Виталий Тихоплав - Физика веры

Например, бурное развитие волновой теории света заставило наделить эфир просто фантастическими свойствами. Когда англичанин Томас Юнг и француз Огюстен Френель пришли к выводу, что свет представляет собой не продольные, а поперечные колебания, им было трудно осмыслить результат как реальный. Чтобы обеспечить движение поперечных световых волн со скоростью, определенной достаточно точно еще в XVII веке, эфир должен был обладать фантастической упругостью. Большей, чем самая упругая сталь. Упругость же – свойство, прежде всего, твердого тела, да и то не всякого. В то же время эфир должен быть для света прозрачнее, чем любой газ, и не должен мешать движению звезд и планет.

Каждое новое достижение волновой теории света заставляло наделять эфир все новыми и новыми свойствами. Это – с одной стороны, а с другой – не было и экспериментов, которые позволили бы отрицать эфир. Постепенно, однако, объяснения световых явлений на основе эфирной гипотезы стали выглядеть все более искусственными. Стало складываться убеждение о несовершенстве основ классической физики. С целью выхода из кризиса был взят курс на разработку специальной физики – физики больших скоростей, близких к скорости света (релятивистская физика).

В первую очередь следовало проверить действенность основных положений классической физики при световых и околосветовых скоростях.

Классическая физика базируется на трех законах Ньютона, причем все законы вытекают как частный случай из законов общей теории. Классическая физика, таким образом, представляет собой пример великолепно разработанной теории, детали и общие принципы которой не претерпевают никаких изменений или исправлений уже несколько столетий.

В основе классической физики лежит абсолютность пространства и времени, согласно которой ход времени (длительность его единицы, например, секунды) и размер тела (величина единицы длины, например, метра) неизменны в любых системах отсчета и не зависят от того, покоится система отсчета или движется каким-либо образом.

Важнейшей основой классической физики является также принцип относительности Галилея, утверждающий, что опыты, проводящиеся в неподвижной системе, и такие же опыты, проводящиеся в системе, движущейся равномерно и прямолинейно, дадут одинаковые результаты, то есть все законы механики сохраняются для любых инерциальных систем отсчета. Инерциальные системы отсчета – системы, свободные от внешних воздействий и которые, следовательно, движутся равномерно прямолинейно или находятся в состоянии покоя [18, с. 220].

И, наконец, к основным положениям классической физики относится правило сложения скоростей: если источник движения, сообщающий телу скорость, или среда, в которой тело движется со скоростью U , имеют в том же направлении скорость V относительно неподвижного наблюдателя, то скорость тела W относительно этого наблюдателя определяется правилом сложения скоростей, согласно которому W = V + U [20, с. 24].

Прежде всего, возник вопрос о справедливости правила сложения скоростей при световых явлениях. Для его решения необходимо было провести эксперимент по сложению скорости движения среды (например, воды) со скоростью распространения света в этой среде. Но как провести такой эксперимент? Трудности его проведения заключались в том, что скорость света в воде U = c / n = 225 000 км/c, где с – скорость света в вакууме, c = 300 000 км/с; n – показатель преломления воды, n = 1,33. Скорость воды можно было бы сделать примерно 10 м/с, что в десятки миллионов раз меньше скорости света. Поэтому такой эксперимент долго не удавалось осуществить.

Но оказалось, что указанное небольшое изменение скорости света можно измерить, если использовать явление интерференции. Интерференция – это сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы: волн на поверхности жидкости; упругих (например, звуковых); электромагнитных (например, радиоволн или световых). Причем интерферируют только когерентные волны, то есть волны, имеющие постоянную разность фаз во времени [70, с. 290]. Такими когерентными волнами-лучами являются, например, лучи, исходящие из одной точки источника света. Если два луча от одной точки источника света пустить по разным направлениям, а затем привести в одну точку, то в этой точке будет происходить интерференция света; если разность хода лучей, измеренная в количестве совершенных полуволн, составит четное число, то происходит сложение энергий этих лучей, и точка будет наиболее светлой; если же разность хода составит нечетное число полуволн, то энергии лучей вычитаются, и точка будет наиболее темной.

Таким образом, в зависимости от разности хода лучей освещенность в точке их встречи будет меняться. Зная длину волны света (от 0,4 микрона до 0,7), можно рассчитать, какую величину изменения скорости света можно измерить. Расчеты показали, что можно сделать установку, позволяющую определить изменение скорости света на одну стомиллионную долю, что даже лучше, чем требуется.

Такую установку впервые изготовил, а затем осуществил на ней уникальный опыт в 1851 году известный французский физик А. И. Физо.

В установке Физо луч от источника света с помощью полупрозрачной пластины разделялся на два луча, один из которых, отражаясь от зеркала, проходил через текущую воду по направлению ее движения, а второй – против движения. Скорость движения воды изменялась от 0 до 7 м/с. Оба луча направлялись далее в интерферометр, где наблюдалась интерференционная картина. По смещению интерференционных полос определялась разность времени прохождения лучей света в движущейся воде (по течению и против течения) [18, с. 818].

Результаты опыта оказались неожиданными: сложение скорости света в воде со скоростью движения воды не соответствовало требованию классической физики:

W = V + U.

Опыт показал, что сложение скоростей происходит по соотношению:

W = U + V (1–1/n),

где n – показатель преломления воды; n = 1,33.

Многократно проверенный опыт давал все время один и тот же результат. Он показывал, что скорость света не подчиняется правилу сложения скоростей. Напрашивался вывод, что классическая физика при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, неверна.

Чтобы спасти классическую физику, ученые приняли гипотезу о движении света в эфире, находящемся между частицами воды и воздуха. Если предположить, что эфир не увлекается частицами вещества при их движении или увлекается частично в зависимости от величины показателя преломления, то становится понятным объяснение опыта Физо с позиций классической физики: скорость движения частиц вещества не передается полностью находящемуся между частицами эфиру и поэтому не складывается со скоростью света в эфире в соответствии с правилом сложения скоростей, и для среды с показателем преломления, близким к единице, эфир остается неподвижным.