Введение
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. Тогдаtв = 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 которойc # v = (c + v) / (1 + cv / c2) = (c - v) / (1 - cv / c2) = c,
где “
#” - 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:
Т
| | = t1 + t2 = L / (c - v) + L / (c + v) = 2Lc / (c2 - v2).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:T^ = 2L/c/(1 – v2 / c2)1/2 = Т| | = 2L/c/(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:
4. С. Маринов, "Экспериментальные нарушения принципов относительности, эквивалентности и сохранения энергии", Физическая мысль России, 1995. N2. C. 52-77. (
http://www.bourabai.kz/marinov/fmr.htm http://www.macmep.ru/marinov.htm)