В своей работе “К электродинамике движущихся сред” А. Эйнштейн указал, что распространению принципа относительности на оптику и электродинамику содействовали и “неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды”. Эйнштейн никогда не указывал, какие именно
опыты он имел в виду. Появление специальной теории относительности (СТО) многими физиками было расценено как попытка объяснения отрицательного результата именно опыта Майкельсона-Морли, в котором, как полагают, вопрос о движении Земли относительно эфира был поставлен в наиболее прямой форме. Эта версия укоренилась в литературе, в частности, в учебной: очень удобно методически выводить СТО из опыта Майкельсона-Морли.
Как известно, цель опыта Майкельсона-Морли заключалась в определении скорости “эфирного ветра”, обусловленного движением Земли относительно эфира - гипотетической среды, заполняющей, как считал Майкельсон, все мировое пространство и свободно проходящей сквозь любые вещества и среды: твердые тела, жидкости, и уж конечно, газы. Посмотрим же, как именно теория относительности Эйнштейна объясняет нулевой результат данного эксперимента.
Эксперимент Майкельсона-Морли и его объяснение в СТО
Как известно, основной постулат своей теории относительности Эйнштейн изложил следующим образом:
"... не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя ...для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же электродинамические и оптические законы... Это предположение
(содержание которого в дальнейшем будет называться "принципом относительности") мы намерены превратить в предпосылку …".
Как показано в [1], утверждение Эйнштейна о том, что “…никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя” означает, по сути, утверждение о невозможности обнаружения абсолютного движения, т.е. движения относительно эфира. Ну, нельзя, так нельзя, только никакого отношения данный постулат к эксперименту Майкельсона-Морли не имеет: поскольку в этом эксперименте, безусловно,
имеет место движение интерферометра вместе с Землей относительно Солнца, необходимо объяснить, почему именно такое движение (относительное!) не сопровождается изменением интерференционной картины. Принцип же относительности, как его сформулировал Эйнштейн, не дает никакого ответа на этот вопрос, следовательно, к эксперименту Майкельсона-Морли не имеет никакого отношения. Более того, принцип относительности Эйнштейна не имеет отношения и к самой теории относительности.
Основываясь на представлениях теории относительности, лауреат Нобелевской премии по физике Л. Купер в [1] так объясняет нулевой результат эксперимента Майкельсога-Морли: “Предположим, что мы осмысливаем опыт, предназначенный для определения скорости с точки зрения движущегося прибора. Рассмотрим, например, время распространения импульса, движущегося параллельно направлению движения прибора. Мы могли бы сказать, что при движении вперед скорость света равна
c – v, а при обратном движении равна c + v. Тогда
tв =l / (c - v)
tн =l / (c + v)
и, как и раньше,
Т
| | = tв + tн = 2lc / (c2 – v2).
Однако результат опыта Майкельсона-Морли можно объяснить, если считать, что
Т
| | = 2l / c (независимо от величины v)”.
Да, но что дает нам право так считать? Как показано в [2], вся теория относительности построена на принципе или постулате, который Эйнштейн, как заправский цирковой фокусник, втащил в науку совершенно незаметным образом.
Известно, что уравнение распространения электромагнитного поля в неподвижной системе координат согласно Максвеллу имеет вид:
x2 + y2 + z2 = c2t2 (1)
Эйнштейн предположил, без всяких на то оснований, что в системе координат, движущейся вдоль оси
OX первой системы, уравнение распространения электромагнитного поля должно иметь вид:
x12 + y12 + z12 = c2t12 (2)
Нетрудно увидеть, что Эйнштейн предположил, что скорость света в неподвижной и движущейся системах координат есть величина постоянная и равная
c. Именно на основании этого предположения им выведена так называемая “релятивистская” формула сложения скоростей, согласно которой
#” - знак “релятивистского” сложения (вычитания) скоростей.
Посмотрим же, как эта формула объясняет нулевой результат эксперимента.
При проведении своего эксперимента Майкельсон считал, что время движения параллельного луча, движущегося от полупрозрачного зеркала до отражателя и обратно, равно:
С учетом же “релятивистской” формулы сложения скоростей это время должно быть равно:
Т
| | =t1 + t2 = L / (c # v) + L/(c # v) = L / c + L / c = 2L / c.
Таким образом, рассуждения Л.
Купера сводятся к тому, что вычисления суммы (разности) скорости света и любой другой скорости нужно выполнять с применением “релятивистской” формулы сложения скоростей, а не с применением формул сложения скоростей как векторов.
Применим “релятивистскую” формулу для вычисления величины (1 –
v2 / c2)1/2.
Согласно обычным формулам сложения скоростей (1 –
v2 / c2)1/2 = (c2 – v2)1/2 / c = [(c + v)(c - v)]1/2 /c. В этом случае T^ = 2L/c/(1 – v2 / c2)1/2.
Согласно “релятивистской” формуле мы должны записать [(
c # v)(c# v)]1/2 / c = (cЧc)1/2 / c = 1.
С учетом этого время
T^ окажется равным Т| | = 2L/c, что и наблюдается на самом деле.
Таким образом, формально “релятивистская” формула сложения скоростей обеспечивает равенство времен хода двух лучей в эксперименте Майкельсона-Морли, тем самым, и нулевой результат этого эксперимента.
Однако согласно теории относительности плечо интерферометра, параллельное его движению, сокращается пропорционально множителю (1 –
v2/c2)1/2. Учитывая это, получим:
Т
| | = 2L(1 – v2/c2)1/2 / c,
что не равно
T^ = 2L/c. Однако, учитывая, что применение “релятивистской” формулы сложения скоростей для вычисления значения коэффициента сокращения длины дает результат, равный 1 при любых значениях v < c, Т| | снова оказывается равным T^ . Таким образом, сокращение длины исключает “релятивистскую” формулу сложения скоростей и наоборот. Одновременное применение обоих этих положений СТО не обеспечивает нулевой результат эксперимента Майкельсона-Морли.
Вместе с тем, учитывая равенство единице множителя (1 –
v2/c2)1/2, преобразования Лоренца-Эйнштейна должны быть записаны в виде:
x’ = x – vt
t’ = t – vx / c2.
Можно показать (см. [2]), что эти уравнения вполне обеспечивают выполнение принципа постоянства скорости света, как его сформулировал Эйнштейн, однако теперь не возникает ни сокращения длины, ни прочих фокусов Эйнштейновской теории относительности.
Вместе с тем, согласно результатам серии опытов, выполненных С. Мариновым в 1984 году, скорость света в направлении, параллельном орбитальному движению Земли, равна
c (точнее, c / n) как при движении луча света “туда”, так и при его движении в обратном направлении. Таким образом, время Т| | оказывается равным 2L/c, а не 2Lc / (c2 - v2), как считал Майкельсон. Тогда, если мы по-прежнему считаем время T^ = 2L/c/(1 – v2 / c2)1/2, для равенства времен хода параллельного и перпендикулярного лучей необходимо предположить, что параллельное плечо интерферометра не сокращается, как это следует из преобразований Лоренца-Эйнштейна, а увеличивается (удлиняется) пропорционально множителю (1 – v2/c2)1/2:
Таким образом, ни постулаты СТО, ни ее основной аппарат – преобразования Лоренца-Эйнштейна, ни “релятивистская” формула скоростей, ни сокращение длины не дают однозначного и непротиворечивого объяснения нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли.
Заключение
Таким образом, вопреки общепринятому мнению, теория относительности не дает непротиворечивого объяснения нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли:
принцип относительности, как выясняется, не имеет к данному эксперименту никакого отношения, так как в этом эксперименте имеет место движение интерферометра относительно Солнца, которое, тем не менее, не сопровождается изменением интерференционной картины, соответствующей скорости этого движения;
“релятивистская” формула сложения скоростей исключает сокращение длины одного из плеч интерферометра и наоборот, сокращение длины исключает “релятивистскую” формулу;
применение же самой “релятивистской формулы к преобразованиям Лоренца-Эйнштейна совершенно изменяет их вид и самый физический смысл этих уравнений.
Источники информации:
Leon N. Cooper. Henry Ledyard Goddard University professor Brown University. An I
ntroduction to the Meaning and Structure of Physics. Harper & Row, Publishers New York, Evanston, London? 1968, 1970. (Имеется перевод: Л. Купер. Физика для всех. Том 2. Современная физика. “Мир”, 1974).
4. С. Маринов, "Экспериментальные нарушения принципов относительности, эквивалентности и сохранения энергии", Физическая мысль России, 1995. N2. C. 52-77. (
Знаете ли Вы, что такое "усталость света"? Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г. На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях. Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
