Экспериментальные основания теории относительности. Опыты Саньяка, Майкельсона-Гэйла, Миллера
В статье рассматриваются известные опыты Саньяка, Майкельсона-Гэйла, Миллера. Показываются ошибки, допущенные при объяснении этих опытов. Обосновывается вывод о том, что единственным объяснением результатов опытов Саньяка является движение интерферометра относительно эфира, неподвижного в атмосфере
Земли, а также, что, вопреки общепринятому мнению, эффекты, наблюдаемые в опытах Майкельсона-Гэйла и Миллера, никак не связаны с движением Земли.Введение
Анализ результатов опыта Физо, целью которого было определение степени увлечения движущимися жидкостями, а также опыта Гарреса, целью которого было определение степени увлечения эфира твердыми телами, показывает, что вопреки общепринятому мнению результаты этих опытов не могут считаться надежным подтверждением истинности Френелевской формулы сложения скоростей:
в опыте Физо не учтено изменение скорости движения жидкости в поперечном сечении, а также то обстоятельство, что согласно Френелю, коэффициент увлечения в этом опыте должен быть равен 1 /
n2, а не 1 - 1 / n2;в опыте Гарреса не учтено, что часть пути лучи света проходят в неподвижном воздухе, а часть – во вращающемся кольце.
Наконец нужно учесть и то обстоятельство, что теория Френеля разработана на основе ошибочных результатов опыта Араго, поэтому не может считаться истинной. Следовательно, не может считаться истинной и формула сложения скоростей, основанная на этой теории; следовательно, не могут считаться достоверными и опыты, подтверждающие истинность ошибочной теории.
Вместе с тем, ни опыт Физо, ни опыт Гарреса не отвечают на вопрос о степени увлечения эфира вне движущихся тел или сред. Необходимость в таком опыте возникала в связи с тем, что для объяснения нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли предлагались гипотезы, согласно которым “…тела увлекают за собой эфир подобно тому, как Земля увлекает все находящиеся на ней тела и атмосферу” [1]. Цель опыта Саньяка как раз и заключалась в том, чтобы выяснить степень увлечения внешнего по отношению к движущемуся телу эфира.
Опыт Саньяка
В опыте Саньяка, схема которого представлена на рис. 1, лучи света движутся в воздухе, относительно которого интерферометр вращается с некоторой скоростью v.
Когда интерферометр неподвижен, время, затрачиваемое на обход замкнутого пути
ABCD, обратно пропорционально v. Когда интерферометр вращается, время, затрачиваемое на обход того же контура, обратно пропорционально величине c + v для луча света, движущегося в одном направлении, и величине c - v для луча света, движущегося в противоположном направлении. Опыт Саньяка был повторен Погани в 1925-1926 г.г. Как считает С.И.Вавилов, “Маленький интерферометр Саньяка обнаруживает... “оптический вихрь”, следовательно, он не увлекает эфира. Таково единственно возможное объяснение этого опыта на основе представления об эфире... Если бы явление Саньяка было открыто раньше, чем выяснились результаты опытов второго порядка, оно, конечно, рассматривалось бы как блестящее экспериментальное доказательство наличия эфира. Но в ситуации, создавшейся... после опыта Майкельсона, опыт Саньяка разъяснил немногое” [2], главным образом потому, что эти опыты не были доведены до своего логического завершения. По крайней мере, остался невыясненным главный вопрос: что такое интерферометр движущийся и что такое интерферометр неподвижный? Относительно чего измеряется скорость вращения интерферометра в этих опытах?Можно сказать, что скорость измеряется относительно неподвижных стен лаборатории, в которой выполнялся этот опыт, однако можно сказать, что скорость вращения интерферометра измеряется относительно воздуха, неподвижного относительно стен лаборатории. Тогда причиной изменения интерференционной картины является именно вращение интерферометра относительно окружающего его воздуха.
Предположим, например, что интерферометр установлен на одном из полюсов Земли. Будет ли вращение интерферометра вместе с Землей сопровождаться каким-либо эффектами? Есть основания считать, что не будет, так как никакими опытами не установлено влияние вращения Земли на результаты этих опытов (опыт Майкельсона-Гэйла будет рассмотрен ниже). Очевидно, что при одновременном вращении Земли, ее атмосферы и интерферометра никакого вращения интерферометра относительно окружающего её воздуха. Таким образом, причиной эффекта, наблюдаемого в опыте Саньяка, является именно вращение интерферометра относительно окружающего его воздуха. Вращение же интерферометра относительно стен лаборатории не имеет никакого значения.
Предположим, что опыты выполняются в вакуумной
камере, заполненной воздухом. Предположим, что интерферометр вращается вместе с вакуумной камерой. Будет ли в этом случае возникать интерференционная картина, соответствующая скорости вращения интерферометра вместе с камерой относительно стен лаборатории? Саньяк не выяснил этого. Надо полагать, что при вращении камеры находящийся в ней воздух будет вращаться стой же скоростью, что и камера. Так как и интерферометр вращается с той же скоростью, что и камера, движение интерферометра относительно окружающего его воздуха отсутствует. Поскольку мы предполагаем, что изменение интерференционной картины обусловлено вращением интерферометра относительно окружающего его воздуха, есть основания утверждать, что одновременное вращение интерферометра и камеры, внутри которой установлен интерферометр, не будет сопровождаться изменением интерференционной картины. Очевидно, что если камера неподвижна, неподвижен и воздух внутри камеры. Тогда вращение интерферометра относительно неподвижного воздуха в камере будет сопровождаться соответствующим изменением интерференционной картины, как и при вращении интерферометра вне камеры.Предположим, далее, что в камере создан вакуум. Будет ли вращение интерферометра относительно неподвижной камеры сопровождаться изменением интерференционной картины и в этом случае. Если будет, значит, причиной изменения интерференционной картины является именно вращение интерферометра относительно эфира (или вакуума) внутри камеры, так как мы установили, что при одновременном вращении интерферометра и камеры относительно стен лаборатории никакого изменения интерференционной картины не должно наблюдаться. Следовательно, вращение интерферометра относительно стен лаборатории здесь совершенно ни при чем. Заметим, что в опыте Саньяка “Во избежание … воздушных вихрей работать приходится при очень небольших скоростях” [2]. Очевидно, что при выполнении этого опыта в вакуумной камере скорость вращения интерферометра может быть достаточной большой, что позволит повысить достоверность и точность результатов.
Таким образом, вопреки общепринятому мнению, движение наблюдателя (интерферометра) относительно окружающего его эфира
всегда сопровождается вполне наблюдаемыми эффектами. Следовательно, отсутствие эффектов в каких бы то ни было экспериментах означает отсутствие в этих экспериментах движения относительно эфира, как это и произошло в эксперименте Майкельсона-Морли. Так же, как и в опыте Саньяка, отсутствие движения интерферометра относительно окружающего его воздуха в эксперименте Майкельсона-Морли не должно сопровождаться никакими эффектами, что и произошло на самом деле: инетрферометр, неподвижный относительно воздуха, оказывается неподвижным также и относительно эфира, заключенного в воздухе.Предположим, далее, что Саньяк несколько изменил схему своего опыта так, как это изображено на рис. 2. Как и прежде, луч света, проходя через полупрозрачное зеркало, расщепляется на два луча, движущихся во взаимно противоположных направлениях к непрозрачным зеркалам S1 и S2, отражаются от этих зеркал и, снова проходя через полупрозрачное зеркало, попадают на экран или в зрительную трубу, где наблюдается интерференционная картина. Интерферометр вращается относительно оси, проходящей через точку A.
Так как имеет место вращение интерферометра относительно окружающего его воздуха, есть основания утверждать, что вращение интерферометра будет сопровождаться изменением интерференционной картины, соответствующим скорости его вращения. Нетрудно увидеть, что схема этого опыта соответствует схеме известного опыта Майкельсона-Морли с той лишь разницей, что в опыте Майкельсона-Морли интерферометр вращается вместе с Землей относительно Солнца. Скорость движения интерферометра в опытах Саньяка составляет величину порядка нескольких метров в секунду, и при этом изменения интерференционной картины оказываются вполне наблюдаемыми. Скорость движения интерферометра в опытах Майкельсона-Морли составляет величину порядка 30 километров в секунду, и при этом никакого изменения интерференционной картины не наблюдается
. В предлагаемом опыте, как и в опыте Саньяка, имеет место движение интерферометра относительно воздуха, тогда как в опытах Майкельсона-Морли такого движения нет. Таким образом, имеются основания утверждать, что отсутствие движения интерферометра относительно воздуха означает то же самое, что и отсутствие движения интерферометра относительно вакуума или эфира. Следовательно, эфир, заключенный в неподвижной относительно Земли атмосфере, оказывается неподвижным так же, как и сама атмосфера.В 1925 г. Майкельсоном совместно с Гэйлем был выполнен опыт, целью которого было обнаружение “эфирного ветра”, обусловленного суточным вращением Земли. Схема опыта Майкельсона-Гэйла приведена на рис. 3.
Луч света, попадая на полупрозрачное зеркало
D, разделяется на два луча, движущихся во взаимно противоположных направлениях в трубах, проложенных по земле. Так как изменять скорость вращения установки в этом опыте невозможно, “... Майкельсон сделал два контура - большой DABCD... и малый DAB'C'D” [3]. Один из лучей света движется по контуру DABCD, второй - по контуру DAB'C'D. Поскольку BC равно B'C', то разность времен хода лучей в установке обусловлена разностью длин l = AB + CD и l' = AB' + C'D.Как отмечает С.И.Вавилов, “... площадь малого контура... настолько мала, что смещением, вызываемым вращением Земли…, можно пренебречь” [3]. В действительности, однако, это не так. Рассмотрим движение луча света, обходящего контур в направлении
DABCD. Предположим, что в трубе AB луч света движется в направлении движения “эфирного ветра”, обусловленного суточным вращением Земли. В этом случае скорость луча света будет равна c + v (v – линейная скорость суточного вращения Земли). В трубе CD этот же луч света движется против направления движения “эфирного ветра”, поэтому его скорость будет равна c – v. Средняя скорость движения этого луча по контуру DABCD будет равна(c + v + c – v) / 2 = c.
разность времен хода лучей обусловлена именно разностью длин
l и l'. При l' = 0 никакой разности времен не возникает.Для второго луча, обходящего контур в направлении
DCBAD, скорость в трубе CD будет равна c + v. В трубе AB скорость этого же луча будет равна c – v. Соответственно, средняя скорость движения этого луча по контуру DCBAD будет равна(c – v + c + v) / 2 = c.
Очевидно, что при движении лучей света только по большому контуру никакой разности хода времен, обусловленной суточным вращением Земли, возникнуть не
может. Разность времен хода лучей обусловлена именно разностью длин l и l'. Вместе с тем, поскольку лучи света движутся по периметру труб, площадь прямоугольников, образуемых трубами, не имеет никакого значения.При выполнении этого опыта наблюдалась интерференционная картина, соответствующая скорости суточного вращения Земли. Как считает Л.И.Мандельштам, опыт Майкельсона-Гэйла “Это повторение опыта Саньяка, но вращение установки обусловлено вращением Земли” [3]. В действительности, как мы знаем, в опыте Саньяка лучи света движутся в воздухе, относительно которого интерферометр вращается с некоторой скоростью. В опыте же Майкельсона-Гэйла лучи света движутся внутри труб, движущихся вместе с Землей, вследствие чего отсутствует движение контура относительно окружающего его воздуха. Известно, что в опыте Майкельсона-Морли интерферометр можно было установить так, чтобы положение одного из плеч прибора соответствовало направлению суточного вращения Земли. Чувствительность прибора и точность измерений в опыте Майкельсона-Морли были не ниже, чем в опыте Майкельсона-Гэйла, однако ни при каком положении интерферометра в опыте Майкельсона-Морли “эфирный ветер”, в том числе и обусловленный суточным вращением Земли, обнаружен не был. Точно так же и в опыте Майкельсона-Гэйла “эфирный ветер”, обусловленный орбитальным движением Земли, не был обнаружен, хотя направление суточного движения Земли почти параллельно направлению ее орбитального движения. Это дает основания утверждать, что и в опыте Майкельсона-Гэйла “эфирный ветер”, обусловленный суточным вращением Земли, также не был обнаружен.
В опыте Майкельсона-Морли лучи света движутся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Очевидно, что, изменяя длину одного из плеч прибора, можно получить интерференционную картину, соответствующую ожидаемой скорости “эфирного ветра”.
В опыте Майкельсона-Гэйла, где наблюдаемая интерференционная картина обусловлена именно разностью длин
l и l', всегда можно подобрать такие размеры AB' и C'D, чтобы наблюдаемая при этом интерференционная картина соответствовала ожидаемой скорости “эфирного ветра”. Не имеет значения, является ли совпадение размеров большого и малого контуров в опыте Майкельсона-Гэйла случайным, или же оно было преднамеренным, важно другое – “эфирный ветер”, обусловленный суточным вращением Земли, который не был обнаружен в опытах Майкельсона-Морли, не мог быть обнаружен и в опытах Майкельсона-Гэйла. Чтобы убедиться в этом, трубы, в которых движутся лучи света, нужно проложить в меридиональном направлении, т.е. в направлении, перпендикулярном направлению суточного вращения Земли. И в этом случае будет обнаружен эффект, обусловленный разностью длин большого и малого контура. Так как эффект зависит только от соотношения длин большого и малого контуров, размеры всей установки могут быть пропорционально уменьшены.Перейдем теперь к исследованию опыта Миллера. Как описывает этот опыт У.И.Франкфурт, в 1921 г. “... Миллер установил интерферометр... на горе Маунт-Вильсон на высоте 6000 футов. Был обнаружен дрейф эфира около 10 км/с в направлении на северо-запад. Возникло подозрение о том, что наблюдаемый эффект обязан происхождением магнитострикции. Стальная основа, несущая зеркала, была заменена алюминиевой и деревянной. Результат был тот же, что и раньше. Миллер истолковал результаты опытов так: обнаружен дрейф Земли относительно эфира... по направлению к созвездию Дракона. В 1926 г. Кеннеди построил интерферометр... Оптическая часть прибора помещалась в герметический металлический корпус... Скорости 10 км/с соответствовал сдвиг 0,008 полосы. В действительности сдвиг обнаружить не удалось. Последним из серии контрольных опытов был опыт, поставленный Иосом в 1930 г. в Иене. Интерферометр, смонтированный на кварцевом основании, помещался в герметический металлический кожух, из которого откачивался воздух. Верхняя граница регистрируемого эфирного дрейфа составляла 1,5 км/с... в 1933 г. в... статье об итогах своих работ Миллер отказался признать, что эксперименты последних лет отвергают его результаты. По
его мнению, во всех... опытах, где интерферометр был заключен в металлический корпус или помещался в комнатах с массивными стенами, ниже уровня Земли и т.д. были нарушены условия для свободного движения эфира” [1]. Так был ли обнаружен “эфирный ветер” в опытах Миллера или нет?Схема опыта Майкельсона-Морли ничем принципиально не отличается от опыта Миллера. В опыте Майкельсона-Морли при выполнении наблюдений интерферометр медленно вращался вокруг своей оси, при этом направление одного из плеч интерферометра оказывалось параллельным либо орбитальной скорости движения Земли, либо направлению скорости суточного вращения, либо направлению движения Земли, в котором впоследствии Миллер обнаружил какой-то эффект. Однако ни при каком положении прибора
“эфирный ветер” не наблюдался. Можно предположить, что чувствительность интерферометра в опыте Миллера значительно выше, чем в опыте Майкельсона-Морли. В действительности, чувствительность прибора в опытах Майкельсона-Морли оказывается вполне достаточной для обнаружения “эфирного ветра”, если бы движение Земли действительно сопровождалось возникновением в её атмосфере этого ветра. Однако ни в опыте Майкельсона-Морли, ни в опыте Миллера и ему подобных опытах никакого эфирного ветра обнаружено не было, и вот почему.Во всех этих опытах одно из плеч интерферометра направлено перпендикулярно направлению предполагаемого движения интерферометра относительно эфира. Если движение интерферометра относительно эфира действительно имеет место, то возникает эфирный ветер,
движущийся относительно Земли в направлении, обратном её действительному движению. Так бывает, например, когда флаг, вывешенный на мачте движущегося судна, отклоняется в направлении, обратном движению судна. Никто и никогда не наблюдал, чтобы флаг отклонялся против движения ветра. Так и в случае движения интерферометра относительно эфира: перпендикулярный луч должен отклоняться в направлении, обратном движению интерферометра относительно эфира, как это изображено на рис. 4.
Величина смещения перпендикулярного луча относительно точки
C, в которую этот луч попадает при отсутствии движения интерферометра относительно эфира, определяется следующим соотношением:СС’
= Lv/c.Однако ни в эксперименте Майкельсона-Морли, ни в эксперименте Миллера и других подобных экспериментах никакого отклонения перпендикулярного луча не наблюдалось – перпендикулярный луч попадает в ту же точку
C, в которую он должен был бы попасть при отсутствии движения интерферометра относительно эфира. Таким образом, ни в одном из этих опытов не наблюдалось никакого движения интерферометра относительно эфира. Наблюдаемый в опытах Миллера эффект никак не связан с движением Земли относительно мирового эфира.В опытах Миллера обращают на себя внимание следующие обстоятельства:
направление на созвездие Дракона, в котором наблюдается наибольший эффект, совпадает с направлением на северный магнитный полюс Земли - отсюда и возникло подозрение, что причиной обнаруживаемого в опытах Миллера эффекта является магнитострикция;
эффект уменьшается или исчезает вовсе, когда интерферометр помещается в металлический ящик, в комнатах с массивными стенами, ниже уровня Земли и т.д., - во всех этих случаях магнитное поле Земли ослабляется; ослабляется также и эффект, обнаруживаемый в опытах Миллера.
Перечисленные обстоятельства дают достаточные основания полагать, что эффект Миллера связан именно с магнитным полем Земли и означает, что скорость света в опытах Миллера в направлении вдоль линий магнитного поля Земли и в направлении, перпендикулярном этим линиям, оказывается различной. Не имеет значения, обусловлено ли это различие изменением коэффициента преломления газов, входящих в состав атмосферы, под воздействием магнитного поля Земли или же это различие обусловлено взаимодействием света, имеющего электромагнитную природу, с магнитным полем Земли, важно то, что эффект Миллера никак не связан с движением Земли – “эфирный ветер”, обусловленный движением Земли, не обнаруживается никакими опытами, что вполне соответствует опытам Саньяка - отсутствие движения относительно воздуха означает то же самое, что и отсутствие движения относительно эфира.
Опыты по обнаружению “эфирного ветра” в атмосфере Земли продолжаются вплоть до настоящего времени. В 1998 г., как об этом сообщается в [4], по схеме опыта Майкельсона-Морли был поставлен эксперимент с использованием радиоволн миллиметрового диапазона. Как и в опыте Миллера, максимальный эффект обнаруживался в направлении на северный магнитный полюс Земли. Таким образом, получено новое доказательство того, что в атмосфере Земли скорость света (или электромагнитных волн) вдоль направления силовых линий магнитного поля Земли и направлении, перпендикулярном к этим линиям, является различной, хотя автор, описывающий этот эксперимент, считает, что эффекты, обнаруженные в этом опыте, соответствуют движению Земли относительно эфира.
Заключение
Анализ результатов и методики проведения экспериментов Саньяка, Майкельсона-Гэйла, Миллера позволяют заключить следующее.
1. Внешний по отношению к движущимся телам эфир (эфир вне движущихся тел) совершенно не увлекается движением этих тел.
2. Эффект, наблюдаемый в эксперименте Саньяка, обусловлен движением интерферометра относительно эфира, неподвижного относительно атмосферы Земли (или неподвижного в атмосфере Земли). Таким образом, и движение эфира, увлекаемого движением жидкости относительно наблюдателя (экрана в опыте Физо), и движение наблюдателя относительно эфира (интерферометра в опыте Саньяка) сопровождается вполне наблюдаемыми эффектами даже при скорости движения, не превышающей несколько метров (или десятков метров) в минуту. Тогда отсутствие каких-либо эффектов в опыте Майкельсона-Морли означает отсутствие движения интерферометра относительно эфира, неподвижного в атмосфере Земли.
3. Движение интерферометра относительно эфира, неподвижного в атмосфере Земли, не есть абсолютное движение. Абсолютное движение – это движение безотносительно к чему бы то ни было, движение само по себе, не относящееся ни к какой системе координат. Такое движение, действительно, не может быть обнаружено никакими опытами. Однако, как показывают эксперименты Физо и Саньяка, и движение эфира относительно наблюдателя, и движение наблюдателя относительно эфира, если только такое движение имеет место в том или ином случае, вполне может быть обнаружено. Таким образом, нулевые результаты экспериментов Майкельсона-Морли и других экспериментов, целью которых было обнаружение Земли относительно эфира, находящегося за пределами атмосферы Земли, доказывают не отсутствие эфира как среды, заполняющей все бесконечно космическое пространство, а отсутствие движения эфира в атмосфере Земли.
4. Эффекты, обнаруживаемые в эксперименте Миллера, никак не связаны с движением Земли относительно эфира: луч света, движущийся перпендикулярно предполагаемому направлению движения Земли относительно эфира (или направлению движения эфира), попадает в ту же точку на отражателе (зеркале), в которую он должен был бы попасть при отсутствии такого движения. Вероятной причиной эффекта Миллера является изменение скорости света, движущегося в направлении вдоль силовых линий магнитного поля Земли или в направлении, перпендикулярном этим линиям.
Источники информации: