III. Опыт Майкельсона

Опыт Майкельсона (Майкельсона-Морлея), 1881 г. это первая и некорректная попытка измерения абсолютной скорости Земли в космическом пространстве относительо «эфира» или вакуума. Отрицательный результат опыта Майкельсона послужил основным экспериментом, положенным в основу теории относительности.

Понимание сущности процессов, происходящих в интерферометре Майкельсона, является ключевым в оптике движущихся тел. Именно нулевой результат опыта Майкельсона [9] и его (как выясняется, некорректные) объяснения послужили в свое время решающим аргументом в пользу СТО из-за отсутствия ясного понимания этого феномена.

В настоящее время в оптике движущихся тел происходит болезненный процесс смены представлений. В настоящее время стало ясно, что некоторые положения теории относительности оказались противоречащими опытным данным и подлежат пересмотру. Однако значительная часть ученых продолжают придерживаться устаревших представлений, которые продолжают тиражировать учебники.

При постановке своего опыта Майкельсон исходил из классической электродинамики Максвелла-Герца, в которой свет распространяется относительно универсальной, «абсолютной» системы отсчета. В этой теории скорость света есть универсальная константа, характеризующая свойства «эфира» или физического вакуума, не зависящая от скорости движения источника.

Рис. 7.6. Схема опыта Майкельсона. Расстояние от светоделительного зеркала до зеркал А и В составляло около 10 м. Ожидаемый сдвиг интерференционных полос на экране на выходе интерферометра при его повороте на 90 градусов, обусловленный движением Земли в космическом пространстве вокруг Солнца (v = 30 км/сек) должен был составлять 0,4 полосы. Как сейчас известно, фактически скорость движения Земли в космосе относительно реликтового излучения составляет около 400 км/сек. Основной вклад в эту скорость дает орбитальное движение солнечной системы вокруг центра нашей Галактики (~ 250 км/сек). То есть поворот интерферометра по классическим «эфирным» представлениям должен приводить к смещению интерференционной картины примерно на 5 полос.

Первоначально теория опыта Майкельсона строилась на основе представлений о сложении фазовой скорости света со скоростью приемника V, с_1,с₂ = с ±V. Ошибка заключалась в том, что не учитывалась связь фазовой скорости света с длиной волны излучения: с₁ = λ₁ ν, с₂ = λ₂ ν. Результирующая скорость света однозначно связана с длиной волны излучения. Если это обстоятельство не учитывать, то и возникает некорректный вывод о сдвиге интерференционной картины при повороте интерферометра относительно вектора скорости движения Земли в «эфире».

По Майкельсону время обхода T₁ светом плеча интерферометра Майкельсона длиной L, оказывается зависящим от абсолютной скорости V Земли:

. (3)

Для другого зеркала, движущегося параллельно V, время задержки:

T₁ не равно Т₂, и, следовательно, положение интерференционных полос на экране на выходе интерферометра должно зависеть от ориентации осей установки относительно вектора V.

Этот вывод казался настолько очевидным, что нулевой результат эксперимента обескураживал исследователей. Многочисленные попытки как-то улучшить этот эксперимент путем повышения точности измерений за счет увеличения длины плечей интерферометра, использования интерферометра с разной длиной плечей, а затем и использования лазеров давали все тот же нулевой результат.

Стало очевидным экспериментальным фактом, что время обхода светом плеча интерферометра не зависит от скорости движения Земли относительно «эфира». В силу субъективных обстоятельств было принято очевидное и лежащее на поверхности, но некорректное объяснение опыта Майкельсона. Поскольку опыты безусловно дают нулевой результат, то было признано, что результирующая фазовая скорость света, воспринимаемого приемником, вообще на зависит от его движения относительно световой волны, а «эфира» не существует. Так был принято ошибочное положение (которое в учебниках излагают как экспериментальный факт [2]) о том, что вопреки «здравому смыслу» скорость света всегда постоянна и изотропна независимо от скорости движения регистрирующего прибора V. То есть c+V= c-V = c. В этом случае отсутствие сдвига интерференционных полос в опыте Майкельсона становится очевидным.

Следует отметить, что нулевой результат опыта Майкельсона, при его трактовке, принятой в СТО, соответствует механическому принципу относительности Галилея, если его обобщить и на световые явления. Утверждение о постоянстве и изотропии скорости света в инерциальной системе отсчета стало краеугольным камнем СТО, который превратился в догму и многие годы в рецензируемых изданиях не подлежал критике или обсуждению.

Однако, как показано ниже, опыт Майкельсона имеет иное, корректное объяснение. Свет – это волна, фазовая скорость которой равна произведению длины волны λ и частоты ν: c = λν. Поэтому в любых интерференционных опытах необходимо учитывать, что изменение результирующей скорости волны будет приводить к пропорциональному изменению регистрируемой длины волны света. То есть в движущейся с постоянной скоростью относительно световой волны системе отсчета существует анизотропия как фазовой скорости, так и длины волны света, а частота световых колебаний постоянна. Поэтому в экспериментах типа опыта Майкельсона анизотропия скорости света принципиально не наблюдаема.

Можно отметить, что игнорирование этого факта до сих пор приводит к новым безуспешным попыткам измерения абсолютной скорости Земли на основе различных модификаций интерферометров, а неудачные результаты этих экспериментов объявляют новыми подтверждениями СТО.

Классическое корректное объяснение опыта Майкельсона

Классические преобразования, описывающие преобразование длин волн и скоростей, регистрируемых движущимся прибором, называют преобразованиями Фогта или Галилея-Фогта:

. (6) ,(7)

Нетрудно заметить, что, если разложить знаменатели выражений (7) в ряд (что можно делать в случае V/c << 1) и ограничится первым членом разложения, то выполняется правило арифметического сложения скоростей с₁ = с – V, а с₂ = с + V.

Среднее геометрическое от встречных длин волн что по форме совпадает с известным лоренцовским сокращением длин в движущейся со скоростью V системе отсчета, которое, очевидно, не наблюдаемо.

Если система отсчета (прибор) движется относительно световой волны со скоростью, близкой к с, то в соответствии с (7) результирующая скорость света обращается в бесконечность для встречного движения и с/2 для попутного движения. Это соответствует известному факту, что движение материального тела (или прибора) со скоростью, света в вакууме невозможно. С другой стороны, формулы (7) показывают, что в релятивистском случае (V ~ c) не справедливы, как простое арифметическое сложение скоростей (ввиду предельного характера скорости света в вакууме), так и формула СТО релятивистского сложения скоростей. В соответствии с последней результат такого сложения всегда равен с, то есть скорость света в вакууме изотропна независимо от скорости системы отсчета.

Подстановка скоростей (7) в формулу для времени обхода светом плеча интерферометра Майкельсона (4) дает:

. (8)

Это время оказывается не зависящим от абсолютной скорости интерферометра, что и соответствует наблюдениям.

Таким образом, вывод о том, что опыт Майкельсона подтверждает соотношение c = const. для любой инерциальной системы отсчета оказывается неверным. Нулевой результат опыта Майкельсона может быть объяснен симметричной анизотропией скорости света и длины волны в инерциальных системах отсчета, то есть соотношениями (6), (7) и (8). Длина отрезка, измеряемая с помощью любого интерференционного прибора в длинах волн излучения, как при движении по замкнутым траекториям, так и при распространении света вдоль прямой оказывается инвариантом не зависящим от абсолютной скорости Земли и, следовательно, ориентации оси прибора.

Некоторые эксперименты, по-видимому, свидетельствуют о возможности измерения анизотропии скорости и длины волны света, испущенного не только космическим, но и земным источником непосредственно в лаборатории.

Дата добавления: 2014-01-13