференционную картину можно было наблюдать в окуляр. Выяснилось, что при движении жидкости в трубках (две трубки использовались для удвоения эффекта) между двумя лучами возникает разность фаз, которую можно измерить по смещению полос интерференционной картины. Наблюдаемый в опытах сдвиг фаз соответствовал скорости света в движущейся среде, равной
(7)
Плюс в формуле соответствует движению луча и жидкости в одном и том же направлении, минус - во взаимно противоположных. Через c обозначена скорость света в вакууме, n - показатель преломления среды, u - скорость движения среды. Множитель 
называется коэффициентом увлечения Френеля. Эффект увлечения в вакууме (n=1) отсутствует, как и следует из формулы (7).
|
|
|
Если бы для света выполнялась теорема сложения скоростей ньютоновской механики, скорость света в движущейся среде определялась бы формулой 
. На основании же релятивистской теоремы
сложения скоростей объяснение полученного результата не составляет труда. О сложении скоростей в теории относительности мы будем говорить ниже.
|
|
|
