15. Концепция анализа эксперимента Майкельсона-Морли.

15. Концепция анализа эксперимента Майкельсона-Морли.

***

Аннотация

      В статье показана ошибочность тех  выводов, которые были сделаны из результатов экспериментов Майкельсона-Морли.

***

       Современная космологическая физика базируется, в частности, на следующих двух постулатах:

1. Скорость света в вакууме в инерциальных системах отсчета является физической константой.

2. Гравитационная и инертная массы физических тел эквивалентны.

      Рассмотрим первый постулат. В 1885 г. Майкельсоном и Морли был поставлен эксперимент, который сыграл огромную роль в развитии физики пространства и времени. Принято считать, что этот эксперимент практически не оказал влияния на формирование идей при создании теории относительности (ТО). Это неверно. Приведем высказывание А.Эйнштейна, сделанное в 1927 г., т.е. много позже разработки специальной теории относительности (СТО): «Хорошо известно, что интерференционный опыт Майкельсона (а также Майкельсона и Морли) послужил могучим стимулом для создания ТО. Отрицательный результат этого опыта показал, что относительно инерциальной системы координат свет распространяется в пустоте с постоянной скоростью».

       В этот период появились результаты экспериментов со светом, указывающие на то, что скорость света в инерциальных системах отсчета все-таки изменяется. А. Эйнштейн внимательно следил за ними: «С этим результатом связано само существование или опровержение ТО…». Под результатом А. Эйнштейн здесь подразумевает возможность обнаружения изменения скорости света в инерциальных системах отсчета. Речь идет об экспериментах профессора Д. Миллера. Приведем выдержки из статьи А. Эйнштейна «Новые опыты по влиянию движения Земли на скорость света относительно Земли»: «…теоретики испытали сильное волнение, когда Д. Миллер, профессор из Кливленда, на основе многолетних тщательных опытов… пришел к иному результату. Именно Миллер нашел, что время, за которое свет проходит прямой и обратный путь, зависит от пространственной ориентации этого пути по отношению к неподвижным звездам. При этом его экспериментальная установка сама по себе была более совершенной, чем у Майкельсона и Морли, т.к. длина сравниваемых световых путей составляла около 60 метров. Последние месяцы опыты были поставлены независимо и с разной аппаратурой в двух местах, а именно, Р. Дж. Кеннеди в Калифорнийском технологическом институте и А. Пиккаром и Э. Стахелем в Брюсселе. …как Кеннеди, так и Пикар… применили аппараты значительно меньших размеров чем Миллер. (Выделено автором). Кеннеди использовал световой путь длиной около 5 метров… Несомненной заслугой профессора Миллера является то, что опыты положили начало тщательной проверке важного эксперимента Майкельсона. Но результаты Миллера опровергаются опытами Кеннеди и Пиккара».

       В современной физике принята правильность позиции А. Эйнштейна, т.е. справедливость ТО и ошибочность позиции ее противников. Рассмотрим это обстоятельство.

     Существует следующая задача: для математического описания траектории движения космического объекта, движущегося в пространстве, необходимо обязательное использование трехмерной системы координат. Таких систем координат можно придумать бесконечное число. Выделяют класс систем координат, которые движутся относительно друг друга поступательно. Такие системы координат называются инерциальными. Возникает вопрос принципиального характера: равноправны ли инерциальные системы координат между собой, ведь скорость и направление их движения в пространстве различны? Кроме того, скорости их движения могут быть близкими к скорости света.

      Для проверки равноправия инерциальных систем координат за основу были взяты эксперименты со светом. Идея здесь заключается в следующем: если инерциальные системы отсчета не равноправны, то с помощью экспериментов со светом, возможно, удастся выделить какую-либо преимущественную систему координат. Другими словами, такую систему, в которой описание физических законов будет осуществляться наиболее простым образом. Самым известным экспериментом является эксперимент Майкельсона-Морли, осуществленный в 1885 году. Рассмотрим этот эксперимент. Голландский физик Лоренц в конце позапрошлого века показал, что если луч света проходит замкнутый путь, а точность измерения в опытах   b = V/С (где С – скорость света, V – скорость движения системы отсчета), то невозможно обнаружить опытом со светом движение системы отсчета относительно эфира. Эфиром в те времена называли межзвездную космическую среду. Современное название этой среды – вакуум. При этом Лоренц исходил из гипотезы неподвижного эфира, который частично увлекается движущимися сквозь него телами. Но если опыты позволяют производить измерения с точностью  (V/С)²,  то они дают возможность обнаружить в эксперименте изменение скорости света. С учетом этого обстоятельства Майкельсоном и Морли был поставлен соответствующий эксперимент, схема которого приведена на рис. 21.

      В эксперименте использованы:

И – источник света,

А1 – полупрозрачное зеркало,

А2, А3 – отражательные зеркала,

Э – экран.

       Расстояние от полупрозрачного зеркала до отражающих зеркал обозначим  l.

Сущность эксперимента заключается в следующем. Источник света И посылает свет на полупрозрачное зеркало А1, на котором свет расщепляется на два луча. Первый – продольный луч, пройдя через зеркало А1, достигает зеркала А3 (А5 – положение зеркала в движущейся установке), отражается от него, возвращается к зеркалу А1(А4) и затем попадает на экран Э (на схеме экран Э изображен в установке, движущейся со скоростью V).

Рис. 21

        Второй луч, отразившись от зеркала А1, попадает на зеркало А2, отражается от него и, пройдя сквозь полупрозрачное зеркало А1 (А4), тоже попадает на экран Э, на котором оба луча образуют интерференционную картину.

       По замыслу экспериментаторов, если установка движется со скоростью  V,  относительно неподвижной системы отсчета (эфир, т.е. вакуум), то за время перемещения лучей света от полупрозрачного зеркала до экрана установка сместится, и зеркало А3 перейдет в положение А5, а зеркало А1 попадет в положение А4. За счет того, что лучи света движутся в продольном и поперечном направлениях, относительно скорости движения установки, т.е. условия их распространения неравноправны, возникает разность путей, проходимых световыми лучами в продольном и поперечном направлениях. При повороте установки на 90 градусов, т.е. замене продольного пути на поперечный, а поперечного на продольный, т.е. за счет изменения разности длин путей, проходимых лучами света, на экране должно происходить соответствующее смещение интерференционных полос. Это ожидаемое смещение полос было рассчитано, но в экспериментах не было обнаружено.

       Почему же этот эксперимент сыграл решающую роль при создании ТО? Суть дела заключается в следующем. В конце позапрошлого века физиками была высказана мысль, что переносчиком электромагнитного поля является физическая среда – эфир. Только для объяснения результатов различных наблюдений и экспериментов с участием световых фотонов оказалось, что эфир ведет себя по-разному. Для объяснения одних экспериментов, эфир должен был быть неподвижным, а для других – либо частично, либо полностью увлекаться движущимися сквозь него телами. Это противоречие было непримиримым. Для того чтобы понять поведение эфира и был поставлен эксперимент Майкельсона и Морли. Не все еще было понятно в поведении самого электромагнитного поля, но, опираясь на уравнения электромагнитной динамики Максвелла, считалось, что поведение электромагнитного поля полностью известно.

      Для того чтобы понять результат любого физического эксперимента, необходимо провести его теоретический анализ, затем, сравнивая результат, вычисленный теоретически, с результатом, полученным на практике, можно проверить правильность теоретических представлений о рассматриваемом физическом явлении. Правда, совпадение результатов, полученных теоретическим путем, с результатом, полученным из эксперимента, может носить и случайный характер. Негласно принято, что вероятность такого совпадения равна нулю. Поэтому, если эксперимент показал результат, совпадающий с теоретически вычисленным, то считается, что теория верна, т.е. получено ее практическое подтверждение. На практике вероятность такого совпадения нельзя считать равной нулю, т. к. это может привести к серьезным заблуждениям.

       Как было сказано выше, смещение полос в эксперименте не было обнаружено. Поэтому говорят об отрицательном результате, полученном в этом эксперименте. Так как результаты эксперимента всегда носят объективный характер, стало ясно, что теоретические представления физики того времени не соответствуют реальной действительности.

20 лет физики всего мира искали выход из этого тупика. Сначала Лоренцем было предложено при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую формально пользоваться следующими формулами преобразования:

 

X = (X’ + Vt’) / ;  t = (t’ +X’ β/С) /

Y =Y’

Z= Z’

      Затем, в 1905г., А. Эйнштейном было «узаконено» физическое применение формул преобразования Лоренца. В чем суть этого подхода? А. Эйнштейн предположил, что преобразование Лоренца носит не формальный характер, а является сутью физических представлений о времени и пространстве, т.е. замедление времени и изменение размеров физических тел по направлению движения инерциальной системы отсчета являются реальными физическими эффектами и для инерциальных систем отсчета носят объективный, а не формальный характер. Затем, введя принцип эквивалентности для ускоренных систем отсчета с гравитационным полем и расширив группу преобразований для ускоренных, как поступательных, так и вращающихся систем отсчета, А. Эйнштейн создал общую теорию относительности.

Рассмотрим ситуацию с экспериментом Майкельсона-Морли (М.М.) более подробно.

     В многократных повторных постановках этого эксперимента в одних случаях результаты подтверждали его первоначальные результаты, но в других, таких как эксперимент Миллера, осуществленный в 1925 г. (l  = 64 метра) в зависимости от высоты над уровнем моря, все-таки была обнаружена скорость движения установки в пространстве. Она оказалась зависящей от высоты, и при этом изменяется в пределах от 3 до 10 км/сек (исходя из расчета в соответствии с классическим анализом). 1929 год, эксперимент Майкельсона, Писа и Пирсона: l  = 26 метров, скорость   6 км/сек. Стаэль – скорость 7 км/сек и не зависит от высоты. В 2000 г. Ю.М. Галаев использовал фотоны с длиной волны, равной 0,8 мм. Скорость  1,4 км/сек.

     Возникает вопрос, почему же в одних случаях эффект наличия скорости движения лабораторной системы отсчета обнаруживается, а в других – нет? Предполагается, в частности, что здесь действует эффект экранировки фотонов объектами среды. Например, некоторые эксперименты проводились в вакууме, который создавался в металлических трубах.

     Существуют и другие эксперименты со светом по обнаружению скорости движения локальной системы координат. Такие как эксперименты с мазерами, где два генератора располагались под прямым углом, и затем их излучения смешивались в одной точке. Измерялось не изменение фазы, а изменение частоты биений, т.е. разностная частота сигналов. Такой эксперимент заведомо не мог дать положительного эффекта, т.к. необходимо осуществлять замер изменения именно фаз излучаемых электромагнитных колебаний.

     Тем не менее, известны эксперименты со светом, в которых получены уверенные смещения интерференционных полос. Это эксперименты Саньяка (1914 г.). В нем лучи света встречно проходили по замкнутому прямоугольному контуру, охватывая в пространстве площадь  S. Был надежно получен положительный эффект смещения полос. Отличием этого эксперимента от эксперимента М.М. является то, что в эксперименте Саньяка определяется скорость не поступательного, а вращательного движения экспериментальной установки относительно неподвижной среды, т.е. вакуума.

     Получается парадоксальная ситуация. В экспериментах со светом при попытке обнаружения существования абсолютной системы координат, связанных с вращением экспериментальной установки (Саньяк), абсолютная система координат обнаруживается, а в экспериментах, связанных с поступательным движением экспериментальных установок (М.М.), в одних экспериментах движение экспериментальных установок фиксируется, в других – нет. Таким образом не получается четкого, уверенного ни положительного, ни отрицательного результата.  Возникает вопрос, в чем тут дело?

       Рассмотрим более подробно физическую сущность эксперимента М.М. Проанализируем эффект излучения света движущимся источником, если свет излучается под прямым углом к направлению скорости движения источника света (рис. 22).

И – источник света,

Р_с – импульс фотонов, излучаемых неподвижным источником света;

Р_v – дополнительный импульс, сообщаемый фотону движущимся источником света;

Р_å – результирующий импульс фотона.

     Обратим внимание на следующее обстоятельство: импульс фотона строго пропорционален его частоте.

     При неподвижном источнике света он излучает фотоны с импульсом Р_c. При движении источника света фотонам сообщается дополнительный импульс Р_v. Результирующий импульс излучаемого фотона направлен под углом  a, определяемый векторной суммой векторов Р_c  и Р_v, а вот величина (модуль) результирующего импульса, с учетом физических особенностей фотона, определяется суммой    и проекцией вектора  Р_v на вектор   – это вектор .

        Если же возникает необходимость измерения частоты фотонов движущимся приемником (рис. 23), то при скорости движения приемника, точно соответствующей скорости движения источника, у  Р_å  происходит вычитание той части импульса, которая определена проекцией фиктивного импульса, образуемого скоростью движения приемника  V  на вектор Р_пр. Это вектор 

     Поскольку  , приемник воспримет фотоны с частотой, идентичной частоте фотонов, излучаемых неподвижным источником фотонов. Отметим, фактор постоянства частоты фотонов не зависит от ориентации источника и приемника относительно их общего направления движения. Вот почему в экспериментах с измерением частот генераторов электромагнитных волн нельзя обнаружить эффект наличия преимущественной системы координат.

    Рассмотрим эффект отражения фотонов от поверхности зеркала. Если материал зеркала частично не поглощает энергию фотонов и зеркало неподвижно, то частота отраженных фотонов будет точно равна частоте падающих на зеркало фотонов, и угол падения будет равен углу отражения и равен (90° –  a).

    Рассмотрим процесс отражения фотонов от поверхности зеркала, движущего со скоростью  V   (рис. 23). Поскольку материал зеркала не изменяет энергию фотонов, поэтому импульс падающего фотона по модулю будет точно равен импульсу отраженного фотона, но при отражении фотона он предварительно поглощается материалом зеркала и вовлекается в движение движущимся зеркалом. Это приводит к тому, что при вылете фотона с поверхности зеркала импульс фотона не изменяется по величине, но изменяется по направлению, в соответствии с правилами сложения векторов скоростей. Таким образом, при отражении от зеркала фотон приобретает дополнительный угол, примерно равный:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   Рис. 22                                                                                  Рис. 23

 

     Таким образом, возникает дополнительный угол отражения светового луча, примерно равный 20 секундам. Наличие этого дополнительного угла при отражении фотонов от поверхности зеркала носит принципиальный характер. Дело в том, что в классическом математическом анализе эксперимента М.М. этот угол отсутствует. Принципиальность наличия этого угла заключается в том, что он уменьшает эффект смещения интерференционных полос в установке М.М. Именно по этой причине не получается ожидаемого положительного эффекта в экспериментах. Несложно получить выражение для реального смещения интерференционных полос в экспериментальной установке М.М., но мы этого делать не будем по следующей причине: теоретический анализ эксперимента М.М. проведен поверхностно. Ожидаемый положительный эффект оказался завышенным. А в целом принятая схема эксперимента М.М. является чрезвычайно неудачной для целей эксперимента. Поэтому нет смысла использовать этот эксперимент ни для доказательства, ни для опровержения идеи существования неподвижного эфира.

     Возникает вопрос, если эфир, т.е. физический вакуум, действительно существует, то, несомненно, эксперименты со светом должны показать наличие такой неподвижной пространственной среды. Необходимо только подобрать соответствующую схему эксперимента. Приведем такую схему (рис. 24).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 24

 

И – источник света,

П1, П2 – полупрозрачные зеркала,

А1, А2 – два параллельно расположенных, относительно друг друга, отражающих зеркала,

Л1, Л2 – лучи света,

Э – экран,

l – расстояние между зеркалами А1 и А2.

       Суть эксперимента заключается в следующем. Источник света излучает луч, который на полупрозрачном зеркале П1 расщепляется на два луча: луч света Л2 распространяется в прямом направлении и, отразившись на полупрозрачном зеркале П2, попадает на экран Э; луч света Л1, отразившись на полупрозрачном зеркале П1, распространяется в поперечном направлении к поверхности зеркала А1. Отразившись от зеркала А1, луч света попадает на зеркало А2 и далее распространяется зигзагообразно, между параллельными зеркалами А1 и А2. После последнего отражения от зеркала А1 свет после полупрозрачного зеркала П2 смешивается с прямым лучом света и тоже попадает на экран Э, где образуется интерференционная картинка. При движении экспериментальной установки в пространстве в отраженном луче света появляется дополнительный угол  a¢, который удлиняет путь светового луча, если направление движения луча света и направление движения установки совпадают. Путь света укорачивается в поперечном зигзагообразном луче света, если направление распространения света и скорость движения экспериментальной установки противоположны. Это и дает эффект смещения интерференционных полос. При большом количестве зигзагообразных отражений света изменение длины пути луча света будет суммироваться, и поэтому эффектами, возникающими в прямом луче света, можно пренебречь.

    Условиями проведения такого эксперимента являются:

– открытый космос;

– открытая местность;

–максимальный уровень места проведения эксперимента относительно поверхности мирового океана.

     Существование эффекта увлечения фотонов движущимся зеркалом, поддается экспериментальной проверке. Для этого необходимо луч света направить на вращающееся зеркало и, изменяя скорость его вращения, фиксировать смещение отраженного луча света. С применением метода интерференции этот эффект в дальнейшем можно использовать для измерения с высокой точностью скорости либо поступательного, либо вращательного движения деталей конструкций, применяемых в различных технических устройствах.

Валерий Гребенников

http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html

8-928-16-00-581