Опыт Майкельсона

Или относительное движение? После некоторых размышлений вы могли бы склониться к ответу: "Да, конечно!" Представьте себе поезд, движется на север со скоростью 60 км / ч. Человек в поезде идет на юг со скоростью 3 км / ч. В каком направлении она движется и какова ее скорость? Совсем очевидно, что на этот вопрос нельзя ответить, не указав системы отсчета. Относительно поезда человек движется на юг со скоростью 3 км / ч. По отношению к Земле она движется на север со скоростью 60 минус 3, то есть 57 км / ч.

Можно сказать, что скорость человека относительно Земли (57 км / ч.) Является ее настоящей, абсолютной скоростью? Нет, потому что существуют и другие, еще более крупномасштабные системы отсчета. Движется сама Земля. Она вращается вокруг своей оси и в то же время движется вокруг Солнца. Солнце вместе со всеми своими планетами движется внутри Галактики. Галактика вращается и движется относительно других галактик. Галактики, в свою очередь, образуют скопления галактик, движущихся друг относительно друга. Никто не знает, насколько далеко можно продолжить этот перечень движений. Есть очевидного способа определить абсолютное движение какого-либо предмета; иначе говоря, нет такой постоянной, окончательной системы отсчета, относительно которой можно было бы измерять все движения. Движение и покой, подобно большом и малом, быстрому и медленному, верха и низа, левом и правом, очевидно, вполне относительны. Нет другого способа измерить движение какого-то предмета, кроме как сравнить его движение с движением другого предмета.

К сожалению, это не так просто! Если бы можно было ограничиться только тем, что уже сказано об относительности движения, то Эйнштейну не пришлось бы создавать теорию относительности.

Причина трудностей в том, что существует два очень простых способа выявления абсолютного движения. В одном из методов используются свойства света, в другом - различные явления инерции, возникающие при изменении траектории или скорости движения предмета в движении. Специальная теория относительности Эйнштейна имеет дело с первым методом, а общая теория относительности - со вторым. В этом и в двух следующих разделах будет рассматриваться первый метод, который использует свойства света и может стать ключом к пониманию абсолютного движения.

В девятнадцатом веке, еще до Эйнштейна, физики считали, что пространство наполнено особой неподвижной и невидимым веществом - эфиром. Часто его называли "светоносным" эфиром, имея в виду, что он является носителем световых волн. Эфир заполнял всю Вселенную.

Он проникал во все материальные тела. Если бы удалось откачать из-под стеклянного колокола весь воздух, то он наполнился бы эфиром. А как иначе свет мог 6 пройти через вакуум? Свет - это волновое движение. Итак, должно существовать нечто, в чем происходят колебания. Сам эфир, хотя в нем и происходят колебания, не двигается относительно материальных предметов, скорее, все предметы движутся сквозь него, подобно движения сита в воде. Абсолютное движение звезды, планеты или какого-либо другого предмета станет более понятным (в этом физики той эпохи были уверены), если это движение рассматривать относительно такого недвижимого, невидимого эфирного моря.

Но, спросите вы, если эфир - нематериальная субстанция, которую нельзя увидеть, услышать, почувствовать на ощупь, запах или попробовать на вкус, то как можно рассматривать движение, например, Земли относительно него? Ответ прост. Измерение можно выполнить, сравнив движение Земли с движением светового пучка.

Чтобы понять это, рассмотрим сначала природу света. На самом деле свет - это лишь небольшая видимая часть спектра электромагнитного излучения, в состав которого входят радиоволны, ультракороткие волны, инфракрасный свет, видимый свет, ультрафиолетовый свет и гамма-лучи. Мы используем слово "свет" для обозначения любого типа электромагнитного излучения, так как это слово короче, чем "электромагнитное излучение". Свет - волновое движение. Физики прошлого считали, что изучать такое движение, не принимая одновременно во внимание материальное эфир, столь же абсурдна дело, как и исследовать волны на воде, забывая о самой воду.

Если выстрелить из реактивного самолета, движущегося в направлении его движения, то скорость пули относительно Земли будет больше, чем скорость пули, выпущенной из ружья на Земле. Скорость пули относительно Земли является результатом добавления скорости самолета и скорости пули. В случае же света скорость пучка не зависит от скорости предмета, этот свет излучает. Этот факт убедительно доказали экспериментально в конце девятнадцатого и в начале двадцатого века, и с тех пор он не раз подтверждался. Последнюю проверка была проведена в 1955 г.. Советскими астрономами, которые использовали свет от противоположных краев Солнца, которое постоянно находится во вращательном движении. Один край нашего Солнца всегда движется к нам, а другой - в противоположную сторону. Было установлено, что свет от обоих краев приходит к Земле с одинаковой скоростью. Подобные опыты проводились и десятилетия назад со светом от двойных звезд, которые тоже вращаются. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова: она составляет почти 300 000 км / сек.

Очевидно, этот факт дает ученому (будем называть его наблюдателем) способ для вычисления своей абсолютной скорости. Если свет распространяется через неподвижный, неизменный эфир с известной скоростью с и если эта скорость не зависит от скорости движения источника, то скорость света может служить эталоном для определения абсолютного движения наблюдателя. Наблюдатель, движущийся в том же направлении, что и пучок света, должен был бы обнаружить, что пучок проходит мимо со скоростью, меньшей чем с; наблюдатель же, который движется навстречу пучку света, должен был бы отметить, что пучок приближается к нему со скоростью, большей чем с. Иными словами, результаты измерения скорости света должны были 6 изменяться в зависимости от движения наблюдателя относительно пучка. Эти изменения отражали 6 его (наблюдателя) настоящий, абсолютное движение сквозь эфир.

Описывая это явление, физики часто прибегают к понятию "эфирного ветра". Чтобы понять смысл этого термина, рассмотрим снова поезд, который движется. Мы установили, что скорость человека, которая движется внутри поезда со скоростью 3 км / ч., Всегда одинакова по поезда и не зависит от того, в сторону локомотива или до конца поезда она идет. Это справедливо и для скорости звуковых волн внутри закрытого вагона. Звук - волновое движение, который передается благодаря молекулам воздуха. Поскольку воздух содержится внутри вагона, звук внутри вагона будет распространяться на север с той же скоростью (относительно вагона), что и на юг.

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

Физики девятнадцатого века были уверены, что эфир должен вести себя, как и ветер, дующий на платформе, которая двигается. Разве может быть иначе? Если эфир неподвижен, то любой предмет, который движется в нем, должен столкнуться с эфирным ветром, дующим в противоположном направлении. Свет - волновое движение в неподвижном эфире. На скорость света, которая измеряется с движущегося предмета, должен, конечно, влиять эфирный ветер.

Земля перемещается в пространстве по своей орбите вокруг Солнца со скоростью около ЗО км / с. Это движение, рассуждали физики, должен вызвать эфирный ветер, дующий навстречу Земле в промежутках между ее атомами со скоростью ЗО км / с. Чтобы измерить абсолютное движение Земли (скорость ее движения относительно неподвижного эфира), необходимо лишь измерить скорость, с которой свет проходит какую-то определенную расстояние на земной поверхности туда и обратно. В результате воздействия эфирного ветра свет будет двигаться в одном направлении быстрее, чем в другом. Сравнив скорости света, излученного в разных направлениях, можно было бы вычислить абсолютный направление и скорость движения Земли в любой заданный момент. Этот эксперимент впервые предложил в 1875 г. за 4 года до рождения Эйнштейна большой шотландский физик Джемс Кларк Максвелл.

В 1881 p. Майкельсон, в то время молодой офицер Военно Морского флота Соединенных Штатов, провел именно такой эксперимент. Майкельсон родился в Германии, его родители - поляки. Отец Майкельсона переехал в Америку, когда сыну было два года. После окончания Военно-морской академии в Ан-наполиси и двухлетней морской службы Майкельсон начинает преподавать физику и химию в этой же академии. Взяв отпуск, он едет учиться в Европу. В Берлинском университете, в лаборатории известного немецкого физика Германа Гельмгольца, молодой Майкельсон впервые попытался выявить эфирный ветер. На удивление, в одном направлении компаса он не нашел различий в скорости, с которой свет проходил путь туда и обратно. Это было похоже на то, как если бы рыба открыла бы, что она может плыть в любом направлении в море, не испытывая движения воды относительно своего тела или как якобы пилот, летящий с открытым колпаком кабины самолета, не замечает ветра, дующего ему в лицо.

Выдающийся австрийский физик Эрнст Мах уже тогда критиковал представление об абсолютном движении сквозь эфир. Прочитав опубликованный отчет Майкельсона о опыт, он немедленно сделал вывод, что представление об эфире надо отбросить. Однако большинство физиков отказались сделать такой смелый шаг. Прибор Майкельсона был несовершенен, было достаточно оснований считать, что эксперимент, проведенный с помощью более чувствительной аппаратуры, даст положительный результат. Так считал и сам Майкельсон. Не найдя ошибок в своем опыте, он стремился повторить его.

Майкельсон отказался от военно-морской службы и должность профессора в Кейсивський школе прикладных наук (теперь Кейсивський университет) в Кливленде, штат Огайо. Поблизости, в университете Западной Территории, преподавал химию Эдвард Уильям Морли. Двое мужчин стали хорошими друзьями. "Внешне, - пишет Бернард Яффе в книге" Майкельсон и скорость света ", - эти двое ученых представляли собой образец контраста ... Майкельсон был красивый, нарядный, всегда безупречно выбритый. Морли, мягко говоря, был небрежен в одежде и представлял собой пример несобранного профессора ... Он позволял волосам отрастать до тех пор, пока оно не начинало завиваться на плечах, и был владельцем беспорядочной рыжей щетины, которая росла почти до ушей ".

В 1887 г.. В подвале лаборатории Морли ученые вместе сделали вторую, более точную попытку выявить неуловимый эфирный ветер. их опыт, известный как эксперимент Майкельсона-Морли, - один из поворотных пунктов в современной физике.

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

Предполагалось, что когда плита будет возвращена так, что .Один из пучков будет пробегать туда и обратно параллельно эфирном ветра, то пучок будет делать рейс по больший промежуток времени, чем другой пучок, проходит такое же расстояние перпендикулярно ветру. Сначала казалось, что должно исполняться обратное. Рассмотрим свет, распространяющийся по ветру и против ветра. Не будет ветер увеличивать скорость на одном пути настолько же, насколько уменьшает ее на другом? Если так, то ускорение и торможение компенсировали бы друг друга и время, затраченное на весь путь, был бы точно таким же, как в случае, когда никакого ветра не было вовсе.

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

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

Следует отметить, что прибор Майкельсона-Морли НЕ измерял настоящей скорости света каждого из пучков. Оба пучка после того, как они делали нужное количество пробегов туда и обратно, объединялись в единый пучок, который можно было наблюдать в небольшой телескоп. Прибор медленно вращался. Любое изменение относительных скоростей обоих пучков вызвала бы изменение интерференционной картины, которая представляла собой чередование светлых и темных полос.

И снова Майкельсон был поражен и разочарован. Удивлены были и и все физики, которые наблюдали за этим важным опытом. Несмотря на то, что Майкельсон и Морли возвращали свой прибор, они не заметили и следа эфирного ветра! Никогда ранее в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон снова решил, что его эксперимент не удался. Он никогда не думал, что эта "неудача" сделает его опыт одним из наиболее значительных, революционных экспериментов в истории науки.

Позже Майкельсон и Морли повторили свой опыт с помощью еще более совершенного прибора. Другие физики сделали то же самое. Наиболее точные опыты выполнил в 1960 году Чарльз Таунс в Колумбийском университете. Его прибор, использующий мазер ("атомные часы", принцип действия которого основан на колебаниях молекул), был настолько чувствителен, что мог бы заметить эфирный ветер, даже если бы Земля двигалась со скоростью, составляющей всего лишь одну тысячную долю от его истинной скорости . Но и следа такого ветра не было обнаружено.

Физики сначала были настолько удивлены негативным результатом опыта Майкельсона-Морли, что начали придумывать всевозможные объяснения для спасения теории эфирного ветра. Лучшим объяснением была теория (намного старше, чем опыт Майкельсона-Морли), которая утверждала, что Земля захватывает эфир, подобно закрытом вагона с воздухом внутри. Так считал и сам Майкельсон. Но другие опыты, один из которых Майкельсон выполнил собственноручно, опровергали и это объяснение.

Самое необычное объяснение предложил ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд. Возможно, говорил он, эфирный ветер давит на движущийся предмет, заставляя его сокращаться в направлении движения. Чтобы определить длину движущегося предмета, надо его длину в состоянии покоя умножить на величину, задается формулой


где - квадрат скорости тела, движущегося

- Квадрат скорости света.

С этой формулы следует, что величиной сокращения можно пренебречь, когда речь идет о небольших скорости тела, однако эта величина возрастает с увеличением скорости и становится значительной, когда скорость тела приближается к скорости света. Так, космический корабль, который по форме похож на длинную сигару, двигаясь с большой скоростью, приобретает форму короткой сигары.

Скорость света - недостижимая предел. Для тела, движущегося с этой скоростью, формула должна выглядеть так:

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

Элегантную математическую форму теории Фитцджеральда предоставил голландский физик Хендрик Лоренц, самостоятельно пришел к такому же объяснение. (Позже Лоренц стал одним из ближайших друзей Эйнштейна, но в то время они еще не были знакомы.)

Эта теория получила известность как теория сокращение Лоренца-Фитцджеральда (или Фитцджеральда-Лоренца).

Легко понять, как теория сокращение объяснила неудачу опыта Майкельсона-Морли. Если бы квадратная плита и все приборы на ней немного сокращались в том направлении, в котором дул эфирный ветер, то свет проходил бы немного короче полный путь. И хотя ветер в целом тормозил бы движение пучка в прямом и обратном направлениях, немного короче путь позволил бы пучке завершить это путешествие по точно такой же время, как если бы не было ни ветра, ни сокращения. Иначе говоря, сокращение было именно таким, чтобы сохранилась постоянство скорости света независимо от направления поворота прибора Майкельсона-Морли.

Почему, можете спросить вы, нельзя было просто измерить длину прибора и определить, происходило на самом деле укорачивания в направлении движения Земли? Но и линейка сокращается в той же пропорции. Измерение дало бы такой же результат, как и при отсутствии сокращения. На Земле, движется, все терпит сокращение. Положение вещей таково же, как и в мысленном опыте Пуанкаре, в котором Вселенная внезапно становится в тысячу раз больше, но только в теории Лоренца-Фитцджеральда изменения происходят в одном-единственном направлении. Так как эти изменения претерпевает, то нет способа ее обнаружить. В определенных пределах (границы устанавливает топология - наука о свойствах, хранящихся при деформации предмета) форма такая же относительная, как и размер. Сокращение прибора, как и сокращение всего на Земле, мог бы заметить только тот, кто находится вне Земли и не движется вместе с ней.

Многие, говоря о теории относительности, считали гипотезу сокращения Лоренца-Фитцджеральда гипотезой ad hoc (латинское изречение, что означает "только для данного случая"), которую невозможно проверить с помощью каких-либо других экспериментов. Адольф Грюнбаум считал, что это не очень справедливо. Гипотеза сокращения была ad hoc только в том смысле, что в то время не было способа проверить ее. В принципе она совсем не ad hoc. И это было доказано в 1932 p., Когда Кеннеди и Торн-дайк экспериментально опровергли эту гипотезу.

Рой Дж. Кеннеди и Эдвард М. Торндайк, два американских физики, повторили опыт Майкельсона-Морли. Но вместо того, чтобы пытаться сделать оба плеча можно равными, они сделали их длины максимально разными. Для того, чтобы определить разницу во времени, который нужен свету для прохождения в двух направлениях, прибор возвращали. Согласно теории сокращение разница во времени должна была изменяться при повороте. ее можно было бы заметить (как и в опыте Майкельсона) в случае изменения интерференционной картины, возникающей при смешивании двух пучков. Но такого изменения не обнаружили.

Хотя такие эксперименты и нельзя было еще выполнить во времена Лоренца, он, однако, предусматривал принципиальную возможность их проведения и считал вполне обоснованным предположение, что эти опыты, подобно опыта Майкельсона, дадут отрицательный результат. Чтобы объяснить такой вероятный результат, Лоренц сделал важное дополнение к первоначальной теории сокращение, введя смену времени. Он считал, что часы замедлялся 6 под действием эфирного ветра, причем таким образом, что измеренная скорость света всегда составляла бы 300 000 км / сек.

Рассмотрим конкретный пример. Предположим, что у нас есть часы, достаточно точ ный, чтобы провести опыт по измерению скорости света. Пошлем свет из точки А в точку Б по прямой вдоль направления движения Земли. Синхронизируем оба часы в точные А и затем передвинем один из них в точку Б. Отметим время, когда пучок света оставил пункт А и (по другим часами) момент прибытия его в пункт Б. Так как свет двигалось бы при этом против эфирного ветра, его скорость немного уменьшилась 6, а продолжительность пробега выросла по сравнению со случаем Земли, находится в состоянии покоя. Вы заметили ошибку в этом рассуждении? Часы, который двигался из точки А в 5, также двигался против эфирного ветра. Это замедлило часы в точке Б, он немного отстал от часов в точке А. В результате измеренная скорость света остается неизменной - 300000 км / с.

То же самое произойдет (утверждает Лоренц), если измерять скорость света, распространяющегося в противоположном направлении с точки Б в точку А. Два часы синхронизируются в точке Б и затем один из них переносится в точку А. Пучок света, распространяясь с пункта Б в А, движется вдоль эфирного ветра. Скорость пучка увеличивается, и, следовательно, время прохождения немного уменьшается, как и в случае с Землей, которая находится в состоянии покоя. Однако при переносе часов с точки Б в Л его тоже "подгоняет" ветер. Уменьшение давления эфирного ветра позволит часах увеличить скорость, и, следовательно, к моменту окончания эксперимента часы в точке А убежит вперед по сравнению с часами в точке Б. И в результате скорость света снова 300000 км / с.

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

Мне хотелось 6 покрасить

Бакенбарды в цвет зеленый,

В руки веер взять побольше,

Чтобы их никто не увидел.

Новая теория Лоренца, в которой менялись и время, и длина, казалась почти столь же абсурдной, как и план Белого Рыцаря. Но, несмотря на все усилия, физики не могли придумать ничего лучшего.

В следующем разделе будет показано, как специальная теория относительности Эйнштейна указала на смелый, отличный выход из этого очень запутанного положения.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >