Опыт Физо и опыт Майкельсона

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Я лекция. Основы специальной теории относительности и релятивистская механика.

Фундаментальные опыты, лежащие в основе теории относительности. Принцип относительности Эйнштейна. Принцип постоянства скорости света.

Относительность понятия одновременности. Четырехмерное пространство-время.

Мировая точка. Мировая линия. Интервал. Преобразования Лоренца.

До сих пор мы предполагали, что источники, приемники и другие тела, относительно которых рассматривалось распространение света, неподвижны. Естественно заинтересоваться вопросом, как скажется на распространении света движение, например, источника или приемника световых волн. При этом возникает необходимость указать, относительно чего происходит движение. В акустике (см. т. I, §86) мы рассмотрели движение источника и приемника звуковых волн относительно среды, в которой эти волны распространяются. Выяснилось, что такое движение оказывает влияние на протекание акустических явлений (эффект Доплера) и, следовательно, может быть обнаружено.

Первоначально волновая теория рассматривала свет как упругие волны, распространяющиеся в некой среде, получившей название мирового эфира. После возникновения теории Максвелла на смену упругому эфиру пришел эфир — носитель электромагнитных волн и полей, Под этим эфиром подразумевалась особая среда, заполняющая, как и ее предшественник упругий эфир, все мировое пространство и пронизывающая все тела. Раз эфир представлял собой некую среду, можно было рассчитывать обнаружить движение тел, например источников или приемников света, по отношению к этой среде., В частности, следовало ожидать существования «эфирного ветра», обдувающего Землю при ее движении вокруг Солнца.

Обнаружение движения тел относительно эфира привело бы к появлению абсолютной системы отсчета, по отношению к которой можно было бы рассматривать движение всех других систем. В механике (см. т. I, § 17) мы познакомились с принципом относительности Галилея, согласно которому все механические явления протекают в различных инерциальных системах отсчета одинаковым образом¹). Из этого утверждения вытекает полная равноправность в механическом отношении всех инерциальных систем отсчета. Обнаружение эфира сделало бы возможным выделение (с помощью оптических явлений) особенной (связанной с эфиром), преимущественной, абсолютной системы отсчета. Тогда движение остальных систем можно было бы рассматривать по отношению к этой абсолютной системе.

Из сказанного вытекает, что выяснение вопроса о взаимодействии мирового эфира с движущимися телами имело большое значение. Можно было допустить три возможности: 1) эфир совершенно не возмущается движущимися телами; 2) эфир увлекается движущимися телами частично, приобретая скорость, равную α v, где v — скорость тела относительно абсолютной системы отсчета, α — коэффициент увлечения, меньший единицы; 3) эфир полностью увлекается движущимися телами, например Землей, подобно тому как тело при своем движении увлекает прилежащие к его поверхности слои газа (см. т. I, § 60). Однако такая возможность опровергается рядом опытных фактов, в частности существованием явления аберрации света. В § 4 мы видели, что изменение видимого положения звезд может быть объяснено движением телескопа относительно системы отсчета (среды), в которой рассматривается распространение световой волны.

Опыт Физо. В 1851 г. Физо, с целью выяснения вопроса о том, увлекается ли эфир движущимися телами, осуществил следующий опыт. Параллельный пучок света от источника S разделялся посеребренной полупрозрачной пластинкой Р на два пучка, обозначенных цифрами 1 и 2 (рис. 136). За счет отражения от зеркал М ₁, М ₂ и М ₃ пучки, пройдя в общей сложности одинаковый

путь - L, снова попадали на пластинку Р. Пучок 1 частично проходил через Р, пучок 2 частично отражался, в результате чего возникало два когерентных пучка 1 ' и 2 ', которые давали в фокальной плоскости зрительной трубы интерференционную картину в виде полос. На пути пучков 1 и 2 были установлены две трубы, по которым могла

пропускаться вода со скоростью и в направлении, показанном стрелками. Луч 2 распространялся в обеих трубах навстречу движению воды, луч 1 — по течению.

При неподвижной воде пучки 1 и 2 проходят путь L за одинаковое время. Если вода при своем движении хотя бы частично увлекает эфир, то при включении тока воды луч 2, который распространяется против течения, затратит на прохождение пути L большее время, чем распространяющийся по течению луч 1. В результате между лучами

возникнет некоторая разность хода и интерференционная картина сместится. Интересующая нас разность хода возникает лишь на пути лучей, пролегающем в воде. Этот путь имеет длину 2l. Обозначим скорость света относительно эфира в воде буквой v. Когда эфир не увлекается водой, скорость света относительно установки будет совпадать с v. Предположим, что вода при своем движении частично увлекает эфир, сообщая ему относительно установки скорость α u (u — скорость воды, α — коэффициент увлечения). Тогда скорость света та относительно установки для луча 1 будет равна v + α u, а для луча 2 равна v - α u. Луч 1 пройдет путь 2 l за время t₁ = 21/(v + α и), луч 2 — за время t ₂ = = 2 l /(v — α и). Таким образом, число полос, на которое сместится интерференционная картина при включении тока воды, составит:

Физо обнаружил, что интерференционные полосы действительно смещаются. Определенное из величины смещения значение коэффициента увлечения оказалось равным

(35.1)

где n — показатель преломления воды.

Таким.образом, опыт Физо показал, что эфир (если он существует) увлекается движущейся водой только частично.

Опыт Майкельсона. В 1881 г. Майкельсон осуществил знаменитый опыт, с помощью которого он рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер). В 1887 г. Майкельсон повторил свой опыт совместно с Морли на более совершенном приборе. Установка Майкельсона — Морли изображена на рис. 137. Кирпичное основание поддерживало кольцевой чугунный желоб с ртутью. На ртути плавал деревянный поплавок, имеющий форму нижней половины разрезанного вдоль бублика. На поплавок устанавливалась массивная квадратная каменная плита. Такое устройство позволяло очень плавно без толчков поворачивать плиту вокруг вертикальной оси прибора. На плите монтировался интерферометр Майкельсона (см. рис. 53), видоизмененный так, что оба луча, прежде чем вернуться к полупрозрачной пластинке, несколько раз проходили туда и обратно путь, совпадающий с диагональю плиты. Схема хода лучей показана на рис. 138. Обозначения на этом рисунке соответствуют обозначениям на рис. 53.

') Оптическую длину пути nl можно представить следующим образом: nl=(c/v)l = ct, где t — время, затрачиваемое лучом на прохождение пути l в среде с показателем преломления α. Тогда выражение для оптической разности хода принимает вид: Δ = n ₂ l ₂ — _n1l1= c(t ₂— t ₁).

Дата добавления: 2014-01-04