Sceptic-Ratio Главный аргумент против теории относительности

Главный аргумент против теории относительности

О.Е. Акимов

Эксперименту Майкельсона — Морли предшествовала серия опытов по измерению скорости света. Эта проблема была поставлена еще в Древности, но даже физики Нового времени — Бэкон, Галилей, Декарт и пр. — рассуждали о ней без должного на то экспериментального основания. Оле Рёмер (1644 — 1710), датский астроном и член Парижской академии наук, в 1676 г. по наблюдению неравномерных периодов затмения спутника Юпитера Ио опубликовал значение времени прохождения светом диаметра земной орбиты. Исходя из этого времени, нетрудно было рассчитать скорость света.
Рёмер работал в Парижской обсерватории с 1671 по 1681 год вместе с астрономом Жаном Пикаром (1620 — 1682). Последний прославился многими астрономическими открытиями, в числе которых была фиксация отклонения положения звезд, происходившая в течение года. Эта аберрация была затем зарегистрирована английскими учеными — Гуком (1674) и Флемстидом (1689). Но только Брэдли удалось объяснить и количественно определить ее величину, о чем будет рассказано позже более подробно. Во время работы Рёмера Парижскую обсерваторию возглавлял Джан Доменико Кассини (1625 — 1712), который многие годы потратил на составление долгосрочных таблиц движения спутников Юпитера, используемых мореплавателями для определения времени и местонахождения. Кассини ошибочно думал, что свет распространяется в пространстве мгновенно. Это приводило к ошибкам в расчетах движения спутников.
Первые таблицы Кассини составил в 1668 году и, к моменту появления в обсерватории Рёмера, они давали заметную погрешность, так что эти таблицы нужно было скорректировать, чем и занялся датский ученый. Согласно таблицам все четыре открытых Галилеем спутника вращались почему-то с едва видимым переменным периодом. Внимательно анализируя таблицы Кассини, Рёмер заметил, что средний период обращения Ио — первого спутника Юпитера, движущегося почти по круговой орбите — равен примерно Т = 42,5 ч. Когда Земля двигается по направлению к Юпитеру, период обращения Ио становился чуть больше среднего значения (T₁ > T). Когда же Земля удалялась от Юпитера, период уменьшается (T₂ < T). Едва заметные отличия в периодах по истечению нескольких лет давали весьма ощутимую погрешность и таблицы нельзя было уже использовать для точной навигации морских судов.
Если предположить, что скорость распространения света (c) является не мгновенной, а конечной величиной, то эти колебания в значениях периода обращения Ио вокруг Юпитера получают вполне прозрачное объяснение. Правомерно составить пропорцию, которая говорит о том, что отношение периодов обращения (T₁/T₂) равно отношению двух различных скоростей: в числителе должна стоять сумма скорости луча света и скорости движения Земли (c + v), а в знаменателе — разность этих же скоростей (c – v), т.е. имеет место пропорция вида:

.

Скорость движения Земли на своей орбите определить просто. Нужно в соответствующих единицах измерения разделить путь, равный длине замкнутой орбиты, на время, равное одному году (t):

где R — среднее расстояние от Солнца до Земли. Численное значение этой скорости равно v = 30 км/с. Теперь, зная v, T₁ и T₂, можно из выписанной выше пропорции определить скорость света:

Рёмер в статье 1676 года, которая называлась «Доказательство, касающееся скорости света», рассуждая, как и мы, аналогичным образом, не составлял выписанной нами пропорции. Это связано с тем, что точное измерение периодов T₁ и T₂ — процедура достаточно проблематичная. Давайте прикинем, каков должен быть порядок разности между измененными периодами, чтобы можно было произвести более или менее точный расчет скорости света.
Если принять средний период обращения Ио вокруг Юпитера за его истинный период T = 42,5 ч = 153000 с, то из нашей пропорции получаем, что T₁ и T₂ должны отличаться от T на порядок, равный v/c = 10^–4, т.е. на 15,3 секунды в ту или иную сторону. Это слишком малая величина по сравнению с 42,5 часами, если иметь в виду, что период обращения определялся с помощью медленного затмения спутника Ио планетой Юпитер, а точных приборов для измерения времени еще не существовало. Как же поступил Рёмер?
Его статься начиналась так: «В течение долгого времени философы затруднялись решить с помощью какого-либо опыта, переносится ли действие света мгновенно на любое расстояние или это требует времени. Месье Рёмер из Королевской Академии наук обнаружил способ, почерпнутый из наблюдений первого спутника Юпитера [Ио], с помощью которого он показал, что для [прохождения] расстояния примерно 3000 лье, т. е. приблизительно равного диаметру Земли, свету требуется [время] меньше одной секунды.
Пусть А — Солнце, В — Юпитер, С — первый спутник Юпитера, который входит в тень паленты, чтобы выйти из нее в [точке] D, и пусть E, F, G, H, L, K — положения Земли на различных расстояниях [рис. 1]».[1]

Рис. 1
Далее автор рассказывал, почему на участке вблизи точки K период обращения был чуть больше, чем на участке вблизи точки F. На участках вблизи точек E и H видимый период в точности равнялся собственному периоду обращения Ио вокруг Юпитера, однако время затмения спутника в точке E заметно отставало от времени затмения в точке H на величину τ. Рёмер правильно сообразил, что лучу света для прохождения расстояния HE — диаметр земной орбиты, равный 300 млн. км, — требуется время τ. Теперь скорость света можно найти по более простой формуле с = НE/τ. Время τ определялось по таблицам Кассини и равнялось у него 22 минутам. Это значение слишком неточное, на самом деле величина τ близка к 1000 секундам, что эквивалентно 16, 66… минутам. Для этого значения τ скорость света равна c = 300 тыс. км/с.

Теперь приведем окончание статьи, где говорится о времени прохождения луча света вдоль диаметра земной орбиты (при этом нужно помнить, что автор писал о себе в третьем лице): «Однако из этого не вытекает, что свету совсем не требуется времени, ибо после более тщательного изучения вещей он [Рёмер] обнаружил, что незаметное для двух обращений становится весьма значительным для многих [обращений], взятых вместе, и что, например, 40 оборотов, наблюдаемых со стороны [точки] F, были бы заметно короче, чем 40 других, наблюдаемых с противоположной стороны [K], в каком бы месте зодиака ни оказался Юпитер. По этой причине необходимо 22 [минуты] для [прохождения] интервала НЕ, который является удвоенным расстоянием от нас до Солнца.
Необходимость этого нового уравнения для запаздывания света устанавливается всеми наблюдениями, которые были сделаны в Королевской Академии и в Обсерватории на протяжении восьми лет. Они были вновь подтверждены выступлением из тени первого спутника Юпитера [Ио], наблюдавшимся в Париже 9 ноября этого года в 5^h35^m45^s вечера, на 10 мин позже, чем следовало ожидать, рассчитывая его на основе тех [наблюдений], что были сделаны в августе, когда Земля была гораздо ближе к Юпитеру, что месье Рёмер предсказывал в Академии в начале сентября.
Но чтобы устранить всякие сомнения, что это неравенство вызвано запаздыванием света, он показывает, что оно не может происходить из-за какого-либо эксцентриситета или другой причины из тех, которые обычно приводят [в частности, Кассини], чтобы объяснить нерегулярности в движении Луны и других планет» [2].
Кассини, в конце концов, согласился с доводом Рёмера о конечности скорости распространения света и вышедшие в 1693 году таблицы для использования в морской навигации были составлены с учетом этого обстоятельства. Еще при жизни Рёмера значение скорости света несколько раз уточнялись. Так, например, Исаак Ньютон (1643 — 1727) сначала принимал время распространения света от Солнца до Земли равным 10 минутам. Но позднее в «Оптике» (1703) он остановился на более точном значении, лежащем между 7 и 8 минутами. Вскоре после смерти Ньютона другой известный английский ученый, Джеймс Брэдли (1693 — 1762), вычислил прохождение светового луча от Солнца до Земли за время 8 минут 12 или 13 секунд. При этом он использовал иное астрономическое явление, нежели Рёмер, а именно, явление аберрации света, открытое Брэдли в 1727 году и математически верно им же истолкованное в 1729 году.
Суть эффекта аберрации света, идущего от далеких звезд, состоит в следующем. Звезда, направление к которой лежит под прямым углом к плоскости орбиты Земли, оказывается смещенной по направлению движения Земли на угол α = 20,45". Следовательно, труба телескопа должна быть наклонена на угол α к вертикальному направлению. Эффект аберрации объясняется тем, что луч света, зашедший в объектив телескопа в точке А (рис. 2), должен дойти до окуляра в точку В, чтобы его можно было увидеть земному наблюдателю. Угол наклона α определяется векторной суммой двух скоростей — скорости света c и скорости Земли на орбите v, так что скорость света внутри трубы телескопа (c') на отрезке AC определяется формулой Пифагора, т.е. по классической формуле сложения скоростей — (c² – v²)^½

Рис. 2
Все знают, что при ветре капли дождя падаю под углом к поверхности земли; они летят по линии гипотенузы прямоугольного треугольника ABC, катетами которого являются: AB — скорость падения капли и BC — скорость ветра. Движение относительно: если ветра нет, но ваш автомобиль мчится со скорость ветра, то вертикальные линии падения капель тоже становятся косыми, что можно видеть на окнах вашего автомобиля. Таким образом, звездная аберрация, фиксируемая наблюдателем, находящимся на движущейся Земле, как и изменение периода обращения Ио, является вполне понятным эффектом, с которым мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни.

Следующее принципиально новое, не астрономическое измерение скорости света произвел француз, уроженец Парижа в 1849 году. Ипполит Луи Физо (1819 – 1896) измерил скорость света в земных условиях с помощью вращающегося зубчатого колеса и зеркал, разнесенных на расстояние 9 километров. Скорость света у него получилось равной 315300 км/с. Добавим, что Физо совместно с Фуко в 1846 г. наблюдал интерференцию монохроматического света при разности хода в 7000λ. Это явление интерференции легло в основу работы интерферометра Майкельсона.
Альберт Абрахам Майкельсон (1852 — 1931) в 1878 г. приступил к серии экспериментов по определению скорости света с помощью вращающегося зеркала. Его опыты дали сначала величину, равную 300140 ± 300 км/с. В 1902 г. он достиг значения, равного 299890 ± 60 км/с, а работы, проведенные им с 1921 по 1926 гг., позволили повысить точность до 299796 ± 4 км/с. Сегодня пользуются константой скорости света 299792458 ± 1,2 м/с.
При работе со светом все ученые, начиная с Рёмера, использовали традиционную формулу сложения скоростей. Именно классическая формула, т.е. векторное сложение скорости света со скоростью приемника (но не источника!) по правилу параллелограмма, была и остается главным аргументом против теории относительности. При выводе формулы для описания эффекта Доплера тоже пользуются классической формулой сложения двух векторов скорости — v и c. Если всё делать аккуратно, по правилам векторной алгебры, как это показано в статье, то формула Доплера общего вида будет иметь вид:

.
Это выражение справедливо как для акустических волн, так и для световых. Релятивисты же пишут свои особые выражения, которые, однако, противоречат даже самой релятивистской формуле сложения скоростей (это противоречие называется парадоксом лыжников; оно детально рассматривается в конце четвертой лекции учебного курса «Естествознание»).
Анализ Рёмера, проведенный на огромном массиве числовых данных, вошедших в таблицы Кассини, особенно примечателен. Если бы классическая формула сложения скоростей оказалась неточной, то соответствующая погрешность немедленно бы обнаружилась, поскольку ошибки в наступлении затмения спутников Юпитера со временем все больше и больше накапливались. Но ничего подобного не происходит: классическая формула сложения скоростей работает безупречно, в то время как второй постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света по отношению к любым движущимся и покоящимся объектам моментально бы привел к ошибкам. На это обстоятельство здравомыслящие физики указывали бесконечное число раз, однако релятивисты стоят на своем. Почему эти странные люди не хотят признать очевидные факты — предмет отдельного разговора, тесно связанного с социально-психологическими и политико-идеологическими проблемами, лежащими далеко за границами физических наук.
Сейчас мы только особо подчеркиваем, что второй постулат теории относительности и релятивистская формула сложения скоростей еще никогда не использовались на практике. Эйнштейновские выражения, мелькающие на страницах современных учебников, в действительности нигде не применялись в расчетах, связанных с динамическими параметрами наблюдательной астрономии, и в задачах прикладной физики, где они должны были применяться. Единственное подтверждение имеет лишь формула E = mc², которую получил и объяснил Дж. Дж. Томсон задолго до Эйнштейна. Были предприняты попытки подтверждения релятивисткой формулы замедления времени. Однако процедура измерения времени жизни мюонов вызывает больше вопросов, чем ответов. Существуют еще несколько попыток экспериментального обоснования релятивистских выражений, которые, однако, легко перечеркиваются одним бесспорным фактом: скорость света везде и всегда складывается со скоростью приемника нерелятивистским способом. Следовательно, теория относительности не верна в своей основе, так как не выполняется один из двух ее постулатов, согласно которому c + v = c.

[1] Голин Г.М., Филонович Р.С. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ в.): Справ. пособие. — М.: Высш. шк., 1989. C. 119.
[2] Там же. С. 119 — 120.