который невозмущённый световой эфир покоится.
Естественно было предполагать,что эфир заполняет всё пространство между
Солнцем и планетами,а так как с этим пространством уже была связана
абсолютная система отсчёта Ньютона,относительно которой Ньютон отсчитывал
абсолютное движение,то представлялось вполне естественным предположение,что
эфир покоится в этой системе отсчёта.
Представление об эфире как об особой тонкой гипотетической
среде,заполняющей всю нашу Солнечную систему и всё межпланетное
пространство в ней,существенно обогащало нью-
тонову чисто механическую небесную механику,изложенную в его “Принципах”,в
которой интерес проявился только к механическим,а точнее-геометрическим
характеристикам движения
планет и их спутников,под действием сил всемирного тяготения,в ньютоновой
абсолютной системе отсчёта.
Одновременно с представлением о покоящемся эфире в межпланетном
пространстве возникал вопрос о возможности измерения немеханическим
способом скорости Земли,движущейся
равномерно прямолинейно с постоянной скоростью в неподвижном эфире,т.е. с
помощью не механических,а оптических экспериментов.Согласно принципу
относительности Галилея,ме-
ханические эксперименты не позволяют этого сделать.Возникла,однако,теперь
надежда,что оптические эксперименты как раз и позволят какие-нибудь
эффекты,в которых проявлялась бы
указанная скорость.Всё дело только в том,чтобы изобрести какой-нибудь
такого рода эксперимент.
Вся эта проблема об измерении скорости Земли с помощью чисто
оптических,а позднее также и электродинамических экспериментов,производимых
на поверхности Земли,известна в ис-
тории науки под названием проблемы измерения “эфирного ветра”.
В теории этого ветра,с самого начала,приходилось выбирать одну из двух
гипотез,известных под именами гипотез Френеля и Стокса.
ГИПОТЕЗА ФРЕНЕЛЯ (1818 г.)
Земля движется сквозь неподвижный эфир,который вовсе не увлекается ею
или увлекается очень слабо,и поэтому наблюдатель на Земле должен ощущать и
регистрировать натекание
эфира на Землю,т.е. “эфирный ветер”,измеряя скорость которого можно
определить “абсолютную скорость” Земли в ньютоновом абсолютном
пространстве.
ГИПОТЕЗА СТОКСА (1845 г.)
Земля практически полностью увлекает с собой премыкающий к ней
эфир,подобно шару,движущемуся с постоянной скоростью в вязкой неподвижной
жидкости,который увлекает при-
мыкающую к его поверхности часть жидкости,и никакого “эфирного ветра”,по
крайней мере на самой поверхности Земли,а скажем,не высоко в
горах,наблюдаться не должно.
Обе гипотезы-Стокса и Френеля-о взаимодействии эфира с движущимся в нём
телом-оказались в состоянии количественно объяснить явление астрономической
аберрации звёзд и отри-
цательные результаты оптических экспериментов,произведённых на Земле с
целью измерения скорости Земли в межпланетном пространстве.Оптические же
явления,наблюдаемые в движу-
щихся прозрачных телах на Земле,смогла объяснить только гипотеза Френеля.
Первую попытку измерить скорость эфирного ветра предпринял Араго в 1810
г. Он решил обнаружить влияние движения Земли на преломление света,идущего
от звезды.С этой целью
он измерял разности зенитных углов одной и той же звезды.наблюдаемой в
телескоп непосредственно и через призму,т.е. попытался наблюдать изменение
угла преломления луча света от
звезды к призме,когда Земля (а значит,и призма) двигалась к звезде и (через
полгода) -от звезды.Араго ожидал измерить угол отклонения,равный,по его
оценке,2’.Но опыты дали отрица-
тельный результат.И тогда Араго обратился к Френелю с просьбой объяснить
этот неожиданный для него факт.В 1818 г. было опубликовано письмо Френеля к
Араго,в котором Френель
с единых позиций нашёл объяснение и отрицательного результата опыта Араго,и
объяснение астрономической аберрации.
Хотя Френель понимал,что допущение полного увлечения эфира движущейся
Землёй легко объясняет отрицательный результат опыта Араго,он его не
принял,так как должен был объяс-
нить также и результат опыта Брэдли по наблюдению аберрации звёзд.Поэтому
Френель,следуя предложению Юнга 1804 г., в основу своей теории взял
допущение о неподвижном,прак-
тически не увлекаемом движущейся Землёй эфире (так как показатель
преломления n воздуха очень близок к единице). Стеклянная призма Араго
(показатель преломления стекла n( 1,3),
однако,по предположению Френеля частично увлекала эфир.Френель теоретически
вывел значение коэффициента увлечения,равное 1-1/n2, где n-показатель
преломления стекла призмы.
При таком значении коэффициента увлечения Френель смог оьъяснить и
отрицательный результат опыта Араго,и опыта Брэдли по аберрации.
Физо в 1856 г. удалось измерить в земных условиях не только скорость
света в воздухе (практически совпадающую со скоростью в пустоте),но и
скорость света в воде,движущейся с не-
которой заданной скоростью V.Эксперимент состоял в изменении смещения
интерференционных полос в интерферометре,в плечи которого были помещены две
трубы с прозрачными торцами и с текущей по ним в противоположных
направлениях со скоростью V водой.
Эксперимент Физо показал,что наблюдаемый сдвиг интерференционных полос
соответствовал скорости света в движущейся воде относительно неподвижных
стенок труб,равной
Ccp.=c/n(v(1-1/n2),
где знак плюс соответствует движению светового луча и воды в одинаковом
направлении,минус-в противоположных,n-показатель преломления воды.
Попытками измерить скорость эфирного ветра на движущейся Земле
занимались многие крупные физики в последней четверти XIX в.,проводившие
для этого различные оптические и
электродинамические эксперименты.
Скорость света в пустоте равнв 300 000 км/c. Скорость движения Земли по
своей орбите равна 30 км/с.Следовательно, v/c=0,0001, v2/c2=0,00000001;
речь идёт об очень малых эффектах.
В 1871 г. Майкельсон,а в 1878 г. Майкельсон и Морли произвели
первый,ставший впоследствии знаменитым эксперимент второго порядка малости
по v/c - эксперимент Майкельсона,который потом неоднократно был повторен
другими исследоватлями.
Оптический прибор-знаменитый интерферометр Майкельсона - размещался на
тяжёлой каменной плите,которая плавала на ртути в бассейне в подвале
здания.Ориентируя этот прибор либо плечом L1 либо плечом L2 вдоль
направления движения Земли,не удалось наблюдать какого-либо различия в его
показаниях (это различие должно было выразиться в смещении
интерференционных полос,наблюдаемых в зрительную трубу),.т.е. не удалось
измерить скорость V движения Земли в межпланетном пространстве.
C. ПРОБЛЕМА ПРАВИЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРЕОБРАЗОВНИЙ ЛОРЕНЦА.
Проблема измерения скорости эфирного ветра в оптических экспериментах
получила новое своё развитие в последней четверти XIX в.,когда было
открыто,что свет имеет электромаг-
нитную физическую природу,что оптика является только частью другой более
фундаментальной и более глубокой физической науки-электродинамики.
Основы электродинамики сформулировал Максвелл в своём знаменитом
“Трактате” в 1873 г., играющем такую же основополагающую роль в
электродинамике,как “Принципы” Ньютона в механике.В этом труде были
сформулированы знаменитые уравнения Максвелла и была высказана гипотеза об
электромагнитной природе света-что свет является электромаг-
нитными волнами,-которая в 1888 г. была подтверждена
Г.Герцем,экспериментально открывшим электромагнитные волны радио- и СВЧ-
диапазона.
В теории Максвелла впервые в истории науки связывались между собой
электрические и магнитные явления с оптическими явлениями.Упругий эфир
Френеля превратился,таким обра-
зом, в носителя электромагнитных возмущений и электромагнитных волн,т.е.
стал электромагнитным эфиром,а элекрические и магнитные поля напряжённости
и индукции стали рассмат-
риваться как показатели напряжений и деформаций этого эфира.
Максвелл представлял себе электрические и магнитные поля и
электромагнитные волны механически-как возмущения гипотетической,хотя и
очень своеобразной,но всё же чисто механи-
ческой сплошной среды,наделённой особыми механическими св-вами;при этом он
считал,что эфир в пустоте и эфир в веществе имеют различные мех. св-ва.
Сам Максвелл считал,что его уравнения справедливы только для покоящегося
эфира,возмущениями которого являлись,по его представлениям,рассматриваемые
им электромагнитные
поля и волны.Систему отсчёта,в которой эфир покоится Максвелл связывал с
абсолютной системой отсчёта Ньютона.
Ур-ия Максвелла составлены для четырёх векторных ф-ий: E(x,y,z,t),
D(x,y,z,t) - напряжённости и индукции электрического поля, H(x,y,z,t),
B(x,y,z,t) - напряжённости и индукции маг-
нитного поля.Эти ф-ии характеризуют возмущение неподвижного
электромагнитного эфира.Изменяющиеся со временем электрическое и магнитное
поля не могут существовать по
отдельности - они образуют единое электромагнитное поле,представляющее
собой электромагнитные,в частности оптические волны.
Уравнения Максвелла имеют следующий вид:
rot E = -дB / дt , rot H = j + дD / дt , div D = р , div B = 0,
где j=j(x,y,z,t) - объёмная плотность элекрического заряда.
Как видим,уравнения Максвелла предполагают,что координаты x,y,z и время
t описываются в некоторой системе отсчёта,которая,по предположению
Максвелла является системой отсчёта, в которой невозмущённый
электромагнитый эфир покоится.
Попытками распространить уравнения Максвелла на произвольно движущиеся
материальные прозрачнные среды,которые как предполагалось в соответствии с
гипотезой Френеля
каким-то образом увлекали с собой эфир,занимались многие крупные физики
последней четверти XIX в.,но,пожалуй,больше всех Г.А. Лоренц.
Исследуя выведенные им на основе его электронной теории уравнения
Максвелла для движущейся среды,Лоренц в 1895 г. пришёл к удивительному
результату,-что с точностью до членов первого порядка малости по v/c,где v-
скорость движения системы отсчёта,c-скорость движения электромагнитных
волн,эти уравнения Максвелла можно строго математически
преобразовать к виду уравнений Максвелла для неподвижной среды,т.е. он
строго доказал,что уравнения Максвелла “не чувствуют” поступательного
движения системы отсчёта,если
только она движется с постоянной скоростью.
Лоренц получил тем самым объяснение отрицательных результатов
проведённых к тому времени экспериментов,показывающих,что с помощью
оптических и электродинамических
эффектов первого порядка по v/c,производимых с земными источниками
света,невозможно определить скорость движения Земли относительно
межпланетного пространства Ньютона.
Чтобы объяснить остающийся,однако, необъяснённым отрицательный результат
эксперимента Майкельсона-Морли второго порядка малости по v/c Лоренц и
независимо Фицдже-
ральд выдвинули знаменитую гипотезу о сокращении всех тел,движущихся в
абсолютном пространстве вдоль направления движения в отношении,зависящем от
скорости движения .
Если Lо- длина покоящегося тела,L-дли-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
