В XIX веке широко обсуждалась теория светоносного эфира как гипотетической среды распространения света. Важной частью этого обсуждения был вопрос о состоянии движения Земли относительно этой среды. Гипотеза сопротивления эфира касалась вопроса о том, увлекается ли светоносный эфир движущейся материей или нет. Согласно первому варианту между Землей и эфиром не существует относительного движения; согласно второму, существует относительное движение, и, следовательно, скорость света должна зависеть от скорости этого движения («эфирного ветра»), которая должна измеряться приборами, находящимися в покое на поверхности Земли. Конкретные модели эфира были изобретеныОгюстен-Жан Френель, который в 1818 году предположил, что эфир частично увлекается материей. Другой был предложен Джорджем Стоуксом в 1845 году, в котором эфир полностью увлекается внутри или вблизи материи.
В то время как почти стационарная теория Френеля, по-видимому, была подтверждена экспериментом Физо (1851 г.), теория Стокса, очевидно, была подтверждена экспериментом Майкельсона – Морли (1881, 1887 г.). Эта противоречивая ситуация была разрешена работами Хендрика Антуна Лоренца (1895, 1904), чья теория эфира Лоренца исключала любую форму увлечения эфира, и, наконец, работой Альберта Эйнштейна (1905), чья специальная теория относительности не содержит эфир как механическая среда вообще. [1] [2] [3]
Частичное перетаскивание эфира
В 1810 году Франсуа Араго понял, что вариации показателя преломления вещества, предсказываемые корпускулярной теорией, могут стать полезным методом измерения скорости света. Эти предсказания возникли из-за того, что показатель преломления такого вещества, как стекло, зависит от соотношения скоростей света в воздухе и в стекле. Араго попытался измерить степень, в которой частицы света будут преломляться стеклянной призмой на передней панели телескопа. Он ожидал, что будет диапазон разных углов преломления из-за множества различных скоростей звезд и движения Земли в разное время дня и года. Вопреки этому ожиданию он обнаружил, что не было никакой разницы в преломлении между звездами, между временем суток или временами года. Все, что наблюдал Араго, было обычной звездной аберрацией . [4]
В 1818 году Огюстен-Жан Френель исследовал результаты Араго, используя волновую теорию света. Он понял, что даже если бы свет передавался в виде волн, показатель преломления границы раздела стекло-воздух должен был бы изменяться, поскольку стекло двигалось через эфир, ударяя приходящие волны с разной скоростью при вращении Земли и смене времен года. Френель предположил, что стеклянная призма будет уносить с собой часть эфира, так что «… эфир находится в избытке внутри призмы». [5] Он понял, что скорость распространения волн зависит от плотности среды, поэтому он предположил, что скорость света в призме необходимо регулировать с помощью некоторого «сопротивления». Скорость света в стакане без регулировки дает:
Регулировка сопротивления дан кем-то:
Где плотность эфира в окружающей среде, - плотность эфира в стекле и - скорость призмы относительно эфира.
Фактор можно записать как потому что показатель преломления n будет зависеть от плотности эфира. Это известно как коэффициент сопротивления Френеля . Тогда скорость света в стекле определяется выражением:
Это исправление удалось объяснить нулевой результат эксперимента Араго. Он вводит концепцию в основном неподвижного эфира, который увлекается такими веществами, как стекло, но не воздухом. Его успех благоприятствовал волновой теории света по сравнению с предыдущей корпускулярной теорией.
Проблемы частичного увлечения эфира
Коэффициент увлечения Френеля был напрямую подтвержден экспериментом Физо и его повторениями. В общем, с помощью этого коэффициента можно объяснить отрицательный результат всех экспериментов по оптическому дрейфу эфира, достаточно чувствительных для обнаружения эффектов первого порядка (таких как эксперименты Араго, Физо, Хука, Эйри, Маскарта ). Представление о (почти) неподвижном эфире также согласуется со звездной аберрацией . Однако эта теория считается опровергнутой по следующим причинам: [1] [2] [3]
- Уже в 19 веке было известно, что частичное увлечение эфира требует, чтобы относительная скорость эфира и материи была различной для света разного цвета, что, очевидно, не так.
- Теория (почти) неподвижного эфира Френеля предсказывает положительные результаты экспериментами, которые достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать эффекты второго порядка. Однако эксперименты , такие как эксперимент Майкельсона-Морли и эксперимент Троутона-Noble , дали отрицательные результаты в пределах их погрешности и поэтому считаются опровержений эфира Френеля.
- В эксперименте Hammar , проведенном Густавом Вильгельмом Хаммаром в 1935 году, использовался интерферометр с общим ходом . Массивные свинцовые блоки устанавливались по обе стороны только одной ножки интерферометра. Такое расположение должно вызывать разное сопротивление эфира и, следовательно, давать положительный результат. Однако результат снова оказался отрицательным. [6]
Завершить перетаскивание эфира
Для Джорджа Стоукса (1845) модель эфира, на который полностью не влияет или лишь частично влияет движущаяся материя, была неестественной и неубедительной, поэтому он предположил, что эфир полностью увлекается внутри и вблизи материи, частично увлекается на большие расстояния. и покоится в свободном пространстве. [7] [8] [9] [10] Также Генрих Рудольф Герц (1890) включил полную модель сопротивления эфира в свою разработку теории электромагнетизма Максвелла, чтобы привести ее в соответствие с принципом относительности Галилея . То есть, если предположить, что эфир покоится внутри материи в одной системе отсчета, преобразование Галилея дает результат, что материя и (увлеченный) эфир перемещаются с той же скоростью в другой системе отсчета. [1]
Проблемы полного перетаскивания эфира
Полное перетягивание эфира может объяснить отрицательный результат всех экспериментов по дрейфу эфира (например, эксперимента Майкельсона-Морли). Однако эта теория считается ошибочной по следующим причинам: [1] [11]
- Эксперимент Физо (1851) показал лишь частичное увлечение света.
- Эффект Саньяка показывает, что два луча света, исходящие от одного и того же источника света в разных направлениях на вращающейся платформе, требуют разного времени, чтобы вернуться к источнику света. Однако, если эфир полностью затягивается платформой, этого эффекта не должно быть вообще.
- Оливер Лодж проводил эксперименты в 1890-х годах в поисках доказательств того, что на распространение света влияет близость больших вращающихся масс, и не обнаружил такого влияния. [12] [13]
- Это несовместимо с феноменом звездной аберрации . При звездной аберрации положение звезды при просмотре в телескоп меняет каждую сторону от центрального положения примерно на 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Эта величина поворота является величиной, ожидаемой при рассмотрении скорости движения Земли по своей орбите. В 1871 году Эйри продемонстрировал, что звездная аберрация возникает даже тогда, когда телескоп заполнен водой. Похоже, что если бы гипотеза сопротивления эфира была верной, то звездной аберрации не было бы, потому что свет перемещался бы в эфире, который двигался бы вместе с телескопом. Представьте ведро в поезде, которое собирается въехать в туннель, и капля воды капает из входа в туннель в ведро в самом центре. Капля не попадет в центр дна ведра. Ковш аналогичен трубе телескопа, капля - фотон, а поезд - земля. Если тащить эфир, то капля будет перемещаться вместе с поездом, когда она будет сброшена, и ударится по центру ведра на дне. Величина звездной аберрации,, дан кем-то:
- Так:
- Скорость вращения Земли вокруг Солнца v = 30 км / с, а скорость света c = 299 792 458 м / с, что дает = 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Наблюдается такое количество аберраций, что противоречит полной гипотезе сопротивления эфира.
Ответ Стокса на эти проблемы
Стокс еще в 1845 г. ввел некоторые дополнительные предположения, чтобы привести свою теорию в соответствие с экспериментальными результатами. Чтобы объяснить аберрацию, он предположил, что его несжимаемый эфир также является безвихревым, что дало бы, в связи с его конкретной моделью сопротивления эфира, правильный закон аберрации. [7] Для воспроизведения коэффициента увлечения Френеля (и, следовательно, для объяснения эксперимента Физо) он утверждал, что эфир полностью увлекается внутри среды, то есть эфир конденсируется, когда входит в среду, и разряжается, когда снова выходит из нее, что изменяет скорость эфира так же, как и скорость света, и приводит к тому же выражению, что и выражение Френеля. [8]
Несмотря на то, что теория аберраций Стокса в течение некоторого времени считалась жизнеспособной, от нее пришлось отказаться, потому что Лоренц утверждал в 1886 году, что когда эфир несжимаем, как в теории Стокса, и если эфир имеет такую же нормальную составляющую скорости, что и эфир Земля, у нее не будет такой же тангенциальной составляющей скорости, поэтому все условия, поставленные Стоксом, не могут быть выполнены одновременно. [14]
Гравитационное сопротивление эфира
Другой вариант модели Стокса был предложен Теодором де Кудром и Вильгельмом Вином (1900). Они предположили, что увлечение эфира пропорционально гравитационной массе. То есть эфир полностью увлекается землей и лишь частично увлекается более мелкими объектами на Земле. [15] И чтобы спасти объяснение Стокса аберрации, Макс Планк (1899) утверждал в письме к Лоренцу, что эфир может быть не несжимаемым, а сконденсированным гравитацией вблизи Земли, и это создаст условия, необходимые для теория Стокса («теория Стокса-Планка»). По сравнению с экспериментами, описанными выше, эта модель может объяснить положительные результаты экспериментов Физо и Саньяка, поскольку небольшая масса этих инструментов может лишь частично (или совсем не тащить) эфир, и по той же причине она объясняет отрицательный результат экспериментов Лоджа. Это также совместимо с экспериментом Хаммара и Майкельсона-Морли, поскольку эфир полностью увлекается большой массой Земли.
Однако эта теория была прямо опровергнута экспериментом Майкельсона – Гейла – Пирсона (1925 г.). Большое отличие этого эксперимента от обычных экспериментов Саньяка состоит в том, что измерялось само вращение Земли. Если эфир полностью увлекается гравитационным полем Земли, следует ожидать отрицательного результата, но результат был положительным. [11]
С теоретической точки зрения Хендрик Антун Лоренц заметил , что гипотеза Стокса-Планка требует, чтобы на скорость света не влияло увеличение плотности эфира в 50 000 раз. Так что Лоренц и сам Планк отвергли эту гипотезу как маловероятную. [1] [16]
Лоренц и Эйнштейн
Поскольку Лоренц был вынужден отказаться от гипотезы Стокса, он выбрал модель Френеля в качестве отправной точки. [ необходимая цитата ] Он смог воспроизвести коэффициент увлечения Френеля в 1892 году, хотя в теории Лоренца он представляет собой модификацию распространения световых волн, а не результат увлечения эфира. Следовательно, эфир Лоренца полностью неподвижен или неподвижен. Однако это приводит к той же проблеме, которая уже затрагивала модель Френеля: она противоречила эксперименту Майкельсона – Морли. Поэтому Джордж Фрэнсис Фицджеральд (1889) и Лоренц (1892) ввели сокращение длины , то есть все тела сокращаются по линии движения на коэффициент. Кроме того, в теории Лоренца преобразование Галилея было заменено преобразованием Лоренца . [17]
Однако накопление гипотез по спасению концепции стационарного эфира было сочтено очень искусственным. Таким образом, Альберт Эйнштейн (1905 г.) признал, что требуется только принять принцип относительности и постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета , чтобы развить специальную теорию относительности и вывести полное преобразование Лоренца. Все это было сделано без использования концепции стационарного эфира. [18]
Как показал Макс фон Лауэ (1907), специальная теория относительности предсказывает результат эксперимента Физо на основе теоремы сложения скоростей без необходимости в эфире. Если - скорость света относительно аппарата Физо, а - скорость света относительно воды и скорость воды:
которое, если v / c мало, может быть расширено с помощью биномиального расширения до:
Это идентично уравнению Френеля . [19]
Гипотеза эфира Алле
Морис Алле предложил в 1959 году эфиру гипотезу с участием скорости ветра около 8 км / с, что намного ниже , чем стандартное значение 30 км / с при поддержке ученых девятнадцатого века, и совместим с Майкельсона-Морли и Дейтон Миллер экспериментов , [20], а также его собственные эксперименты относительно спорного эффекта Алле, непредсказуемого общей теорией относительности. [21] [22] Несмотря на отстаивание необходимости другой теории гравитации , [23] его гипотеза не получила значительной поддержки среди основных ученых.
Резюме
В современной физике (которая основана на теории относительности и квантовой механике ) эфир как «материальная субстанция» с «состоянием движения» больше не играет никакой роли. Так что вопросы, касающиеся возможного «сопротивления эфира», больше не считаются значимыми для научного сообщества. Однако перетаскивание системы отсчета, предсказанное общей теорией относительности , в которой вращающиеся массы искажают метрику пространства-времени , вызывая прецессию орбиты близлежащих частиц, действительно существует. Но этот эффект на порядки слабее любого «сопротивления эфира», обсуждаемого в этой статье.
Смотрите также
- История специальной теории относительности
- Тесты специальной теории относительности
- Тесты общей теории относительности
- Перетаскивание кадра
Библиография и ссылки
- ^ a b c d e Уиттакер, Эдмунд Тейлор (1910), История теорий эфира и электричества (1-е изд.), Дублин: Longman, Green and Co. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б Яннсен, Мишель; Стахел, Джон (2008), Оптика и электродинамика движущихся тел (PDF)
- ^ а б Рафаэль Ферраро; Даниэль М. Сфорца (2005), «Араго (1810): первый экспериментальный результат против эфира», Eur. J. Phys. , 26 (1): 195–204, arXiv : Physics / 0412055 , Bibcode : 2005EJPh ... 26..195F , doi : 10.1088 / 0143-0807 / 26/1/020 , S2CID 119528074
- ^ Араго, А. (1810–1853), «Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la prémière classe de l'Institut, le 10 décembre 1810», Comptes Rendus de l'Académie des Sciences , 36 : 38–49.
- ↑ Fresnel, A. (1818), «Lettre de M. Fresnel à M. Arago sur l'influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d'optique», Annales de Chimie et de Physique , 9 : 57–66 (сентябрь 1818 г.) ), 286–7 (ноябрь 1818 г.); перепечатано в трудах Х. де Сенармона, Э. Верде и Л. Френеля (ред.), Oeuvrescompètes d'Augustin Fresnel , vol. 2 (1868), стр. 627–36 ; переведено как «Письмо Огюстена Френеля Франсуа Араго о влиянии движения Земли на некоторые явления в оптике» в К.Ф. Шаффнер, Теории эфира девятнадцатого века , Пергамон, 1972 г. ( doi : 10.1016 / C2013-0-02335- 3 ), с. 125–35; также переведен (с некоторыми ошибками) Р. Р. Трэйлом как «Письмо Огюстена Френеля Франсуа Араго о влиянии движения Земли на несколько оптических явлений», General Science Journal , 23 января 2006 г. ( PDF, 8 стр. ).
- ^ GW Hammar (1935), "Скорость света в массивном помещении", Physical Review , 48 (5): 462–463, Bibcode : 1935PhRv ... 48..462H , doi : 10.1103 / PhysRev.48.462.2
- ^ а б Стокса, Джордж Габриэль (1845), , Философский журнал , 27 (177): 9-15, DOI : 10,1080 / 14786444508645215
- ^ а б Стокса, Джордж Габриэль (1846), , Philosophical Magazine , 28 (185): 76-81, DOI : 10,1080 / 14786444608645365
- ^ Стоукс, Джордж Габриэль (1846), , Philosophical Magazine , 29 (191): 6–10, doi : 10.1080 / 14786444608562589
- ^ Стокса, Джордж Габриэль (1848), , Философский журнал , 32 : 343-349, DOI : 10,1080 / 14786444808645996
- ^ а б Георг Йоос : Lehrbuch der Theoretischen Physik. 12. издание, 1959 г., стр. 448
- ^ Лодж, Оливер Дж. (1893), «Проблемы аберрации» , Философские труды Королевского общества A , 184 : 727–804, Bibcode : 1893RSPTA.184..727L , doi : 10.1098 / rsta.1893.0015
- ^ Лодж, Оливер Дж. (1897), 10.1098 / рста.1897.0006 , Philosophical Transactions of the Royal Society A , 189 : 149–166, Bibcode : 1897RSPTA.189..149L , doi :
- ^ Лоренц, Хендрик Антун (1886), «Влияние на движение земли на световых феноменах», Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles , 21 : 103–176
- ^ Вена, Вильгельм (1898), , Annalen der Physik , 301 (3):.
- ^ Лоренц, HA (1899), «Теория Стокса об аберрации в предположении переменной плотности эфира» , Proceedings of the Royal Society , 1 : 443–448, Bibcode : 1898KNAB .... 1..443L , заархивировано из оригинал от 04.04.2008 CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Лоренц, Хендрик Антун (1904), , Слушания Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 6 : 809–831
- ^ Эйнштейн, Альберт (1905), "Электродинамика движущихся тел" , Annalen der Physik , 322 (10): 891–921, Bibcode : 1905AnP ... 322..891E , doi : 10.1002 / andp.19053221004.
- ^ Лауэ, Макс фон (1907), "Die Mitführung des Lichtes durch bewegte Körper nach dem Relativitätsprinzip" [ Увлечение света движущимися телами в соответствии с принципом относительности ], Annalen der Physik (на немецком языке), 23 (10): 989–990, Bibcode : 1907AnP ... 328..989L , doi : 10.1002 / andp.19073281015
- ^ Миллер, Дейтон С. (июль 1933 г.). «Эксперимент с эфирным дрейфом и определение абсолютного движения Земли» (PDF) . Обзоры современной физики . 5 (3): 203–254. Bibcode : 1933RvMP .... 5..203M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.5.203 .
- ^ Алле М. (сентябрь 1959 г.). «Следует ли пересмотреть законы гравитации? Часть I - Аномалии движения параконического маятника на анизотропной опоре» (PDF) . Аэро / космическая техника : 46–52. Архивировано из оригинального (PDF) 20 июля 2015 года . Проверено 30 марта 2017 .
- ^ Алле М. (октябрь 1959 г.). «Следует ли пересмотреть законы гравитации? Часть II - Эксперименты в связи с аномалиями, обнаруженными в движении параконического маятника с анизотропной опорой» (PDF) . Аэро / космическая техника : 51–55. Архивировано из оригинального (PDF) 22 июня 2016 года . Проверено 30 марта 2017 .
- ^ Делоли, Жан-Бернар. «Пересмотр интерферометрических наблюдений Миллера и наблюдений Эсклангона» . Фонд Мориса Алле .
- Викиучебники: Специальная теория относительности
- Резник, Роберт, Основные концепции теории относительности и ранней квантовой теории , 1972, John Wiley and Sons Inc.
Внешние ссылки
- Mathpages: ошибка Стокса