Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

Фиг. 143. Аберрация света звезд.

Чтобы капли падали на зонтик отвесно, вы должны наклонять его при беге или при ветре, если только ветер не несет воздух, а с ним и капли вслед за вами . (Если вы стоите под душем внутри мчащегося поезда, вам не придется наклонять зонтика.) Поэтому проведенные Бредли измерения аберрации говорили, что при движении Земли по орбите она перемещается в эфире в различных направлениях в пространстве со скоростью 30 км/сек.

Общее движение Солнечной системы в направлении каких-либо звезд остается незамеченным, ибо это дает постоянное отклонение направления на звезды, а Бредли измерял сезонное изменение наклона.

Опыт Майкельсона-Морли

Семьдесят пять лет назад были задуманы новые эксперименты для обнаружения абсолютного движения. Одним из наиболее известных и решающих был эксперимент, выполненный Майкельсоном и Морли в Кливленде. Он явился одним из первых великих научных достижений Нового Света. В своем эксперименте Майкельсон и Морли заставили два луча света, идущие в разных направлениях, «шагать в ногу». Здесь не было движущегося наблюдателя и фиксированного источника, как в случае Бредли и звезд. Как источник, так и наблюдатель перемещались в пространстве вместе с лабораторией, и экспериментаторы пытались обнаружить движение эфира, переносящего световые волны. Полупрозрачное зеркало расщепляло свет на два пучка, один из которых шел вертикально, а другой — горизонтально (фиг. 144).

Фиг. 144. Схематическое представление опыта Майкельсона-Морли.

Зеркала поворачивали пучки назад, и они, вновь соединяясь, давали интерференционную картину. Малейшее изменение времени пролета одного луча по сравнению с другим смещало бы эту картину. Предположим теперь, что в какое-то время вся аппаратура движется вверх. Внешний наблюдатель увидел бы, что луч света отклоняется «эфирным» ветром вверх или вниз, причем наклон для каждого из путей будет один и тот же. В другое же время года Земля как целое движется горизонтально, поэтому горизонтальному лучу понадобится больше времени, чтобы пройти путь в оба конца, чем вертикальному.

В обычных курсах вы найдете описание этого эксперимента. С помощью алгебры показывается, что если вся лаборатория движется сквозь «эфир», то свету понадобится больше времени на то, чтобы пройти вдоль потока и вернуться назад, нежели пройти поперек потока. Вы можете убедиться в этом на следующем примере. Пусть вместо света взад и вперед в клетке летает птица, а клетка движется относительно воздуха (фиг. 145 и 146).

Можно либо равномерно тащить клетку в стоячем воздухе, либо оставить, клетку в покое и создать эквивалентный поток воздуха в противоположном направлении (фиг. 147).

Остановимся на последнем варианте, но эту историю с тем же результатом можно пересказать и для движущейся клетки. Предположим, что скорость птицы относительно воздуха составляет 5 м/сек, клетка представляет собой квадрат 40 м х 40 м, а ветер дует со скоростью 3 м/сек. Чтобы пролететь от одного конца до другого и вернуться назад, птице требуется 10 сек + 10 сек [251], т. е. всего 20 сек. Но чтобы пролететь от одного конца до другого и вернуться назад, требуется

[40 м /(5–3) м/сек] + [40 м/(5 + 3) м/сек]

или 20 сек + 5 сек, т. е. большее время [252]. Посадите птицу в клетку наподобие только что описанной; время пролета птицы поперек и вдоль клетки скажет вам, насколько быстро относительно воздуха движется клетка. Конечно, можно воспользоваться двумя птицами. Поверните клетку в другом направлении, и время пролета птиц скажет вам, в каком направлении движется клетка и с какой скоростью. Подобный же эксперимент со звуковыми волнами в лаборатории, движущейся относительно воздуха, дал бы вам скорость лаборатории. Пусть в одном углу комнаты стоит горнист и подает сигнал, тогда время возвращения эха от противоположных стен выявит общее движение лаборатории или наличие ветра. (Разумеется, если эта движущаяся лаборатория закрыта со всех сторон и увлекает находящийся в ней воздух с собой, эхо не обнаружит никакого движения.)

Соответствующие опыты со световыми сигналами трудны, но интерференционная картина крайне чувствительна ко времени прохождения. Когда Майкельсон и Морли поставили такой опыт, а Миллер повторил его, ответ получился удивительным: никакого движения «эфира» нет . Опыты повторялись при разных ориентациях и в разные времена года всегда с одним и тем же ответом « движения нет ». Будь вы опытным ученым, вы бы сразу спросили: «А какова точность? Каковы ошибки?»

Ответ: «Они таковы, что позволили бы надежно определить скорость, равную 1/ 4скорости движения Земли вокруг Солнца, а в последних [253]опытах — 1/ 10скорости Земли».

Фиг. 148. Геометрия полета.

Аберрация тем не менее указывала на движение «эфира», равное 10/ 10этой скорости. Добавились данные других опытов, оптических, электрических. Вновь и вновь получался все тот же «нулевой результат». Налицо было явное противоречие.

АБЕРРАЦИЯ ЗВЕЗДНОГО СВЕТА. Попадающий в телескоп свет звезд через 6 месяцев меняет свой наклон

-> Земля движется по орбите вокруг Солнца сквозь «эфир»

ОПЫТЫ МАЙКЕЛЬСОНА, МОРЛИ, МИЛЛЕРА . Сравнение времени прохождения в оба конца световых сигналов в двух перпендикулярных направлениях; дифракционная картина не меняется при повороте прибора или смене времени года

-> Земля не движется сквозь «эфир» или полностью увлекает его

-

ПРОТИВОРЕЧИЕ

К этому добавляла свои неприятности и развивающаяся теория электричества, ибо уравнения Максвелла, по-видимому, написаны для токов и полей в абсолютном пространстве («эфире»). В отличие от законов Ньютона они изменяются преобразованиями Галилея, приобретая в движущейся лаборатории иной вид. Впрочем, придуманные Лоренцем преобразования сохраняют форму уравнений Максвелла и в случае движущегося наблюдателя. Они, по-видимому, согласуются с фактами; эффекты не зависят от того, что движется — магнит или катушка. При преобразованиях Лоренца опыты по электричеству дают сведения лишь об относительной скорости (что они и делают), но ничего не говорят об абсолютном движении. Однако от преобразований Лоренца страдает механика. Они превращают F= m∙ aи s= v 0+ 1/ 2 at 2 в столь необычную форму, что начинают противоречить наглядной относительности Галилея и простым законам Ньютона.

Для «объяснения» некоторых модификаций опыта Майкельсона-Морли было достаточно фитцджеральдова сокращения. Кеннеди и Торндайк, например, повторили его на приборе с неравными длинами плеч. Нулевой результат требовал лоренцева изменения масштаба времени и сокращения длин.