Об эфирном ветре и эксперименте Майкельсона-Морли

Представь себе реку, в которой вода течет в определенном направлении: бросив камень, образуется волна, расходящаяся по всем сторонам. При этом часть волны, которая распространяется по движению реки, будет увеличиваться, а часть, которая сталкивается с движением реки, будет уменьшаться. Такую же аналогию можно провести и со звуками во время ветра. Потому люди решили применить земные наблюдения на больших масштабах. Появилась гипотеза эфира и эфирного ветра, который дует в космическом пространстве. Логично подумать, что свет, распространяющийся против движения эфирного ветра, будет медленнее, чем тот, который находится «на волне». Эфир за это и любили и будут любить, и как бы его не отрицала современная наука и не боготворили фрики из глубоких интернетов – он будет продолжать оставаться актуальным и интересным еще долгое время хотя бы в качестве интеллектуального «научного экспоната» и интуитивного примера для понимания основных космологических идей. Об эфире будет отдельная статья.

В фиксации разницы скоростей света и состоит опыт Майкельсона-Морли. Для понимания того, что это за опыт такой, нужна теория. Обратимся к современной формулировке эксперимента Майкельсона-Морли (фрагмент elementy.ru):

«Свет не нуждается в светоносном эфире для распространения в пространстве. В 1887 году Альберт Майкельсон и Генри Морли провели эксперимент с целью подтвердить существование эфира»

Невероятно запутанно, не так ли? Именно по этой причине я долгое время считал, что опыт Майкельсона-Морли как раз и хотел подтвердить существование эфира. Но нет. Альберт Майкельсон (1852-1931), автор идеи создания эксперимента, хотел проверить на верность противоречащие теории Френеля и Стокса. Френель утверждал, что эфирный ветер существует. Стокс же считал, что эфирного ветра не существует и что Земля увлекает за собой эфир посредством перемещения в пространстве.

Чтобы понять подробнее, о чем идет речь, предлагаю взглянуть на иллюстрацию (1) ниже. На ней изображен путь Земли относительно Солнца за один астрономический год, а также два положения Земли интервалом в полгода (1/2T и T). Направленными линиями обозначено движение эфирного ветра относительно нашей системы.

Майкельсон считал, что сможет доказать или опровергнуть существование эфирного ветра (повторюсь: не самого эфира) путем замера интерференционной картины в два подхода: первый эксперимент проводился в момент T = 0 (лет), когда Земля двигалась против гипотетического эфирного ветра, а второй – в T = 0.5 (лет), когда Земля двигалась по направлению ветра. Для проведения опыта использовался интерферометр, в создании которого особое участие принял Морли (сейчас: интерферометр Майкельсона), упрощенная схема которого изображена на иллюстрации (2) ниже (не буду описывать ранее проведенный в 1881 году самим Майкельсоном эксперимент, так как его результаты были с допущением больших погрешностей). Из источника летел поток фотонов и натыкался на светоделительное зеркало 1, где разделялся пополам: одна часть отражалась под прямым углом, другая проходила насквозь. В конце пути каждого потока находилось еще одно зеркало, от которого свет отражался и направлялся обратно, вновь встречаясь с светоделительным зеркалом. Прошедший насквозь поток вновь делится пополам и одна из его частей отражается под углом 90 градусов. Ранее отраженный поток также делится пополам и одна из его частей проходит насквозь так, что движение двух потоков совпадает. На экран или матрицу проецируется интерференционная картина. Вся конструкция находилась на каменной плите и кольцеобразном деревянном плоту. Плот плавает на ртути.

В опыте сравнивались времена прохождения света от источника к зеркалу и обратно при параллельном и ортогональном направлении к орбитальной скорости планеты. Введу алгебру и объясню математическим языком (ниже фотография и ссылка на pdf-файл со всеми формулами):

При параллельном пути света к скорости Земли свет преодолевает путь S от источника до зеркала за время:

τ1 = S/(c-V),

и путь S от зеркала до наблюдателя за время:

τ2 = S/(c+V),

где c – скорость света, V – орбитальная скорость движения Земли.

Итоговое время для преодоления пути 2S равно:

τп = τ1+ τ2 = (S/(c-V))+(S/(c+V)) = (2L/c)×(1/(1-(v^2/c^2)))

В случае ортогонального направления время находим по формуле:

τо = (2L’)/c = (2L/c)×(1/sqrt*(1-(v^2/c^2))

где L’ равно:

L’ = sqrt*(L^2+((Vτ)^2)/2

Как видим, τп не равно τо. Разность хода в этом случае составит:

L = c(τп- τo)

При подстановке c = 300 000 км/с и v = 30 км/с разность хода составит 24 нм. Ученый рассчитывал получить именно это значение. При длине волны 590 нм (желтый свет) и расстоянии пройденного света 11 м (2×10^7 длин волн желтого света) расхождение составило бы примерно 0.04. Но Майкельсон, как мы уже знаем, получил такое значение, которое противоречило теоретическим выводам: интерференционные картины двух попадающих на экран волн совпадали, сдвиг полос составлял всего 0.001 и находился в пределе ошибки измерений. В 1956 году советский ученый Вавилов в «Экспериментальных основаниях теории относительности» сделал вывод, что на результат измерений влияет множество факторов: например, изменение атмосферного давления и температуры – в таком случае максимальное смещение составит всего 1/10 от теоретического.

Опыт неоднократно повторялся в разные годы и в разных положениях интерферометра, что никак не влияло на конечный результат. Вывод был сделан такой: эфирный ветер либо не влияет на скорость распространения световой волны (его скорость составляет доли от орбитальной скорости Земли), либо его как такового не существует.

Теория Стокса – cool? По сей день (спустя полтора века после проведения первого эксперимента!) нахожу комментарии по типу: опыт считается провальным, потому что проводился в закрытом помещении (с припиской: под землей), где эфирный ветер отсутствует или его влияние на фотон ничтожно. В 1897 году Майкельсон провел другой эксперимент с целью ответить критикам: он измерил скорость эфирного ветра на вершине горы. Вновь результаты ничего не показали. И теория Стокса также канула в лепту. Лоренц придумал объединить некоторые выводы теорий Френеля и Стокса, при которых скорость эфирного света относительно световой очень мала. Насчет лоренцовой теории до сих пор нет единого мнения.

Примечание: как считаешь, целесообразно ли проводить этот эксперимент на космическом интерферометре (например, eLISA)? Далее я расскажу о том, как противоречие ньютоновской механики и максвелловской электродинамики привело к созданию Специальной теории относительности, о том, как можно объяснить результаты опыта, об эксперименте Роя Кеннеди, а также выступлю с критикой СТО.

PDF-файл со формулами в стандартном виде (ссылка).

Список литературы:

1. «6.2. Опыт Майкельсона – Морли» [online.mephi.ru]
2. «Эксперимент Майкельсона – Морли» [philsci.univ.kiev.ua]
3. «Опыт Майкельсона – Морли» [elementy.ru]
4. «Опыт Майкельсона – Морли» [Косарева О.Г. / teach-in / YouTube]
5. «Опыт Майкельсона» [Википедия]
6. «Об относительном движении Земли и светоносного эфира» [А.А. Майкельсон, Э.В. Морли, 1887]
7. «Относительное движение Земли и светоносный эфир» [А. Майкельсон, 1881]

(с) Вселенная Айлашкерского, 2020