Критика теории относительности

О.Е. Акимов

10. Эксперимент Майкельсона – Морли

— I —

Накануне выхода в свет академического «Собрания научных трудов Альберта Эйнштейна» в четырех томах, т.е. в 1964 г., Президиум АН СССР издал закрытое Постановление о запрете критики теории относительности. Редакторам научных журналов предписывалось не принимать к рассмотрению работы, содержащие антирелятивистскую «ересь». Сегодня наша родная Академия растеряла былой авторитет, про то инквизиторское Постановление все успели забыть, однако сами антирелятивисты оказались не в состоянии договориться относительно трактовки эксперимента Майкельсона – Морли.

Между тем, большинство историков естествознания сходятся во мнении, что этот эксперимент положил начало релятивистской физике. В данном случае мы можем смело присоединиться к этому большинству. Событие, произошедшее более ста лет назад, все еще современно. По словам Роберта Оппенгеймера, видного американского физика, отца атомной бомбы, эксперимент Майкельсона — Морли «был одним из величайших и решающих экспериментов в истории науки» [1, c. 17], а по словам английского ученого Дж. Бернала, «величайшим из всех отрицательных опытов в истории науки» [2, c. 74].

Это и не удивительно, ведь по результатам эксперимента, точнее, по их отсутствию была создана специальная теория относительности. Значение эксперимента действительно трудно переоценить, ибо он должен был подтвердить наличие светоносной среды — эфира, гипотезу которого после этого эксперимента релятивисты отвергли и приняли теорию относительности. И хотя отсутствие «эфирного ветра» еще не доказывало отсутствие эфира, релятивисты из своего позитивистского понимания «простоты» и «красоты» научной концепции, решили от него отказаться. Позитивисты объявили субстанциональные понятия вроде «материи» пережитками метафизики.

Альберт Абрахам Майкельсон (1852 – 1931) и Эдвард Уильямс Морли (1838 – 1923) провели свой знаменитый эксперимент в Соединенных Штатах. Но впервые проблемой «эфирного ветра» Майкельсон заинтересовался еще во время прохождения в 1880 – 1882 гг. стажировки в научных центрах Европы у Гельмгольца, Рэлея и Кельвина (У. Томсона). Эксперимент 1881 года проводился в Берлинском университете на средства американского изобретателя телефона А. Белла; затем его перенесли в подвал Потсдамской обсерватории. Однако его установка имела низкую точность и высокую чувствительность к вибрациям. При проведении опытов в США эти недостатки не были устранены полностью, но существенно снижены.

В Кливленде, где проводилась вторая серия опытов, имеется памятная доска, гласящая: «Недалеко от этого места в июле 1887 года доктор А.А. Майкельсон, профессор института Кейса, и доктор Э.У. Морли, профессор университета "Вестерн Резерв", провели знаменитый эксперимент Майкельсона — Морли, явившийся выдающимся научным достижением XIX века и ставший краеугольным камнем современной физики. Эта плита установлена обоими выше названными учебными заведениями в день столетия со дня рождения доктора Майкельсона, 9 декабря 1952 года» [2, c. 151].

Сам Альберт Эйнштейн говорил, что с результатами эксперимента «связано само существование или опровержение теории относительности» [3, c. 188]. Во время торжественного обеда в Калифорнийском технологическом институте, где присутствовал Майкельсон, Эйнштейн поднял бокал и произнес следующие слова: «Я пришел к тем, кто в течение многих лет были моими верными друзьями и сопутствовали мне в моей работе. Вы, уважаемый д-р Майкельсон, начали эту работу, когда я был совсем маленьким мальчиком меньше трех футов ростом. Именно Вы указали физикам новые пути и своей замечательной экспериментальной работой проложили путь развитию теории относительности. Вы нанесли непоправимый урон существовавшей тогда теории эфира и способствовали появлению идей Лоренца и Фицджеральда, из которых впоследствии развилась специальная теория относительности» [4, c. 112].

Вряд ли великому экспериментатору, тогда уже смертельно больному человеку (через четыре месяца Майкельсон скончался) было лестно слышать о том, что он «нанес непоправимый урон существовавшей тогда теории эфира». До конца своих дней он свято верил в существование эфира и не принимал теорию относительности Эйнштейна.

В памятной речи в Берлине, произнесенной 17 июля 1931г., Эйнштейн вновь сказал: «Именно это негативное открытие в значительной мере способствовало признанию правильности теории относительности» [4, c. 113]. Еще раньше, 14 декабря 1922 г. в Японии, во время чтения в Киотском университете популярной лекции «Как я создал теорию относительности» он вспоминает: «Еще студентом я познакомился с необъяснимыми результатами опыта Майкельсона и интуитивно пришел к выводу, что, возможно, мы ошибаемся, считая, будто Земля движется относительно эфира, так как опыт не подтверждает этого. По сути, так я пришел к тому, что сейчас именуется СТО... К тому времени я был знаком лишь с монографией Лоренца 1895 г., в которой ему удалось дать полное решение задач электродинамики в первом приближении, или, иными словами, в случае, когда не учитываются члены более высокого порядка, чем квадрат отношения скорости движущегося тела к скорости света. В этой связи я обратил также внимание на опыт Физо...» [4, c. 115 – 116]. Напомним, опыт Физо, который Майкельсон повторил незадолго до этого, натолкнул его на идею построения интерферометра, а в работе Лоренца 1895 г. обсуждались причины неудавшихся экспериментов 1881 г. и 1887 г.

Необходимо иметь в виду, что в первой статье 1905 г. Эйнштейн упоминает о «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно "светоносной среды"» [5, c. 7]. Под «попытками», очевидно, понимаются проведенные Майкельсоном эксперименты. Анализ статьи показывает, что все рассуждения об относительности длины и времени автор выстраивает, исходя из схемы хода лучей в интерферометре Майкельсона. В статье записывались классические суммы (c + v) и разности (c – v) скоростей в горизонтальном направлении и величина (c² – v²)^½ в вертикальном в точном соответствии со схемой эксперимента.

Еще при жизни Майкельсона опыт по обнаружению мировой среды начал ставить американский физик Дейтон Кларенс Миллер (1866 – 1941). В 1905 – 1906 годах он вместе с Морли провел серию опытов на высоте 260 метров над уровнем моря. Использовался интерферометр с длиной оптического пути 65,3 метра, который, как ожидалось, мог дать смещение на 1,1 полосы. На нем Миллер получил положительный результат, соответствующий 3 км/с, что в 10 раз меньше реальной скорости Земли на орбите. В начале 1920-х годов опыты были продолжены уже одним Миллером, причем на больших высотах (с использованием дирижабля до 1860 метров). Однако полученные им результаты, которые окончательно он подвел в обширной статье 1933 года, давали скорость Земли относительно эфира не превышающую 11 км/с.

Большинство физиков придерживается мнения, что Миллер работал с предубеждением: был слишком нацелен на получение положительного результата. Это повлияло на чистоту его экспериментов: утверждается, что при обработке числовых массивов он допустил множество статистических ошибок и не учел некоторые факторы, которые исказили исходные данные. В частности, его аппаратура не имела надежных кожухов, которые могли бы защитить ее от колебаний температуры. Позже были проведены другие эксперименты с помощью более совершенной техники, которые, однако, подтвердили заключение, сделанное из эксперимента Майкельсона – Морли. Вывод же из эксперимента 1887 года один: эфирный ветер отсутствует. Этого отрицательного результата придерживаемся и мы. Анализировать другие опыты — смысла большого нет, поскольку они, в принципе, повторяют компенсационную схему (о ней подробнее ниже), воспроизведенную на интерферометре Майкельсона.

*
*   *

Несмотря на то, что прошло более 130 лет, этот experimentum crucis (решающий эксперимент) все еще лежит в основаниях современной физики, причем является ее «краеугольным камнем», как написано на мемориальной доске. Правда, существует и противоположное мнение, принадлежащее, в частности, Джеральду Холтону, который утверждает, что эксперимент Майкельсона — Морли оказал косвенное влияние на разработку теории относительности. В качестве доказательства он приводит поздние высказывания Эйнштейна, которые сильно расходятся с тем, что цитировалось выше. Холтон привел выдержки из писем и интервью с Эйнштейном, относящиеся к 1950-м годам.

Первая цитата: «Когда я спросил Эйнштейна, как он узнал об опыте Майкельсона — Морли, он ответил, что прочитал о нем в работах Лоренца, но обратил на него внимание лишь после 1905 г.! "В противном случае, — сказал он,— я бы упомянул о нем в своей статье". Он также сказал, что из экспериментальных результатов наибольшее влияние на него оказали наблюдения аберрации звезд и опыты Физо по измерению скорости света в потоке воды. "Этого было достаточно", — сказал Эйнштейн» (4 февраля 1950 г.).

Вторая цитата: «Я спросил профессора Эйнштейна, когда он впервые услышал о Майкельсоне и его опыте. Он ответил: "Трудно сказать, когда я впервые услышал об опыте Майкельсона. Я не ощущал его прямого влияния в течение тех семи лет, когда жил теорией относительности. Видимо, я просто считал его результат само собой разумеющимся". Однако Эйнштейн отметил, что с 1905 по 1909 гг. он много думал о полученном Майкельсоном результате, обсуждал его с Лоренцем и другими, размышлял над общей теорией относительности. Потом он понял, что знал о результате Майкельсона и до 1905 г., так как читал работы Лоренца, но в основном просто полагал, что этот результат верен» (24 октября 1952 г.).

Третья цитата: «Влияние решающего эксперимента Майкельсона — Морли на меня было довольно косвенным. Я узнал о нем из основополагающего труда Г.А. Лоренца, посвященного электродинамике движущихся тел (1895), с которым познакомился до начала разработки специальной теории относительности. Основная посылка Лоренца о существовании покоящегося эфира представлялась мне неубедительной как сама по себе, так и из-за того, что она приводила к казавшемуся мне искусственным толкованию результата эксперимента Майкельсона — Морли» (декабрь 1952 г.).

Четвертая цитата: «Когда я развивал свою теорию, результат Майкельсона не оказал на меня заметного влияния. Я даже не могу припомнить, знал ли я о нем вообще, когда я писал свою первую работу» (2 февраля 1954 г.) [6, с. 297].

Знал, даже очень хорошо знал! В связи с этим Абрахам Пайс, близкий друг, сотрудник и биограф Эйнштейна написал: «Из письма, написанного Эйнштейном Гроссману из Винтертура в 1901 г., видно, что опыт по обнаружению эфирного ветра по-прежнему занимал мысли Эйнштейна: "Мне пришел в голову новый, значительно более простой метод определения движения вещества относительно эфира. О, если бы безжалостная судьба позволила мне выполнить этот замысел!" Так как, — продолжает Пайс, — Эйнштейн в письме сразу перешел к делу, создается впечатление, что Гроссман уже что-то знал о другом методе, предложенном Эйнштейном раньше, когда они вместе учились в политехникуме. Из этого письма также видно, что Эйнштейн верил в существование эфира до 1901 г.» [4, с. 130].

Зять Эйнштейна, Рудольф Кайзер, женившийся в 1924 г. на его падчерице Ильзе, в 1930 г. под псевдонимом Антон Райзер опубликовал «героическое житие» отца-основателя теории относительности, которое опровергает вышепроцитированные высказывания Эйнштейна. При этом Пайс предположил: «Так как Рудольф Кайзер, зять и биограф Эйнштейна, не был физиком, логично предположить, что приводимые ниже строки из книги Кайзера написаны самим Эйнштейном».

Дело не только в том, что Кайзер не был физиком. Здесь нужно задаться другим вопросом. Откуда бы зять узнал, чем занимался его тесть в студенческие годы, как только не от него самого. Послушайте, что написал зять о своем тесте или, правильнее сказать, Эйнштейн об Эйнштейне: «Он уже на втором году обучения в институте [1897 – 1898] натолкнулся на проблему света, эфира и движения Земли. Эйнштейн не переставал думать о ней и хотел построить установку, которая позволяла бы точно измерить характеристики движения Земли относительно эфира. О том, что такие же намерения были у других ученых, он в то время не знал. Тогда он еще не был знаком с крупным трудом великого голландского физика Хендрика Лоренца и со ставшим впоследствии знаменитым опытом Майкельсона. Он хотел двигаться вперед эмпирическим путем и считал, что задуманная им установка поможет решить проблему, далеко идущие последствия которой он предвидел уже тогда. Но создать такую установку ему не удалось. Преподаватели были настроены весьма скептически, а сам он не обладал необходимой предприимчивостью. Поэтому Альберт отложил осуществление своего замысла, но не отказался от него. Он по-прежнему надеялся на то, что в будущем сможет решать проблемы физики путем наблюдений и экспериментов» [4, с. 130].

О фальшивке своего зятя Эйнштейн в 1931 г. высказался так: «Книга Райзера является, по моему мнению, лучшей из написанных моих биографий. Она принадлежит перу человека, хорошо знающего меня лично» [4, с. 56]. Позже по образцу этой придуманной самим Эйнштейном биографии писались тысячи жизнеописаний «гениального» физика. В них широкой рекою текла откровенная ложь о ловком авантюристе. Достаточно сказать, что в книге Кайзера-Райзера имя Милевы Марич упоминается всего один раз в связи с его первой женитьбой. В таком же объеме о ней говорилось в биографиях, написанных другими авторами. Между тем недавно проведенные исследования жизни и деятельности Эйнштейна доказывают, что в основе статьи 1905 года по теории относительности лежала докторская диссертация его первой жены.

«Величайшего физика» часто представляют образчиком скромности, но здесь мы отчетливо видим крайне тщеславного человека, который ни в 1930-е, ни в 1950-е годы не хотел делиться славой с Майкельсоном. Он беззастенчиво обманывал журналистов, спрашивающих его о роли эксперимента Майкельсона — Морли в деле создания теории относительности. Создавалось впечатление, будто Эйнштейн свое детище сотворил из ничего, путем трансцендентной медитации. Все, включая зятя, говорили об удивительно прозорливом уме ученого. Впрочем, весьма вероятно, что обману подвергся и Рудольф Кайзер, который в те годы был главным редактором влиятельного периодического журнала, издаваемого в Берлине.

Родоначальник релятивистского учения, как и родоначальник психоаналитического учения, так удачно придумал себе легенду, что никто из близких и подумать не смел о фальсификации реальных событий. Оба авантюриста, и Эйнштейн и Фрейд, сочиняли о себе такие небылицы, в которые миллионы доверчивых граждан просто жаждали верить. После научно-политические круги, заинтересованные в культе личности, засекретили правдивую информацию о «Человеке ХХ столетия». Сегодня многое открылось. Любопытно было бы сравнить, что когда-то говорил о себе Эйнштейн и что фактические известно о нём. Однако такая цель перед нами сейчас не стоит.

Хочется верить, что Холтон, сторонник так называемого «тематического анализа», искренне заблуждался, когда написал: «... Документы, с которыми мне пришлось работать в связи с изучением творчества Эйнштейна, вынудили меня пересмотреть роль опыта Майкельсона по отношению к первоначальной эйнштейновской формулировке теории относительности. Если вначале предполагалось, что этот эксперимент был одним из важнейших стимулов к созданию эйнштейновской теории, то теперь обнаружилось, что его роль была лишь косвенной и не слишком значительной в противоположность традиционным объяснениям и описаниям последовательностей событий, дающихся практически во всех физических текстах, затрагивающих данную проблему» [7, с. 7 – 8].

Свои выводы, как мы сейчас понимаем, известный американский историк науки построил исключительно на поздних высказываниях Эйнштейна, которым не следует доверять, по причине, о которой сказано выше. Однако при этом не нужно забывать и о другой спекулятивной тенденции, которая с середины прошлого века стала набирать обороты. Философствующие релятивисты стали критически относиться к возможности построения фундаментальной теории, исходя только из опытных данных. Во главу угла они ставили некий чисто теоретический базис, который выбирался без всякой оглядки на эмпирию. Эйнштейн, как идеолог новой схоластики, тоже начал порывать с реальностью, считая, что конкретные эксперименты, включая опыт Майкельсона — Морли, не играют большой роли в деле познания мира. После его смерти появилось множество науковедов, которые считали, что «этого эксперимента вообще не следовало ставить» [8, с. 62], «в учебниках отдается незаслуженное предпочтение опыту Майкельсона — Морли» [9, с. 28], физика, говорили они, все равно развивалась бы по пути, предначертанному высшей релятивистской философией.

Это — абсолютно ошибочный взгляд на события. Да, эксперимент был не нужен; да, ему слишком много уделено внимания в учебниках. Но не потому, что релятивистская доктрина есть что-то само собой разумеющееся, и не потому, что она не требует никакого эмпирического подтверждения. Наоборот, она только и держится на плаву благодаря этому ложно поставленному опыту. Объясните результаты эксперимента Майкельсона — Морли с точки зрения классической физики, т.е. выбейте «краеугольный камень» из фундамента теории относительности, и вы увидите, как тут же всё здание современной физики рухнет.

Вот почему в учебниках средней и высшей школы до сих пор излагается объяснение главного эксперимента, которое не выдерживает никакой критики. Ортодоксальные релятивисты и вцепились в него мертвой хваткой, не желая выслушивать аргументы ни своих коллег, оторвавшихся от реальной почвы, ни здравомыслящих конструктивистов, которые, опираясь на классическую оптику, предлагали вполне прозрачную трактовку наблюдаемой интерференционной картины. Между тем, главный инициатор и автор эксперимента, Майкельсон, расценил дело своей жизни, как свою личную трагедию. Он «до конца дней своих не верил в теорию относительности, а однажды даже сказал Эйнштейну, что сожалеет, что его собственная работа, возможно, способствовала появлению этого монстра» [7, с. 87 – 88].

Отказаться от гипотезы эфира он был не в состоянии. «Существование эфира, — писал Майкельсон, — кажется несообразным с теорией [относительности]; неподвижный эфир должен допускать возможность измерения абсолютного движения. Но как можно объяснить распространение световых волн без среды? По электромагнитной теории скорость перемещения электромагнитного возмущения равна величине, обратной корню квадратному из произведения диэлектрической постоянной на магнитную проницаемость; эти величины являются свойствами среды. Как объяснить постоянство скорости распространения, являющееся основным допущением (по крайней мере специальной теории относительности), если не существует среды?

Сделано было несколько попыток устранить эти воззрения: воскрешение отвергнутой корпускулярной теории, распространение вдоль силовых линий и т.д.; все эти теории не только ввели больше трудностей, чем объяснили, но они совершенно неспособны объяснить постоянство скорости распространения. Следует надеяться, что удастся примирить теорию с существованием среды или видоизменить ее, или же, наконец, что более вероятно, приписать требуемые свойства эфиру» [10, с. 175 – 176].

В этом отрывке Майкельсон под «постоянством скорости распространения» света, согласно специальной теории относительности, понимает самую первую (1905 г.) формулировку второго постулата, гласящую: скорость света не зависит от того, движется или покоится его источник. Позднее в этот постулат был включен и приемник; об этой подмене говорилось уже не раз, но лишнее напоминание здесь не помешает. На склоне лет великий экспериментатор все еще питал надежды на положительный исход эксперимента: «... Результат опыта оказался отрицательным, и это могло указать на то, что в самой теории заключается еще какая-то неполнота и неясность» [11, с. 128].

Так оно и было. Майкельсон не учел волновые свойства света и в своих рассуждениях пользовался точечным объектом, который не мог служить моделью волнового процесса, происходящего в его интерферометре. Он попытался как-то успокоить себя и оправдаться перед миром тем, что изобрел полезный прибор: «Этот опыт имеет для меня исторический интерес, так как именно для решения указанной задачи [для обнаружения эфирного ветра] был изобретен интерферометр. Вероятно, всякий согласится, что произведенная нами работа в достаточной степени вознаградила нас за отрицательный результат опыта тем, что привела к изобретению интерферометра» [11, с. 128].

*
*   *

Чтобы раскрыть ошибку в схеме проведения эксперимента, нужно привести весь ход мыслей Майкельсона. В своей книге «Световые волны и их применение» он говорит о простой механической аналогии, которая натолкнула его на схему экспериментальной установки. «Представим себе..., — пишет Майкельсон, — гребца в лодке, и притом сначала на спокойном озере, а затем на реке. Если он продвигает со скоростью, например, 6 км в час и если расстояние между станциями равняется 18 км, то ему необходимо 3 часа, чтобы проехать это расстояние, и 3 часа, чтобы вернуться, т.е. в сумме 6 часов. Но это верно только в том случае, когда в воде нет течения. Но если существует течение, скорость которого равна, например, 1 км в час, то время, потребное для того, чтобы проехать все расстояние по течению, будет равняться не 18:6, а 18:(6 + 1,5), т.е. 2,4 часа. Время, необходимое для обратного пути, т.е. против течения, будет равняться 18:(6 – 1,5), т.е. 4 часам, и вместе с первым промежутком это составит 6,4 часа вместо прежних 6 часов» [11, с. 127] и т.д.

Позднее эта аналогия с гребцом повторяется у других авторов, которые также считали ее исчерпывающей для разъяснения эксперимента. Например, Бернард Джефф, биограф Майкельсона и друг Эйнштейна (последний, кстати, писал биографу, что опыт «укрепил мою уверенность в правильности принципа специальной теории относительности»), в книге «Майкельсон и скорость света» воссоздает точно такую же механическую аналогию, но излагает ее короче, чем у Майкельсона, и на других числах. Приведем ее целиком.

«Два человека в неподвижной воде гребут с одинаковой скоростью 1,5 м/с. Вода в реке, по которой они плывут, движется со скоростью 1,2 м/с, а ширина реки 27 м. Первый гребец проходит на лодке 27 м вниз по течению и затем обратно. Вниз по течению он движется со скоростью 2,7 м/с, на обратном пути его скорость равна всего 0,3 м/с. На всю поездку, таким образом, у него уходит

27/2,7 + 27/0,3 = 100 с.

Скорость передвижения второго гребца, идущего поперек течения, может быть представлена катетом прямоугольного треугольника; другим катетом, которым является скорость движения воды, равная 1,2 м/с, а гипотенузой — скорость, с которой гребец передвигается в неподвижной воде, — 1,5 м/с. Отсюда:

1,5² = 1,2² + v²,    v = 0,9 м/с;    t = 27/0,9 = 30 с.

Второй гребец для прохождения пути туда и обратно затратит 60 секунд вместо 100. Пользуясь этой простой аналогией, Майкельсон рассудил, что эфир будет меньше замедлять свет, если свет будет распространяться под прямым углом к направлению движения Земли, и больше, когда он движется в пространстве в том же направлении, что и Земля» [2, с. 52 – 54].

Прямой перенос этого примера с гребцами на лучи света, распространяющиеся вдоль плеч интерферометра, недопустим. Майкельсон наблюдал интерференцию, а она требовала анализа именно волнового процесса, происходящего в эфирной среде. Воспользовавшись в своем мысленном эксперименте водной поверхностью, ему нужно было проанализировать динамику волн, а не движение физического тела в виде лодки. Перемещение гребца в пространстве еще может повторить движение приемника, но оно не в состоянии учесть одновременное движение источника волн.

Разность фаз он считал, исходя только из времени прохождения лодки с гребцом на четырех участках: по течению (t₁), против течения (t₂), поперек течения туда (t₃) и поперек течения обратно (t₄). Затем он брал разность между временем, затраченным вдоль течения, и временем, затраченным поперек течения: Δt = t₁ + t₂ – t₃ – t₄. Всё, расчёт окончен! Точно такой же расчет был принят для световых лучей в интерферометре.

Как видим, Майкельсон ни слова не сказал об эффекте Доплера (продольная составляющая) и эффекте аберрации (поперечная составляющая). Это и понятно, поскольку точечный объект (лодка с гребцом) не мог навести его на мысль о существовании этих эффектов. Но если бы он учел их, то моментально бы понял, что рассчитанная его способом разность фаз полностью компенсировалась бы этими двумя эффектами.

Фактически, Майкельсон рассчитал разность хода лучей при движущемся приемнике, но при неподвижном (относительно эфира) источнике света. Без всякого вычерчивания хода лучей в интерферометре понятно, что при одновременном движении источника и приемника длина волны не меняется. Следовательно, не будет меняться и интерференционная картина от горизонтальных и вертикальных волн при любом положении интерферометра относительно вектора скорости перемещения Земли.

Лоренц, проанализировавший в 1895 г. результаты эксперимента и расчеты, написал: «Именно вследствие недосмотра Майкельсон вставил в расчет удвоенное значение ожидаемого по теории изменения разностей фаз; при исправлении этой ошибки получаются смещения, которые как раз могут еще покрыться ошибками наблюдения» [12, с. 4]. Действительно, в первой своей работе Майкельсон допустил арифметическую ошибку. Ее заметил Лоренц, но сам он просмотрел у него куда более принципиальную ошибку физического свойства. Знаменитый теоретик, как и знаменитый экспериментатор, не учел волновую природу света.

Много позже, в докладе, прочитанном 22 октября 1913 г. на тему «Новые направления в физике», для разъяснения сути эксперимента Майкельсона Лоренц вновь прибегает к точечным объектам: «Допустим, — рассказывал он своим слушателям, — что два человека находятся на расстоянии в несколько метров, а их собака должна бежать от одного к другому и обратно с определенной скоростью. Подсчитаем время, затраченное собакой. Затем допустим, что два человека, следуя друг за другом на том же расстоянии, идут дальше, разумеется, с меньшей скоростью, чем собака, причем последняя снова бежит от одного к другому и обратно. Теперь ей потребуется больше времени, чем прежде. И наконец, возьмем третий случай. Два человека движутся с той же скоростью, что и раньше, и на том же расстоянии друг от друга, причем соединяющая их линия перпендикулярна направлению движения; предположим, что они движутся по разным сторонам дороги. Собака снова должна бежать от одного гуляющего к другому, но ни в коем случае по так называемой линии преследования, а обязательно по прямой. Совершенно очевидно, что и на этот раз затрачивается больше времени, чем в первом случае, ибо собаке приходится преодолевать путь под косым углом, однако, промежуток времени в третьем случае оказывается несколько короче, чем во втором случае» [12, с. 128].

Каким бы способом собака не бежала, она никак не могла проиллюстрировать волновой процесс, происходящий в интерферометре. Собаки и лодки — это не те объекты, на которые можно было бы проецировать оптические явления. Таким образом, Лоренц, как и Майкельсон, абсолютно не представлял себе ход волн при движении интерферометра через неподвижный эфир. Научный же авторитет обоих был так велик, что смельчаков, которые бы усомнились в их правоте, в то время не нашлось. Да и вся ситуация в тогдашней физике не располагала к поиску решения в сфере классической физики. Неправильное истолкование эксперимента Майкельсоном и Лоренцем нарождающийся класс релятивистов воспринял как подарок судьбы.

— II —

Прежде чем разбираться в деталях интерферометра Майкельсона, давайте посмотри на него сверху, и попытаемся понять, к чему приводит недооценка эффекта аберрации света.

Слева на рис. 1 показан полный ход лучей света, справа на этом же рисунке вычерчена упрощенная схема, принятая современной наукой. На правом рисунке мы видим квадратное основание прибора, на котором закреплены источник света, система зеркал, многократно отражающих луч света, и оптический прибор (Майкельсон называл его «телескоп») для наблюдения интерференционной картинки. Система зеркал нужна для увеличения оптического хода интерферирующих лучей, которая напрямую связана с разностью фаз. Принципиального значения, однако, зеркала не имеют: их может быть больше или меньше.

Рис. 1. Ход лучей света в интерферометре Майкельсона. На правом рисунке луч 1 от источника света 0 распространяется в направлении движения Земли; луч 2 — это отраженный от зеркала С луч 1. Луч 3, отразившись от зеркала А, становится лучом 4. Как отметил Майкельсон, оптический путь, проделанный лучами 1-2, не равен оптическому пути, проделанному лучами 3-4. Следовательно, встретившись в точке В они дадут интерференционные полосы, расстояния между которыми пропорционально разности хода лучей 1-2 и лучей 3-4. На этой традиционной схеме, которая воспроизводится во всех учебниках, рассказывающих об эксперименте Майкельсона – Морли, углом аберрации фактически является угол α. Эффект аберрации сравнивают с эффектом «сноса» светового луча в ту или иную сторону в зависимости от движения источника или приемника. К сожалению, при выборе знака отклонения луча 3 была допущена ошибка: на диаграмме луч 3 отклоняется вправо, в действительности он должен отклоняться влево (луч 3').

В школьных учебниках аберрацию разъясняют через косые струи воды, которые оставляет дождь на боковых стеклах движущегося автомобиля. Эти струи образуют острый угол с направлением вектора движения автомобиля. В самом деле, представьте себе, что вы сидите внутри автомобиля, который движется по дороге. Капли дождя на боковых стеклах автомобильного салона прочерчивают косые линии, так как образуется треугольник скоростей: горизонтальный катет v₁ — скорость автомобиля; вертикальный катет v₂ — скорость движения капли сверху вниз. Тогда гипотенуза этого треугольника есть векторная сумма этих двух скоростей. Так проявляется эффект аберрации.

Согласно этому явлению, астрономы при наблюдении звезд слегка поворачивают свои телескопы по направлению движения Земли. В противном случае участок волнового фронта, зашедшего в объектив телескопа, не достигнет его окуляра. Причем величина аберрации зависит от расположения звезды на ночном небосклоне. Звезды, которые находятся прямо у нас над головой, в течение года описывают правильную окружность с угловым радиусом аберрационного отклонения α = 20,45". Звезды, расположенные на некотором угловом расстоянии от зенита описывают эллипс. Звезды на линии горизонта, т.е. находящиеся в плоскости эклиптики (земной орбиты), совершают колебательные движения по прямой с тем же угловым отклонением ±α.

Рис. 2. Суть эффекта аберрации света. 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, 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 (Эти разъяснения позаимствованы из ранее написанной мной статьи Главный аргумент против теории относительности).

В первой части этой работы многократно подчеркивалось, что правильное понимание эксперимента Майкельсона – Морли приходит с рассмотрением волновой природы света — и это действительно так. Однако необходимо помнить также, что явление аберрации можно наблюдать и на примере точечных объектов. Нужно не забывать, что Дж. Брэдли, первооткрыватель аберрации, согласно оптической теории Ньютона, представлял свет в виде корпускул.

Итак, в примерах с телескопом или автомобилем движущимся является приемник. Повторим, если лучи от звезды или капли дождя падают вертикально вниз, то за счет движения приемника образуется острый угол α, который будет откладываться от нормали в сторону по направлению движения приемника. Ну, а что произойдет, если движется источник? Представьте себе, что в кузове автомобиля установлен фонтан, струя которого направлена вертикально вверх. При движении автомобиля эта струя, естественно, отклониться назад. Следовательно, угол аберрации α, при движении источника света нужно откладывать от нормали в противоположную сторону от вектора скорости перемещения источника.

Таким образом, на рис. 1 луч 3 от источника света 0 пойдет не по направлению к точке А, а по направлению к точке D. Майкельсон ошибся. В его голове стояла картина реки с двумя лодками, которые двигаются вдоль и поперек течения. Именно для этой картины он производил расчеты времени хода лучей в приборе и получал разность фаз. Но этим не исчерпываются недостатки его чертежа и, следовательно, расчетов.

Внешне майкельсоновская схема хода лучей в интерферометре, взятая из работы [14] (см. рисунок справа), напоминает чертеж из геометрической оптики, когда все углы отражения равны углам падения. Но при наличии аберрации этот закон нарушается. Луч света, падающий на полупрозрачное зеркало под углом в 45°, отразиться уже не под тем же углом, а под другим: 45° + α. Следовательно, в случае быстрого перемещения источника, приемника и системы зеркал уже нельзя пользоваться законами геометрической оптики, справедливой только для стационарного случая.

В движущейся системе понятие «оптического пути» видоизменяется. В этом случае нужно учитывать эффект аберрации и эффект Доплера, которые не учитываются в оптике неподвижных источников света и приемных датчиков. Традиционная схема хода лучей в интерферометре не пригодна для расчета разности фаз, которая ответственна за интерференционную картину. Она была непосредственно взята из примера Майкельсона с лодками, которые сносятся течением реки. С лучами света дело обстоит совершенно иначе. Они распространяются в неподвижной эфирной среде, движутся же источник и приемники световых колебаний.

*
*   *

Прежде чем углубляться в детали интерферометра и схему эксперимента, давайте посмотрим, что происходило накануне до этого. С этой целью процитируем отрывок из статьи Майкельсона и Морли, написанной по итогам эксперимента 1887 года.

«Согласно Френелю, — пишут авторы, — в волновой теории эфир, во-первых, предполагается находящимся в покое, за исключением внутренности прозрачных сред, в которых, во-вторых, он считается движущимся со скоростью, меньшей скорости среды в отношении (n² – 1)/n², где n — коэффициент преломления. Эти две гипотезы дают полное и удовлетворительное объяснение аберрации. Вторая гипотеза, несмотря на ее кажущееся неправдоподобие, должна считаться полностью доказанной, во-первых, замечательным опытом Физо и, во-вторых, нашим собственным исследованием. Экспериментальная проверка первой гипотезы составляет цель настоящей работы.

Если бы Земля была прозрачным телом, то, учитывая только что упомянутые эксперименты, вероятно, можно было бы допустить, что межмолекулярный эфир находится в пространстве в покое, несмотря на движение Земли по орбите; но мы не имеем права распространять выводы из этих экспериментов на непрозрачные тела. Однако вряд ли можно сомневаться, что эфир может проходить и действительно проходит через металлы. Лоренц приводит в качестве иллюстрации трубку ртутного манометра. Когда трубка наклонена, эфир, находящийся в пространстве над ртутью, безусловно, выталкивается оттуда, поскольку он не сжимаем. Но опять-таки мы не имеем права предположить, что он выходит совершенно свободно, и если бы существовало какое-то сопротивление, хотя и слабое, мы не могли бы, конечно, полагать, что непрозрачное тело, такое, как Земля в целом, обеспечивает свободное прохождение эфира через всю эту массу. Но, как удачно отмечает Лоренц, «как бы то ни было, по моему мнению, в этом вопросе, также важном, лучше не позволять себе руководствоваться соображениями, основанными на правдоподобности или простоте той или иной гипотезы, а обращаться к опыту, чтобы научиться узнавать состояние покоя или движения, в котором находится эфир на поверхности Земли.

В апреле 1881 г. был предложен и испытан метод для решения этого вопроса.

При выводе формулы для измеряемой величины тогда было упущено из виду влияние движения Земли через эфир на путь луча, перпендикулярного этому движению. Обсуждение этого упущения и всего эксперимента составляет предмет очень глубокого анализа Г. А. Лоренца, который выяснил, что данным эффектом ни в коем случае нельзя пренебрегать. Как следствие, в действительности величина, которая должна быть измерена, составляет только половину предполагавшейся величины, и, поскольку последняя уже была едва за пределами ошибок эксперимента, выводы, сделанные из результатов опыта, могли вполне основательно подвергаться сомнению. Однако, поскольку основная часть теории сомнению не подлежит, было решено повторить эксперимент с такими изменениями, которые давали бы уверенность в том, что теоретический результат достаточно велик, чтобы не быть скрытым экспериментальными погрешностями» [14, 515 – 516].

В этом пассаже авторы касаются проблемы «Увлечения света движущимися телами» — тема, подробно проанализированная в книге [15]. углубившись в историю вопроса, они пишут:

«Еще Френель в цитированном выше письме, в котором было введено понятие о коэффициенте увлечения, показал, что принятие значение k = (n² – 1)/n² позволяет объяснить отсутствие влияние движения Земли на некоторые оптические явления, даже если признать неподвижность эфира, т.е. явно отказаться от распространения принципа относительности на электродинамику. В дальнейшем вопрос о коэффициенте увлечения становится центральным пунктом теории. Признав недостаточно обоснованными исходные предпосылки Френеля (различная плотность эфира в разных телах при одинаковой его упругости), последующие исследователи пытались дать динамическую интерпретацию эффекта увлечения, исходя из других моделей.

Стокс заметил, что френелевский коэффициент можно получить, если допустить, что внутри тела движется весь эфир, причем входящий в Землю или другое тело спереди эфир сразу сжимается, а выходящий позади тела разряжается» [15, с. 27 – 28].

Отсюда становится понятно, что Майкельсон и Морли фактически проверяли именно эту идею Стокса, которой отдавал предпочтение и Лоренц. По модели Френеля никакого ветра эфир не вызывает: физические тела создают неоднородность в плотности эфира, которые движутся вокруг Солнца с орбитальной скорости Земли, но сам эфир покоится. Франкфурт и Френк правильно заметили, если принять это — значит «явно отказаться от распространения принципа относительности на электродинамику». Между тем к моменту обсуждения этой острой проблемы тотальный принцип относительности уже был провозглашен Махом. Те, кто соглашался с ним, автоматически переходили на позиции Стокса и Лоренца, придерживавшихся отнюдь не новой концепции.

По старым представлениям, Земля при своем движении вокруг Солнца должна обдуваться эфирной средой подобно тому, как летящий мяч обдувается воздухом. Каким бы разряженным не был эфир в результате трения Земля и другие планеты рано или поздно должны будут упасть на Солнце. Однако астрономы не заметили какого-либо замедления в их движении: каждый последующий год в точности равен предыдущему. Дело усугублялось еще и тем, что физики установили, что свет представляет собой колебания электрического и магнитного поля, направленные перпендикулярно лучу распространения. Было установлено, что такие поперечные колебания возможны только в абсолютно твердом теле. Значит, планеты и все другие тела перемещаются в твердом теле? Абсурд!

Во времена Майкельсона не существовало объектов, которые могли бы служить моделью для подобного рода движений. Сегодня знания о мире существенно расширились. При изучении физики полупроводников были открыты механизмы, которые позволяют моделировать описанную выше ситуацию. Например, при низких температурах в германии образуются так называемые экситоны. Эти квазичастицы перемещаются в полупроводнике без переноса полупроводникового вещества.

Таким образом, в твердом теле образуются энергетические возбуждения, которые аналогичны атомам водорода и описываются соответствующими характеристиками: боровским радиусом орбиты, импульсом, массой и пр. При определенных условиях можно получить биэкситоны — аналог гелия, триэкситоны — аналог лития. Физики открыли экситонную жидкость, которая собирается в капли; капли можно испарять. Короче говоря, физика твердого тела имеет дело с механикой супервещества, которое надстраивается над обычным веществом.

Впрочем, и во времена Майкельсона многие конструктивно думающие физики считали, что атомы и молекулы обычного вещества образованы вихрями или каким-то более сложными возбуждениями эфирной среды. Например, Дж. Дж. Томсон пытался моделировать электрон и атом с помощью вихрей и фарадеевских трубок (см. Материя и эфир, Электричество и материя, а также полезно почитать здесь). Такие, как он физики, отлично понимали, что никакого «эфирного ветра» зарегистрировать нельзя. Земля и всё, что на ней находится (включай интерферометр Майкельсона), летит в открытом космосе подобно тому, как волна скользит по поверхности океана.

Трудно сказать, почему эксперимент Майкельсона — Морли произвел на релятивистов столь сильное впечатление. Ведь еще Маскар, после проведения большой серии экспериментов в 1869 – 1874 гг. сделал вывод: «Явления отражения света, дифракции, двойного преломления и вращения плоскости поляризации в равной мере не в состоянии выявить поступательное движение Земли, когда пользуемся светом Солнца или земного источника» [15, с. 31]. Спрашивается, почему нужно было ожидать чего-то экстраординарного от интерференционной картины, которая получалась в установке Майкельсона? Франкфурт и Френк напоминают, что помимо вышеупомянутого Миллера, который получил положительный результат, подобные эксперименты были проделаны Рэлеем (1902) и Бресом (1905), подтвердившими уже отрицательный результат Майкельсона. Понятно, что расхождение в толковании опытов, степень непонимания и недоверия к эмпирическим результатам во многом зависит от мировоззренческих позиций физика.

О различиях в эпистемологическом подходе формалистов-феноменалистов и рационалистов-конструктивистов можно говорить долго. Но сейчас важно понять, что мировоззрение Лоренца тяготело к первым, а Дж. Дж. Томсона — ко вторым. В своей электронной теории Лоренц, в отличие от Дж. Дж. Томсона, электрон представлял математической точкой и не ломал голову над его внутренней структурой. Он также считал, что атомы вещества существуют сами по себе, а эфирная среда — сама по себе. Его мышление пронизано абстрактной символикой, в нём мало места отводилось наглядным представлениям. За длинными математическими выкладками терялась физика явления.

*
*   *

Опыт Ипполита Луи Физо (1819 – 1896), проведенный в 1851 г. и повторенный Майкельсоном в 1886 г., касался определения скорости света в движущейся среде. Упрощенная схема эксперимента выглядит как показано на фиг. 16, взятой из книги [17, с. 99].

Фиг. 16. Свет от источника L , разделяясь на два луча, проходит через трубу, по которой течет вода со скорость u. Из-за разности хода лучей в точке А появляется интерференционные полосы, которые можно сдвинуть, если изменить направление скорости u. По идее, результирующая скорость должна находиться по элементарной формуле сложения двух скоростей: V = c' ± u, где c' = c/n — скорость света в среде с коэффициентом преломления n. Однако эксперимент показал, что эта формула не пригодна для расчета V.

Напомним, если скорость света в пустоте обозначить через c, то в среде с показателем преломления n она уменьшится: c' = c/n. В воздухе, как и в вакууме, она равна c' = c =300 000 км/с, так как для воздуха показатель преломления n близок к единице; для воды n = 1,33 и c' = 225 000 км/с, а для алмаза n = 2,42 и c' = 124 000 км/с. Получается, чем плотнее среда, тем меньше скорость света (плотность алмаза в 3,5 раза выше воды). В акустике, в общем, наблюдается обратная зависимость. Если в воздухе звук распространяется со скоростью 331 м/с, то в воде — 1482 м/с, а в стали 6000 м/с. Однако зависимость скорости акустической волны от плотности среды не столь однозначна и зависит от строения вещества (см. табл. 3 Введение в акустику).

Физо показал, когда водная среда начинает перемещаться, скорость света в ней находится по "релятивистской" формуле сложения двух скоростей:

где u = 7 м/c, при которой не образуется турбулентных завихрений. На одном участке трубы скорость движения воды u совпадает со скоростью c' и тогда в формуле фигурирует, на друго участке не совпадает и тогда ставится "–".

Но ни о какой "релятивистской" трактовке последней формулы в середине XIX века не могло быть и речи. Интерпретации поддавалась ее приближенное значение, за которым скрывалось более сложная зависимость результирующей скорости V от длины волны светового излучения. Выражение стоящее в скобках называлось коэффициентом увлечения, который вывел и объяснил Огюстен Жан Френель (1788 – 1827) еще в 1818 году, после эксперимента, проведенного Домиником Франсуа Жаном Араго (1786 –1853).

Араго экспериментировал с движущейся стеклянной призмой, измеряя при этом угол аберрации. Он рассчитывал, что два знакомых нам вектора скорости будут складываться и вычитаться обычным образом: V = c' ± u. Тогда, в соответствии с логикой эксперимента, должен был измениться угол аберрации. Однако с точностью до одной угловой секунды величина α = 20,45", найденная Дж. Брэдли, не менялась.

Цель эксперимента можно было сформулировать иначе и решать обратную задачу: как изменится показатель преломления призмы, находящейся на Земле, движущейся со скоростью 30 км/с, если через призму пропускать свет от неподвижной звезда. Тогда отрицательное заключение из этой постановки задачи выглядит так: показатель преломления призмы не меняется.

Френель принял, что световые волны носят продольный характер, как и акустические волны (поперечный характер световых волн был установлен им в 1821 году). Скорость звука в том или ином веществе, как мы уже знаем (Введение в акустику), зависит от плотности вещества. Избыток плотности возникает в результате различного рода возбуждений среды, например, воздушных и водных вихрей. Если акустические волны пропускать через движущийся со скоростью u вихрь, то их звуковая скорость внутри вихря будет реагировать на избыточную плотность в соответствии с "релятивистской" формулой. Кажется, что в вихре кружится весь заключенный в нем воздух и переносится вместе с вихрем. Если так, то результирующая скорость определялась бы по "классической" формуле сложения скоростей, но этого не случилось. На высоком формально-теоретическом уровне Френелю удалось провести параллель между оптическими и акустическими явлениями. Он показал, что увлечению подвергается лишь избыток плотности эфира в материальных телах по сравнению с плотностью эфира в открытом космосе.

Волновая теория Френеля, объясняющая целый комплекс оптических проблем, включая дифракцию и поляризацию, безмятежно господствовала при и его жизни и затем еще без малого два десятка лет после его смерти. Французская школа оптиков, прежде всего, в лице Араго, Френеля, Фуко и Физо, явно доминировала в мире. Англичане, вечные конкуренты французов, с завистью взирали на успехи своих противников не только в научной сфере, но также культурной, политической и военной.

Френель вывел коэффициент частичного увлечения, оперируя двумя характеристиками эфира, определяющими скорость света. Это — его упругость, которая оставалась неизменной для движущихся сред, и его варьируемой плотности. Англичанин Джордж Габриэль Стокс (1891 – 1903) в середине 1840-х годов впервые высказал идею полного увлечения эфира движущимися объектами такими, например, как наша планета. При этом он опирался на третью механическую характеристику эфира — вязкость. В 1849 году он опубликовал фундаментальную работу «О теории внутреннего трения в движущихся жидкостях и о равновесии и движении упругих твёрдых тел», в которой получил знаменитое дифференциальное уравнение для описания движения вязких жидкостей.

Стокс считал, что Земля целиком увлекает эфир не только внутри своего объема, но и далеко за пределами своей поверхности. Как высоко простирается слой увлекаемого планетой эфира — неизвестно. Миллер, пытаясь измерить скорость эфирного ветра, старался подняться вместе с интерферометр как можно выше: быть может, там высоко в горах или на высоте полета дирижабля дует ветер. Эксперимент Физо 1851 года был хорош как раз тем, что убедительно доказывал не состоятельность теории Стокса и справедливость теории Френеля.

В 1868 году всем известный англичанин, Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879), сам проделал опыт, аналогичный опыту Физо. Однако, по итогам экспериментирования он вынужден был признать победу за теорией Френеля. Так как эксперимент Физо касался эффекта первого порядка по β, Максвелл высказал предположение, что эффект по β², возможно, даст о себе знать в будущем, когда физики научатся измерять столь малые величины.

Следующий за этим эксперимент, проведенный англичанином Джорджем Бидделем Эйри (1801–1892) в 1871 году по измерению звездной аберрации при наблюдении через телескоп, заполненный водой, также подтвердил правоту Френеля. Наконец, эксперимент 1886 года, осуществленный Майкельсоном и Морли, по схеме близкой к экспериментальной установке Физо 1851 года, еще раз доказали верность теории частичного увлечения эфира. Вот, как об этом говорил Майкельсон на юбилейной конференции 1927 года:

«В 1880 году я задумался над возможностью измерения оптическим способом скорости v движения Земли в Солнечной системе. Ранние попытки обнаружить эффекты первого порядка основывались на идее движения системы сквозь стационарный эфир. Эффекты первого порядка пропорциональны v/c, где c — скорость света. Исходя из представлений о любимом старом эфире (который теперь заброшен, хотя я лично еще его придерживаюсь), ожидалась одна возможность, а именно, что аберрация света должна быть различной для телескопов, заполненных воздухом или водой. Однако эксперименты показали вопреки существующей теории, что такой разницы не существует.

Теория Френеля первая объяснила этот результат. Френель предположил, что вещество захватывает эфир, частично (увлечение эфира), придавая ему скорость v, так что v' = kv. Он определил k — коэффициент Френеля через показатель рефракции n: k = (n² – 1)/n². Этот коэффициент легко получается из отрицательного результата следующего эксперимента.

Два световых луча пропускаются вдоль одного пути (0,1,2,3,4,5) в противоположных направлениях и создают интерференционную картину. I — это труба, заполненная водой. Если теперь вся система движется со скоростью v сквозь эфир, при перемещении трубы из положения I в положение II должно ожидаться смещение интерференционных полос. Смещение же не наблюдалось. Из этого эксперимента при учете частичного увлечения эфира может быть определен коэффициент Френеля k. Он может быть также очень просто и непосредственно выведен из преобразований Лоренца.

Результат, полученный Френелем, признавался всеми исследователями универсальным. Максвелл указал: если не обнаружен ожидаемый эффект первого порядка, то, возможно, могут существовать эффекты второго порядка, пропорциональные v²/c². Тогда при v = 30 км/с для орбитального движения Земли v/c = 10^–4 имеем v²/c² = 10^–8. Это значение, по мнению Максвелла, слишком мало, чтобы его измерить.

Мне показалось, однако, что, используя световые волны, можно придумать соответствующее приспособление для измерения такого эффекта второго порядка. Я придумал прибор, который включал в себя зеркала, движущийся со скоростью v сквозь эфир. В этом приборе распространяются два луча света. Первый проходит вперед и назад параллельно вектору v, второй проходит под прямым углом к вектору скорости v. В соответствии с классической теорией изменения в световом пути, вызванные скоростью v, должны быть различными для продольного и поперечного луча. Это должно производить ощутимое смещение интерференционных полос. …

При движении прибора со скоростью v сквозь эфир должен возникать такой же эффект в свете, что и при движении лодки, плывущий вниз и вверх по течению реки, а также вперед и назад поперек течения. Время, требуемое для преодоления дистанции вперед и назад, будет различным для обоих случаев. Это легко увидеть из следующего соображения. Какова бы ни была скорость течения реки, лодка всегда должна будет вернуться к тому месту, из которого она стартовала, если только она движется поперек течения реки. Если же лодка движется вдоль течения, то она может уже и не достичь того места, откуда стартовала, когда плывет против течения.

Я попытался провести эксперимент в лаборатории Гельмгольца в Берлине, но вибрации городских магистралей не позволили стабилизировать положение интерференционных полос. Аппаратура была перенесена в лабораторию в Потсдаме. Я забыл имя директора (думаю, что это был Фогель), но вспоминаю с удовольствием, что он немедленно проявил интерес к моему эксперименту. И хотя он никогда не видел меня раньше, он предоставил всю лабораторию вместе с ее штатом в мое распоряжение. В Потсдаме я получил нулевой результат. Точность была не очень высока, потому что длина оптического пути составляла около 1 м. Тем не менее, интересно отметить, что результат был вполне хорошим.

Когда я вернулся в Америку, мне посчастливилось в Кливленде вступить в сотрудничество с профессором Морли. В приборе применялся тот же принцип, что и в приборе, использованном в Берлине. Правда, длина светового пути была увеличена за счет введения некоторого числа отражений вместо единственного прохождения луча. Фактически длина пути составила 10 – 11 м, что должно было за счет орбитального движения Земли сквозь эфир дать смещение в половину полосы. Однако ожидаемого смещения обнаружить не удалось. Смещение полос было определено меньше, чем 1/20 или даже 1/40 от предсказанного теорией. Этот результат может быть истолкован так, что Земля захватывает собой эфир почти полностью, так что относительная скорость эфира и Земли на ее поверхности равна нулю или очень мала.

Это предположение, однако, весьма сомнительно, потому что противоречит другому важному теоретическому условию. Лоренцем было предложено иное объяснение (Лоренцево сокращение), которое в окончательной форме выведено им как результат известных преобразований Лоренца. Они составляют сущность всей теории относительности» [16].

В этом фрагменте Майкельсон отразил основные вехи становления специальной теории относительности. Как видим, некорректность эксперимента по обнаружению эфирного ветра вытекает из двух ложных предпосылок. Прежде всего, автор эксперимента неправильно считал, что материал мировой среды и материал, из которой "сделана" Земля, различны. Именно поэтому на поверхности планеты должен наблюдаться эфирный ветер, когда она вращается вокруг Солнца. Вторая ошибка вытекала из ложной аналогии между движением лодок на реке и ходом лучей в интерферометре, о чем говорилось в конце предыдущего подраздела.

Теория Огюстена Жана Френеля (1788 – 1827), созданная после удачного истолкования эксперимента Араго 1810 года по измерению скорости света в движущейся линзе, с помощью понятия частичного увлечения эфира объясненяла неизменность интерференционной картинки и в эксперименте Физо. Точно так же нужно было найти конкретную причину неизменности интерференционной картинки в эксперименте Майкельсона – Морли. Лоренц, плотно работавший с Майкельсоном, предложил сокращение линейных размеров физических тел в направлении вектора v, которое, как ему казалось, вытекало из найденных им преобразований. Однако эти преобразования лишины были физического смысла, особенно, в интерпретации эйнштейновского варианта теории относительности.

Истинная причина отрицательного результата лежит в другом и смысл ее таков. Если источник волн находится на одной движущейся платформе с приемником, то за счет компенсации длина волны, частота и период колебаний останутся такими же, как и при неподвижной платформе. Вы можете поворачивать эту платформу на любой угол по отношению к вектору ее перемещения — всё равно интерференционная картина останется неизменной, так как компенсационный механизм и в этом случае сработает. Этот аргумент уже назывался, но он настолько важен, что его лишнее напоминание не повредит, особенно, релятивистам.

— III —

Чтобы понять действие компенсационного механизма, вычертим на рис. 3 принципиальную схему интерферометра. Она в чем-то напоминает рис. 1 (слева) только сложной системы зеркал здесь уже нет. В точке i находится источник света. В точке A расположен оптический прибор (терескоп), с помощью которого можно наблюдать интерференционную картину. P — полупрозрачное зеркало, выполняющего роль делителя светового потока. S₁ и S₂ — зеркала; S₃ — изображение зеркала S₂ в полупрозрачном зеркале P. Наконец, числами 1 – 4 обозначены лучи света, которые соответствуют лучам, изображенным на следующем рисунке.

Рис. 3. Свет от источник i падает на полупрозрачное зеркало P. Часть светового пучка 1, распространяющегося по горизонтальному плечу интерферометра, проходит сквозь делитель светового потока P и, отразившись от зеркала S₂ в виде луча 2, попадает на экран приемника A. Другая часть светового потока от источника i в виде луча 3, отразившись от делителя P, распространяется вдоль вертикального плеча прибора. Там луч 3 отражается от зеркала S₁ и в виде луча 4 также попадает в телескоп A. Зеркала S₁ и S₂ установлены друг относительно друга не совсем строго перпендикулярно. Изображение зеркала S₂ в полупрозрачном зеркале P, обозначенное как S₃, образует с зеркалом S₁ острый угол. Это позволяет получить полосы, которые можно видеть с помощью оптического прибора A. Полосы кажутся лежащими в плоскости зеркал S₁ и S₃.

Картина интерференционных полос напоминает ту, что можно наблюдать на клине в воздушном слое между двумя отражающими плоскостями. Аналогичную интерференцию, но уже в виде колец, наблюдал Ньютон (ньютоновы кольца). На интерференционную картину влияет величина угла между зеркалами S₁ и S₂, а также исходная разница плеч интерферометра. Если, например, укорачивать длину горизонтального плеча, полосы перемещаются в одну сторону, а если укорачивать длину вертикального плеча, полосы перемещаются в другую сторону. Если слегка изменять угол между зеркалами S₁ и S₂, то интерференционные полосы будут сдвигаться или расширяться.

Интерференционную картину, получающуюся при покоящемся относительно эфира приборе, получить невозможно, поскольку Земля движется непрерывно. Поэтому решено было сравнивать интерференционные картины при различном положении плеч относительно направления движения планеты. Тогда разность хода лучей, которая возникает при движущемся приборе (ΔT), должна удвоиться (2ΔT).

Майкельсон был прекрасным экспериментатором, но в теории он ошибся, когда пытался рассчитать разность между путями, пройденными горизонтальными и вертикальными лучами. Чтобы понять, в чем он ошибся, мы изобразим ход тех же самых лучей 1, 2, 3 и 4, как он их себе представлял, в динамике на фоне трех волновых фронтов (рис. 4). Большая длина волны не должна смущать читателя. Мы можем между двумя соседними фронтами поместить еще миллион таких же окружностей — суть дела от этого не изменится. Данный рисунок просто выглядит более наглядно.

На рис. 4 реальное положение третьего луча отвечает линии 3', так как за счет угла аберрации α луч света должен отклоняться немного назад относительно направления движения (объяснение было дано выше). Линии 3 не будет отвечать никакая определенная длина волны, что и доказывает ее ошибочное направление. Это важное обстоятельство, так как всякий луч должен иметь определенную длину волны.

Три волновых фронта, которые показаны на рисунке, были испущены источником света i, когда тот находился в положениях i₀, i₁ и i₂. Вся картина зафиксирована на момент времени, когда источник света вместе с жестко связанными зеркалами S₁ и S₂ переместился в положение i₃.

Рис. 4. На рисунке показаны три длины волны: две продольные — λ₁ и λ₂ и одна поперечная — λ₃ , отношение между которыми в точности соответствует отношению между реальными длинами. Кроме того, на рисунке показана еще одна длина волны — λ_3' .

Как уже говорилось, вычерченной линии 3 не отвечает ни одна длина волны. Это важно для понимания ошибки Майкельсона. Если бы зеркала были крохотных размеров, то за счет аберрации (отклонения луча назад), луч 3' мог бы вообще не попасть на зеркало S₁. Но в действительности размеры зеркал огромны (5 см) по сравнению с величиной отклонения луча (около 1 мм). Поэтому то, что на схеме и в книгах обыкновенно изображается двумя зеркалами — S₁ и S'₁, реально представляет собой одну сплошную зеркальную поверхность S₁.

Как мы уже знаем, в своем геометрическом анализе Майкельсон не верно учел угол аберрации α, который в этом случае равен 20,45". Таким образом, углы между лучами 1 и 3 или 2 и 4, т. е. между плечами интерферометра (рис. 3), не равны 90°, поэтому вся нижеприведенная математика не соответствует реальному положению дел. Но мы сейчас ставим задачу познакомить читателя с логикой рассуждений именно Майкельсона, а он рассуждал следующим образом.

Световые волны относительно эфира распространяются с неизменной скоростью c, но вдоль обоих плеч интерферометра, длина которых одинаковая и равна L, т. е. относительно движущихся зеркал S₁ и S₂, они будут двигаться с различной скоростью. Время прохождения луча 1 от точки i₀ до точки S'₂, определится формулой:

время прохождения луча 2 равно:

время прохождения лучей 3 и 4, по мнению Майкельсона, равно:

Таким образом, общее время распространения светового фронта в горизонтальном направлении равно:

а общее время распространения волнового фронта в вертикальном направлении равно:

Здесь сразу же можно предъявить претензию: сложение скоростей ведется по обычной, а не релятивистской формуле. Это и понятно, так как Майкельсон планировал и реализовывал свой эксперимент еще до появления релятивистской формулы сложения скоростей. Релятивисты обязаны были по этому поводу забить во все колокола. Ведь согласно второму постулату относительная скорость двух движущихся объектов не может превышать скорость света. Следовательно, эксперимент Майкельсона — Морли это не эксперимент релятивистов, коль скоро там используются формулы противоречащие теории относительности. Но релятивисты прославились тем, что научились не слышать, когда критики им указывают на противоречия.

Однако последуем за ходом мысли Майкельсона. Так как время прохождения лучей различно, подумал он, значит должен наблюдаться набег фазы, пропорциональный разности хода лучей в горизонтальном и вертикальном плече:

Разность ΔT определила исходную интерференционную картину. После разворота интерферометра на угол 90° Майкельсон ожидал увидеть сдвиг интерференционных полос. Чтобы оценить величину результирующего сдвига, он разделил удвоенное значение разности хода на период колебания световых волн и подставил известные ему параметры λ, β и L:

При этом не было учтено, что набег суммарной фазы, рассчитанный по разности оптического пути, будет полностью скомпенсирован движением источника колебаний, что приведет к изменениям фаз для соответствующих длин волн — λ₁, λ₂, λ₃ и λ₄. Если учесть, что источник света движется вместе с Землей и даже закреплен на одной платформе с оптической системой, то в результате изменения длины волны интерференционная картина останется неизменной — в какую бы сторону не поворачивали прибор.

В математической форме этот простой физический факт можно выразить следующим образом. При покоящемся приборе на отрезке L уложится n волн длиной λ и периода T, причем

n = L/λ = t/T,   T = λ/c,   t = L/c.

При движущемся приборе за счет эффекта Доплера на первом участке оптического пути длина волны будет иметь значение, равное

, но .

Поэтому время, необходимое для прохождения пакета из n волн, будет одинаковым — что для покоящегося прибора, что для движущегося:

t₁ = nT₁ = nT = t.

Аналогичная компенсация фазы произойдет и на других участках пути. Иначе говоря, как бы не перемещался прибор, его интерференционная картина будут такой, какой она была в покоящемся приборе.

Общая формула для произвольного случая движения источника и приемника выглядит следующим образом:

.

Если источник и приемник движутся в одном направлении с одинаковой скоростью:

θ₁ = θ₂ и β₁ = β₂, то частота не меняется: f ' = f.

Отсюда следует исключительно важное следствие, а именно: с помощью интерферометра Майкельсона или любого другого интерфероментра, устроенного иначе, принципиально нельзя определить движется или покоится Земля относительно неподвижного эфира. Сегодня физики располагают массой различных приборов, имеющих дело с оптическими явлениями. Но их показания не зависят от положения относительно вектора движения Земли, так как всякий раз срабатывает компенсационный механизм, сущность которого сейчас была досконально разобрана.

Увы, до сих пор находятся люди, уверяющие, что с помощью некой оптической системы можно измерить скорость «эфирного ветра». Они даже говорят, что его зафиксировали высоко в горах. Действительно, в конце 1920-х и в начале 1930-х годов шла оживленная дискуссия на сей счет. В 1933 г. вышла статья Д. Миллера, в которой были представлены его результаты измерений, якобы свидетельствующие о существовании эфирного ветра порядка 10 км/с. По мнению автора, величина эфирного ветра должна зависеть от точки на поверхности Земли и от высоты ее над уровнем океана. Степень «зацепления» эфира за неровности земной поверхности максимальны на уровне океана, так что прилегающие к Земле слои эфира имеют ту же скорость, что и сама планета (ветер отсутствует); высоко в горах этот эффект ослабевает (ветер присутствует).

На результате Миллера обратил внимание даже сам Майкельсон. В юбилейном докладе 1927 года он сказал: «Эксперимент Майкельсона – Морли был предложен Морли и Миллером, которые снова получили отрицательный результат. Миллер затем продолжил работы самостоятельно, и, похоже, теперь получен определенный положительный эффект. Этот эффект, однако, не может быть получен за счет орбитального движения Земли. Похоже, что он возникает вследствие движения Солнечной системы относительно звездного пространства, скорость которого может быть много большей орбитальной скорости Земли. Наблюдения г-на Миллера вызывают новый интерес к проблеме» [16].

От релятивистов можно часто слышать слова: «Ошибок в анализе эксперимента быть не должно, хотя бы потому, что за столь длительное время его успели тысячи раз проверить и перепроверить». Но почитайте-ка книгу [13], где в параграфе 167 Лоренц разбирает интересующий нас опыт и вычерчивает схему, повторяющую правый рис. 1. Казалось бы, последующая череда теоретиков должна была исправить это упущение, но в течение короткого времени теория относительности превратилась в догму, ложные объяснения, схемы и формулы уже никогда не подвергались сомнению, а их авторы были провозглашены исключительно прозорливыми учеными, предвосхитившими немеркнущую в веках истину.

Чтобы продемонстрировать всю глубину непонимания Лоренцем волновых процессов, происходящих в интерферометре, воспроизведем в точности рисунок из его книги «Теория электронов». Ложное представление хода лучей, первоначально возникшее в голове Майкельсона демонстрирует рис. 5. На схеме (а) Лоренц пытался изобразить горизонтальное и вертикальное плечи интерферометра длиной L, где также указал делитель светового потока P, зеркала B и C. На схеме (б) он дал чуть более развернутый ход луча в вертикальном плече интерферометра; здесь точка Q соответствует новому положению зеркала B. Та небрежность, с которой Лоренц подошел к графическому изображению сложного оптического процесса, происходящего в интерферометре, стала источником ошибочной интерпретации эксперимента Майкельсона – Морли.

Рис. 5

И вот человек, испытывающий неприязнь к геометрическим формам, по воле судьбы оказался главным интерпретатором результатов эксперимента, где основной проблемой как раз и было отчетливое построение волновой картины. По-видимому, Лоренц представлял себе луч света, распространяющийся от точки P к точке Q, как струю воды которая, куда ее не повернет брандспойт, всегда будет хлестать из шланга с постоянной скоростью. В п. 167 своей книги он определил расстояние, преодоленное вертикальным лучом 3, по теореме Пифагора:

и принял, что этот путь свет должен пройти со скоростью c. Другими словами, он принял равенство: c² = c² + v², еще до провозглашения второго постулата Эйнштейна. Разумеется, это не божественное прозрение, а элементарная ошибка (ее не было в статье Майкельсона и Морли [14]). Только случайное совпадение приближенных математических выражений (в итоговой формуле Лоренц пользовался этим приближением) —

и

позволило скрыть его слишком грубые ошибки расчета скорости движения света в вертикальном плече интерферометра. Естественно, при таком понимании волнового процесса мысль об аберрации ему не могла прийти в голову.

Несмотря на эту грубейшую ошибку, Лоренц приходит к выводу, что горизонтальное плечо интерферометра должно сократиться, чтобы разность времени прохождения света по горизонтали и вертикали в соответствии с формулой:

обратилась в ноль (с критикой его путаных суждений можно познакомиться в специальном разделе Спекулятивная геометрия). Таким образом, была принята «гипотеза» Лоренца – Фицджеральда о сокращении длин отрезков в направлении их движения в соответствии с формулой:

.

Благодаря такому сокращению разность ΔT = 0. Логики в этой экзотической «гипотезе» уменьшения длины ровно столько же, сколько и в гипотезе об увеличении длины в направлении перпендикулярном к вектору скорости движения в соответствии с формулой:

.

В этом случае тоже имели бы ΔT = 0. Но релятивисты предпочли первый вариант из соображений, вытекающих из их понимания преобразований Лоренца. И тут они опять допустили непростительную ошибку.

Дело в том, что Майкельсон путем перемещения зеркала менял абсолютную длину плеча и наблюдал сдвиг полос; нечто подобное он ожидал зарегистрировать при повороте интерферометра. Все иначе в специальной теории относительности, появившейся после эксперимента. Согласно этой замечательной концепции, наблюдатель находящийся в одной системе с движущейся линейкой не может зафиксировать ее сокращения. Поскольку Майкельсон, как наблюдатель, и его интерферометр находятся в одной системе отсчета, то ни одна из деталей прибора не может изменить своих размеров.

Вот если бы Майкельсон находился в системе отсчета неподвижного эфира, он мог бы зарегистрировать какое-то сокращение длины у своего летящего со скоростью 30 км/с прибора. Но в ситуации, которую мы рассматриваем, длина горизонтального плеча для всех жителей Земли, включая Майкельсона, должна быть равна строго L, а не укороченная L'. Желая следовать принципу относительности, выраженному в постоянстве интерференционной картины, релятивисты нарушили его в другом месте, приняв гипотезу абсолютного сокращения длины. Данное противоречие называется парадоксом интерферометра Майкельсона и стоит в одном ряду с таким противоречием, как парадокс штриха, о котором рассказывается в разделах Парадокс штриха и парадокс лыжников и Парадокс штриха для координат.

По-хорошему, сторонники теории относительности должны были снова заявить: «Эксперимент Майкельсона – Морли — это не наш эксперимент, так как Лоренц придерживался абсолютистских позиций. Он вместе Майкельсоном не отрекся от эфира и вместе с Пуанкаре представлял себе сокращение длины (в частности, уменьшение диаметра электрона) за счет динамических сил, действующих со стороны эфирной среды (см. Теория относительности Пуанкаре). Мы же, релятивисты, приняли совершенно иную концепцию, согласно которой сокращение длины происходит за счет чистой кинематики». Однако мышление релятивистов столь непоследовательно, что подобные нелогичности они уловить уже не в состоянии.

— IV —

В этом подразделе приведено типичное обсуждение изложенной выше проблемы с одним из читателей сайта. Он написал письмо следующего содержания.

Иван:

Олег, вы не рассердитесь, если я обсужу с вами результат опыта Майкельсона — Морли? Мне видится, что вы здесь неправы.

Вы доказываете, что частота остается неизменной, если источник и приемник движутся вместе.

Это правильно, но интерференция связана не с этим, а с тем: сколько длин волн укладывается на расстоянии L между источником и зеркалом.

Представьте себе, что источник в какой-то момент создает гребень волны. Этот гребень в среде распространяется как лодка с гребцом со скоростью с. Но зеркало убегает от источника со скоростью v. Следовательно, скорость гребня относительно зеркала равна с – v. После отражения гребень движется опять в среде со скоростью с, но теперь источник движется ему навстречу. В результате относительная скорость с + v. И всё здесь как у Майкельсона. Я в чем-нибудь неправ?

Олег:

Данную физическую проблему, Иван, можно начать решать с трех сторон: логической, математической и геометрической. Вижу, Вы пытаетесь подойти к проблеме с третьей стороны, т.е. пространственно воображаете волновой процесс, который происходит внутри интерферометра.

Это не совсем удобно в нашем положении. Даже если бы мы сидели за одним столом, что-то чертили карандашом на одном листе бумаги и отслеживали бы каждую нашу реплику, то и в этом случае потратили бы полдня. Поэтому придется, прежде всего, уповать на элементарный математический формализм и логику.

Итак, читаем у Вас: «Вы доказываете, что частота остается неизменной, если источник и приемник движутся вместе. Это правильно, но…».

Никаких «но». Достаточно того, что при любом повороте интерферометра частота остается неизменной. Источник колебаний и его приемник движутся одинаково, значит, числитель и знаменатель формулы, описывающей эффект Доплера, выглядят одинаково.

Слово «компенсация» у меня является ключевым. Движение источника компенсируется движением приемника. Интерференционная картина будет одной и той же — что при покоящемся приборе, что при движущемся.

Вы идете дальше, пытаясь воссоздать эту динамическую ситуацию в воображаемом пространстве, и… допускаете ошибку. В чем она состоит?

Смотрим, какую фразу Вы написали после «но»: «но интерференция связана не с этим, а с тем: сколько длин волн укладывается на расстоянии L между источником и зеркалом».

Точнее сказать так: интерференция связана с разностью фаз между волнами в горизонтальном и вертикальном плече. Другими словами, интерференционная картина будет наблюдаться в покоящемся приборе, если число волн в горизонтальном плече L₁ и в вертикальном L₂ не делится нацело.

Теперь заставим прибор двигаться. Что произойдет? Тут же начинает действовать компенсационный принцип. Получится, что и в движущемся приборе число волн в горизонтальном плече L₁ и в вертикальном L₂ останется прежним. То есть, какая была интерференционная картина при покоящемся приборе, такая же картина останется и при движущемся приборе.

Майкельсон не мог рассматривать покоящейся прибор, так как он всегда находился на движущейся Земле. Поэтому он сравнивал две интерференционные картины при двух различных движениях. Однако принцип компенсации действует в любом случае, следовательно, при обоих движениях процесс наложения волн (интерференция) останется неизменным как и при покоящемся приборе.

Читаем Ваше письмо дальше: «Представьте себе, что источник в какой-то момент создает гребень волны. Этот гребень в среде распространяется как лодка с гребцом со скоростью с. Но зеркало убегает от источника со скоростью v. Следовательно, скорость гребня относительно зеркала с – v. После отражения гребень движется опять по среде со скоростью с, но теперь источник движется ему навстречу. В результате относительная скорость с + v. И все как у Майкельсона. Я в чем-нибудь не прав?»

Да, не правы. В этом пассаже Вы упустили из виду движущийся источник колебаний. Скорости с – v и с + v измеряются относительно движущегося зеркала, т.е. приемника (для скорости с – v). Где «сидит» Ваша ошибка?

Изначально Вы берете один гребень и рассматриваете его относительные скоростей с – v и с + v. Этого недостаточно. Надо брать два гребня и учитывать расстояние между ними, т.е. учитывать длину волны. Именно она, в конечном счете, отвечает за интерференционную картину. Если этого не сделать, Вы упустите из виду компенсационный принцип — в нашем случае самое важное обстоятельство.

Итак, компенсация движения приемника происходит за счет компенсации движения источника. Как конкретно действует эта компенсация?

Пусть источник покоится: расстояние между двумя гребнями равно λ₀. Источник начал двигаться; нас интересует горизонтальное направление «туда», тогда расстояние между гребнями уменьшилось (λ₁ < λ₀). На этом этапе зеркало «убегает» от волновых гребней и, таким образом, укороченное расстояние между двумя гребнями (λ₁) восстанавливается, т.е. длина волны опять становится равна λ₀. Так на этом участке пути произошел компенсационный эффект.

Потом зеркало становится источником колебаний, который движется вправо по ходу движения прибора, а излучение происходит влево, т.е. «обратно». Значит, имеем увеличенную длину волны (λ₂ > λ₀). Но «экран», т.е. приемник, на котором происходит интерференция, движется на гребни. Таким образом, происходит компенсация, в результате которой λ₂ на «экране» превращается в λ₀.

Те же компенсационные эффекты имеют место в вертикальном направлении.

Иван:

Итак, Олег, число колебаний в секунду на источнике и зеркале одинаково. Но Фазы-то у них различны. Согласны, Олег? Как по-вашему можно определить разность фаз?

Олег:

Вопрос: «Как определить разность фаз?» для меня, Иван, звучит странно. Вы сами задаете эту разность фаз для исходной интерференционной картины, когда настраиваете интерферометр, т.е. когда прибор в покое (примем, что это возможен). Далее надо понять (пространственно представить), что эта разность фаз не изменится и при движущемся приборе.

Из Вашего же вопроса складывается впечатление, что Вы всё-таки думаете о какой-то еще разности фаз, которая возникает, наверное, за счет движения прибора. В общем, я здесь Вас плохо понимаю, поэтому давайте я подробно опишу ту картину, которая должна быть.

Пусть разность фаз между пакетами волн в горизонтальном и вертикальном плече будет равна Δφ, когда прибор покоился, т.е. эта разность будет определять исходную интерференционную картину. Утверждается, что благодаря компенсации та же Δφ останется, когда прибор начнет движение. Почему?

Дело в том, что фаза — это всего лишь некая часть целого волнового цикла. Предположим, прибор настроен так, что в горизонтальном плече уложилось ровно 100 волн, а в вертикальном — 100,3.Разность Δφ = 0,3 определит исходную интерференционную картинку, когда интерферометр покоится.

Теперь прибор поехал. Сработал принцип компенсации и восстановил все 100 волн в горизонтальном плече по схеме, которую мы обсудили в предыдущем письме. Что произойдет в вертикальном плече?

Да то же самое, что и в горизонтальном, только восстановлению подлежит уже не целое число волн, а именно: 100,3 длин волн. Если восстановилась целая часть (100 целых волн), почему по той же логике не восстановится часть волны (0,3)? Ведь эффект компенсации распространится как на целую, так и на добавочную ее часть, которая названа здесь Δφ.

В принципе, рассмотренный в предыдущем письме случай, предполагает случай, рассмотренный здесь, только сейчас мы сделали акцент не на целом числе волн. Если мы настроили интерференционную картинку, то это автоматически предполагает наличие какой-то разности фаз. Вопрос «Как определить разность фаз?» здесь уже не возникает. Далее нужно только мысленно следить за тем, что будет происходить с исходной Δφ, когда прибор движется. Через это, мне кажется, придет понимание эффекта компенсации и всего динамического процесса в целом.

Иван:

Олег, Вы были бы правы, если бы источник оторвался от генератора волн и плыл бы безмолвно, как зеркало. Генератор же волн оторвался от источника и плыл бы по течению.

Механизм компенсации показывает, что частота не меняется. Но это и так понятно, поскольку в интерпретации Майкельсона время общее и никак от движения не зависит. Вы не хотите рассматривать каждую волну, которая излучается во время движения, и как она распространяется к зеркалу. Если вы это сделаете, вы увидите правоту рассуждений Майкельсона. Компенсация не имеет отношения к этому. Она только показывает сохранение периода колебаний. Я думаю, что на этом можно остановить дискуссию.

Олег:

Должен только заметить, Иван, что Ваши представления о волновых процессах в интерферометре сильно отличаются от представлений Майкельсона, особенно в отношении интерференции.

Вы написали: «интерференция связана … с тем, сколько длин волн укладывается на расстоянии L между источником и зеркалом».

Нет, Майкельсон считает иначе (я выразил его позицию): «интерференция связана с разностью фаз между волнами в горизонтальном и вертикальном плече».

Эту позицию Майкельсона Вы как бы проигнорировали и задали мне следующий вопрос в соответствии с Вашим прежним пониманием разности фаз, которая якобы возникает между фазой отрыва волны от источника и фазой прихода ее к зеркалу. Вам представляется, что именно эта разность и вызывает интерференцию. Вспомните, как прозвучал Ваш вопрос: «…Число колебаний в секунду на источнике и зеркале одинаково. Но Фазы-то у них различны. Согласны, Олег?»

Да, Иван, различны; и Майкельсон с Вами здесь тоже согласится, только он Вас переспросит: «А причем здесь эта разность, если интерференция возникает в другом месте?» То есть Майкельсона (и меня) интересовала совсем другая разность фаз, а именно, между волнами, приходящими от горизонтального и вертикального плеча.

В последнем письме Вы говорите об «отрыве» генератора волн от источника колебаний или наоборот. Для Майкельсона (и меня) генератор волн и источник колебаний — это одно и то же. Но я, кажется догадываюсь, что Вы хотели этим сказать. Вы, Иван, снова сосредоточили свое внимание на одном конкретном участке: от источника до зеркала и, наверное, думаете, где-то здесь возникает наложение волн и интерференция.

Это – не так. Посмотрите внимательно раздел III, т.е. текст, начиная от слов: «Чтобы понять действие компенсационного механизма…». Здесь описан механизм возникновения интерференционной картины, как его понимал именно Майкельсон. Если Вы с ним согласны, Иван, прошу Вас, напишите мне об этом, а то я думаю, что Вы не согласны с Майкельсоном.

Иван:

Олег, именно разность фаз я и имел в виду. (Простите, что небрежен). Но чтобы сосчитать разность, нужно сосчитать обе фазы. Компенсационный механизм утверждает, что частота не меняется.

Майкельсон тоже считал, что она не меняется, и потому мог сосчитать разность фаз так, как он сделал в расчете на существование водной среды — эфира.

Именно эта ваша страница меня заинтересовала. Именно по этому поводу я и написал вам, что вы неправы.

Олег:

Иван, Вы снова ничего не сказали об интерференции. Разность фаз Вы понимаете как-то по-своему. О какой разности Вы говорите? Ваши письма очень короткие; из них не ясна общая картина, которую Вы держите в голове. Я только чувствую, что не попадаю со своими ответами. Но из-за отсутствия информации о понимании Вами интерференции, не могу нужным образом отвечать на вопросы.

Иван:

Олег, Вы же понимаете, что такое интерференция! Считайте, что я тоже понимаю.

Мне не очень понятно, почему вы настаиваете на компенсации.

Вы доказываете, что частота не меняется. С этим никто не спорит. И Майкельсон это принимает безо всяких сомнений. Так что доказательство не требуется. Его формула получена из абсолютно ясных наглядных принципов распространения волны внутри текущей среды с заданной скоростью. Поэтому ваше утверждение о компенсации никак не меняет его формулу, и сдвиг интерференционной картины должен бы был наблюдаться.

Отсутствие сдвига можно объяснить сокращением длины по Лоренцу. Отсюда еще не следует теория относительности. Я могу вам дать ссылку на интересную статью в этом отношении. Но ваше утверждение, что сдвиг интерференционной картины и не должен был бы наблюдаться из-за постоянства частоты — неправильно.

Олег:

Цитирую: «Мне не очень понятно, почему вы настаиваете на компенсации».

Позвольте напомнить Вам историю данного вопроса.

Майкельсон держал в голове лодку с гребцом, который совершает движения по течению, против течения и поперек течения реки туда и обратно. Анализ эксперимента он провел в точном соответствии с этой аналогией. Но лодка с гребцом, т.е. точечный объект, не может служить аналогией для волнового процесса. Поэтому Майкельсон не держал в голове эффект Доплера, отклонение луча в результате аберрации он вычертил совершенно не в ту сторону и, конечно, он понятия не имел о компенсационном принципе. В результате этих ошибок он получил, что при движущемся интерферометре оптический путь для вертикального плеча оказался меньше, чем для горизонтального. Чтобы их уровнять, он сократил горизонтальное плечо для движущегося интерферометра в соответствии с «гипотезой Лоренца».

Понятно, что ошибку надо исправлять: точечный объект никуда не годится. Но если свет представить в виде колебаний, то при движении прибора неизбежно возникает эффект Доплера. В результате действия компенсационного принципа, который связан только с доплеровским эффектом, в движущемся интерферометре происходит всё то, что и в покоящемся. То есть оптические пути в горизонтальном и вертикальном плече становятся одинаковыми, разность фаз не возникает, интерференционная картинка будет как в покоящемся приборе, а сокращение длины по Лоренцу просто не понадобится. Не нужна будет и теория относительности; все объяснения ограничиваются рамками классической волновой теории.

Иван:

Олег, Вы не слышите меня. Вы повторяете свои слова.

Лодка с гребцом это фронт волны в волновом процессе. Никакого эффекта Доплера здесь не нужно. Время ни от чего не зависит и частота не меняется.

Давайте на этом остановимся. Я не хочу вас убеждать. Вы сами должны продумать.

*
*   *

Над чем здесь, собственно, думать, когда и без того всё понятно. Иван придерживается старых объяснений Майкельсона, причем сильно путается в деталях. Его подводит воображение: он плохо представляет, где и как происходит интерференция. Странным образом он «оторвал» источник от генератора волн или наоборот. Трудно судить по его туманному изложению, какая картинка промелькнула перед его внутренним взором в этот момент. Но волновую модель, предложенную в данном разделе, он явно не понял и, естественно, начал отрицать право на ее существование. Между тем, лодка плывет по реке не с релятивистскими скоростями. Следовательно, все объяснения должны укладываться в классическую физику. Увы, после ложного анализа Майкельсона пришлось вводить сокращение длины и теорию относительности, что оказалось катастрофой для физической науки.

— V —

Еще одно дополнение, связанное с непониманием моих объяснений эксперимента Майкельсона–Морли. Посетитель моего сайта — назовем его Петр — 8 декабря 1913 года написал мне следующее письмо:

Петр:

Уважаемый Олег Евгеньевич!

Обилие материала не способствует пониманию опыта Майкельсона – Морли, тем более при вольном истолковании основ физики. Приведу несколько примеров.

Вы правильно говорите, что при рассмотрении необходимо учитывать волновую природу света. Однако Вы пишите:

"Ну, а что произойдет, если движется источник? Представьте себе, что в кузове автомобиля установлен фонтан, струя которого направлена вертикально вверх. При движении автомобиля эта струя отклониться назад. Следовательно, угол аберрации α, при движении источника света нужно откладывать от нормали в противоположную сторону от вектора скорости перемещения источника".

С какой стати? Этот вывод справедлив для стороннего наблюдателя (вне Земли), и не может наблюдаться в интерферометре связанным с Землей. Фонтан и автомобиль имеют одну и ту же скорость, и он не может никуда отклониться. Вы скажете, что надо учитывать сопротивление воздуха, а для света – эфира. Однако сначала докажите, что оно существует.

"Если бы зеркала были крохотных размеров, то за счет аберрации (отклонения луча назад), луч 3' мог бы вообще не попасть на зеркало S1".

Точечный источник света имеет круговую диаграмму направленности, и волна от него попадет куда угодно.

"Как мы уже знаем, в своем геометрическом анализе Майкельсон не верно учел угол аберрации α, который в этом случае равен 20,45".

Откуда взялся этот угол? Никакого угла аберрации вообще нет (угол падения равен углу отражения). Ваши оценки опыта с длиной волны не выдерживает критики, так как интерференционная картина образуется совокупностью разных длин волн, и вовсе не на фиксированных Вами расстояниях. В действительности эксперимент намного сложнее, чем его описание, и вряд ли можно что-либо конкретно вычислить.

"И вот человек, испытывающий неприязнь к геометрическим формам, по воле судьбы оказался главным интерпретатором результатов эксперимента, где основной проблемой как раз и было отчетливое построение волновой картины. По-видимому, Лоренц представлял себе луч света, распространяющийся от точки P к точке Q, как струю воды которая, куда ее не повернет брандспойт, всегда будет хлестать из шланга с постоянной скоростью. В п. 167 своей книги он определил расстояние, преодоленное вертикальным лучом 3, по теореме Пифагора: ... и принял, что этот путь свет должен пройти со скоростью c. Другими словами, он принял равенство: c² = c² + v², еще до провозглашения второго постулата Эйнштейна. Разумеется, это не божественное прозрение, а элементарная ошибка".

Уважаемый Олег Евгеньевич, не надо ничего додумывать за Лоренца. Его расчет сделан на основе геометрической оптики, и абсолютно правильный. Другое дело, что ни он, ни последующие поколения физиков не учитывали волновую природу света. А сокращение размеров тела он считал формальным, служащим только для объяснения опыта. Это А. Эйнштейн придал им абсолютный смысл вопреки всякой логике, на основе своих абсурдных постулатов.

Примеры подобного рода можно продолжить, но есть ли в этом смысл?

С уважением, Петр.

Олег:

Верно, что "Обилие материала не способствует пониманию опыта Майкельсона – Морли", но разные люди не понимают разные вещи. Хочется упредить максимальное число вопросов, прояснить все нюансы данного эксперимента, тем не менее, вопросы возникают даже там, где их ожидаешь меньше всего. Создается впечатление, Петр, что Вы ничего не слышали о явлении аберрации, в частности, откуда взялся угол 20,45". В начале подраздела II я уже объяснял, что такое аберрация. Посмотрите рис. 2 и сопровождающий его текст — по-моему, там всё изложено достаточно прозрачно. Впрочем, у меня на сайте Sceptic-Ratio есть еще одно место, где рассказывается об аберрации (Парадокс штриха и парадокс лыжников). Сейчас я приведу оттуда соответствующие разъяснения.

Член Лондонского королевского общества (вроде нашей академии наук) профессор астрономии Оксфордского университета Джеймс Брэдли (1693 – 1762) в 1727 г. обнаружил, что все звезды в течение года совершают колебания, точнее, описывают на небосводе маленькие эллипсы. Оказалось, что причиной такого их совместного движения служит вращение Земли вкруг Солнца. Звезда, направление к которой лежит под прямым углом к плоскости орбиты Земли, кажется смещенной в направлении движения на угол α = 20,45". Это смещение Брэдли объяснил конечной скоростью распространения света. Он представлял себе свет в виде очень маленьких частиц, которые движутся в пустом пространстве со скоростью c относительно движущейся со скоростью v одной очень большой частицы по имени «Земля». Однако выводы, сделанные в рамках так называемой «баллистической теории света» (сторонником ее был, в частности, великий Ньютон), справедливы и для волновой теории света, которой придерживались тоже не менее именитые физики – Гюйгенс, Юнг, Френель, Максвелл. На рис. 4.4 показана волновая аберрация света, которая заключается в том, что трубу телескопа необходимо наклонить под углом α к набегающему волновому фронту, чтобы вырезанный объективом телескопа волновой фронт мог достичь окуляра. По известному тангенсу угла наклона трубы, названный углом аберрации, и известной орбитальной скорости Земли Брэдли определил скорость света:

tan α = β = v/c = 10 ^–4,   где   v = 30 км/с,     c = 300 000 км/с.

Рис. 4.4. Труба телескопа, находящаяся на движущейся Земле, должна быть наклонена под углом α, чтобы волны света, идущие от далекой звезды, могли без искажения пройти вдоль всей трубы от объектива к окуляру.

Здесь источник света находится вне движущейся Земли. Если источник света находится на движущейся Земле, как в эксперименте Майкельсона–Морли, то этот угол аберрации станет противоположным, т.е. с отрицательным знаком. Вообще, аберрация тесно связана с эффектом Доплера. По сути, это две стороны одной медали. Об эффекте Доплера я написал много:

• Введение в акустику. Природа звука и ультразвука
• Введение в конструктивную физику
• О формуле, описывающей классический эффект Доплера
• Ошибочность релятивистской формулы Доплера
• Квантовая теория Доплер-эффекта
• Лекция 4. Эффект Доплера
• Часто задаваемые вопросы по эффекту Доплера
• Идиотский расчет эффекта Доплера
• Использование в медицине поперечного эффекта Доплера для ультразвуковой диагностики сердечно-сосудистой системы
• Эффект сдвига воспринимаемой длины волны в красную область
• Моделирование волновых процессов. Эффект Доплера

Петр:

Уважаемый Олег Евгеньевич!

Вы не понимаете, что такое аберрация. Для вычисления угла используется чисто геометрический подход с физикой процессов никак не связанный. Ваш пример с фонтаном противоречит законам сохранения энергии, импульса и момента импульса. Отмените их и тогда, рассматривайте что угодно.

С уважением, Петр.

Олег:

Указанные Вами динамические законы здесь не нарушаются, поскольку как аберрация так и эффект Доплера связаны, как Вы правильно заметили, с "чисто геометрическим" или кинематическим подходом. Для понимания кинематики аберрации в учебниках по элементарной физике очень часто приводят вполне корректный пример с поведением человека с раскрытым зонтом, которого застал дождь. Например, в первом томе Берклеевского курса физики "Механика" (авторы: Ч. Киттель, У. Найт, М. Рудерман; русский перевод книги вышел в 1971 году) на с. 335 имеется следующий рисунок.

Рис. 10.7. Простой пример аберрации. Этот прохожий попал под вертикально падающий дождь. Если он будет неподвижно стоять под зонтом, то останется сухим, но если он побежит, то обязательно намочит туфли и штанины. В его новой системе отсчета капли дождя имеют горизонтальную слагающую скорости.

К этому примеру сделаем следующее добавление. Чтобы прохожий не намочил свои туфли и штанины, ему нужно наклонить зонт под углом аберрации, как это показано на рис. 6.

Рис. 6

В силу принципа относительности, аберрация будет иметь место и тогда, когда во время дождя прохожий остается на месте, но дует ветер (рис. 7). Если прохожий будет держать зонт вертикально над головой, то он замочит туфли и штанины. Чтобы этого не случилось, он должен держать зонт наклонно под углом аберрации.

Рис. 7

Аналогичная ситуация возникнет с фонтаном: подует ветер и поднимающиеся вверх струя воды отклонятся в ту сторону, куда дует ветер, так как струя воды или отдельные ее капли в этом случае оказываются в подвижной системе координат воздуха. В безветренную погоду струя фонтана отклонится назад, если фонтан установить на движущейся платформе.

И дело здесь вовсе не в том, что поток воздуха "давит" на капли с какой-то дополнительной силой, т.е. возникает некая новая динамическая ситуация. Нет, здесь мы по-прежнему имеем дело с чисто кинематическим случаем, когда движущиеся капли или струя фонтана оказываются в покоящейся системе координат неподвижного воздуха.

Если иметь в виду аберрацию, то приведенные примеры говорят нам, что вовсе не обязательно "учитывать волновую природу света", как об этом написал Петр в первом своем письме. Брэдли, открывший аберрацию в 1727 году, придерживался ньютоновских взглядов на свет, т.е. представлял его в виде потока крохотных частиц, движущихся наподобие капель дождя.

Движущейся на платформе фонтан представить можно, но в жизни вряд ли кто-либо сталкивался с этим. А вот картинку парохода с трубой, из которой валит дым (рис. 8), видели все. Поднимающийся вверх дым вполне может заменить фонтан и наоборот.

Рис. 8. Наряду с примерами косых струй дождя (рис. 6 и 7) для демонстрации аберрации можно использовать пример с дымом, вырывающимся из трубы паровоза или парохода. На предложенном рисунке изображен пароход, который плывет вправо, а дым из трубы относится влево. Почему? Всему виной аберрация, которая для движущегося источника дыма (в данном случае парохода) и покоящегося атмосферного воздуха проявится таким образом.

Именно эти примеры с водяным фонтаном и пароходным дымом реализуется в опыте Майкельсона–Морли, где есть источник света, установленный на движущейся вместе с Землей платформе, и есть неподвижный эфир, т.е. некая мировая среда, в которой распространяются электромагнитное излучение. Взгляните еще раз на рис. 1b. Теперь, наверное, всем понятно, почему луч света 3 направлен не в ту сторону, как его обычно рисуют в учебниках, а в противоположную сторону, т.е. как луч 3'.

Рис. 1b. Ход лучей в интерферометре. Здесь пунктирными линиями прочерчена традиционная диаграмма лучей света, которую впервые вычертил Майкельсон, ориентируясь на свой пример с лодками (см. конец подраздела I). Увы, великий экспериментатор ошибся. Его ошибку не заметил Лоренц, предложивший гипотезу о сокращении длины горизонтального плеча прибора. Ошибка состоит в том, что луч 3 отклонится не вправо, как если бы, условно говоря, его отнесло течением "эфирной реки", а влево, куда отклонился луч 3', т.е. в противоположную сторону относительно направления движения прибора. Эфир неподвижен, следовательно, угол аберрации α нужно откладывать в противоположную сторону от вертикали. Такое решение сразу приходит на ум, если отчетливо понимаешь, почему дым, идущий из трубы парохода (рис. 8), отклоняется назад (влево), когда самоходное судно плывет вперед (вправо). Анализ этой ошибки очень важен для осмысления отрицательного результата опыта Майкельсона – Морли. Вот почему мы уделили столько внимания письмам Петра. Его ошибочные представления, к сожалению, характерны для релятивистов и формалистов, которые плохо представляют физические процессы в пространстве.

Петр:

Уважаемый Олег Евгеньевич!

Ваши построения к описанию опыта не имеют никакого отношения. С физической точки зрения можно утверждать, что если фонтан отклоняется, то на него будет действовать сила сопротивления эфира, и он получит дополнительную энергию, что противоречит закону ее сохранения. В действительности Земля движется в космосе без заметного ускорения, и никакой силы сопротивления нет.

С уважением, Петр.

Олег:

Давайте сосредоточимся на одной только Вашей фразе — если фонтан отклоняется, то на него будет действовать сила сопротивления эфира — и покажем ее несостоятельность. Во-первых, если речь идет о фонтане, то нужно говорить о воздухе, а не об эфире. Но это так, описка. Во-вторых — и это уж более принципиальное замечание — давление на струю или капли фонтана произойдет только тогда, когда изменится плотность воздуха. В этом случае действительно задействованы упругие силы между молекулами воздуха. Так, кораблик с парусом перемещается за счет разности давлений впереди и позади паруса (рис. 9).

Рис. 9

Но для горячего дыма, который идет из трубы самоходного судна (рис. 8), ситуация уже несколько иная. Отдельные частички дыма вместе с горячим воздухом перемещаются наклонно вверх потому, что они попадают в систему координат неподвижного воздуха. Может быть, более наглядно данный эффект проявляется в примере с пузырьками болотного газа, которые относятся течением воды влево (рис. 10). В этом примере упругие силы воды минимальны: пузырьки газа переносятся водным течением без оказания на них заметного давления со стороны водного потока. Они перемещаются наклонно вверх потому, что горизонтально перемещается водная среда, в которой пузырьки газа поднимаются строго вертикально вверх, т.е. опять мы имеем дело с банальным сложением двух векторов скорости.

Рис. 10

Можно продолжать упорствовать, настаивая на давлении, сопротивлении или упругих силах окружающей среды, как это делает Петр. Но я и авторы учебников, приводящие примеры с каплями дождя и бьющего вверх фонтана, пренебрегают этими динамическими явлениями и всячески подчеркивают кинематическую составляющую, которая всегда присутствует в этих явлениях и которая для пояснения аберрации оказывается наиважнейшей.

Если вернуться к опыту Майкельсона–Морли, то именно кинематическая составляющая играет главную и, пожалуй, единственную роль в отклонениях луча света, коль скоро там идет речь исключительно о волновом процессе, распространяющимся в светоносной среде. Антирелятивисты, ратующие за объяснение результатов этого эксперимента с позиций классической физики, не раз подчеркивали, что всё то же самое произойдет с аналогичным экспериментом, проведенным с акустическими волнами в воздушной среде или водной. Ведь ясно, что водный поток или воздушный (т.е. ветер) не может давить на акустическую волну, поскольку волновой фронт – это, условно говоря, не парус для таких потоков.

Петр предложил свое объяснение эксперимента Майкельсона–Морли, к сожалению, без учета аберрации и эффекта Доплера. Поэтому заранее можно сказать, что оно ошибочное. Отрицательный результат этого опыта легко понять, если учесть эти два явления. В принципе, достаточно понять одну простую вещь: поскольку источник и приемник света установлены на одной движущейся вместе с Землей платформе, то за счет взаимной компенсации оптический путь — как не крути интерферометр — останется неизменным.

Письмо Петра вперемежку с моими комментариями:

Уважаемый Олег Евгеньевич!

Вы совсем не хотите вникать в то, о чем Вам пишут: или не знаете физики, или не хотите признать свою ошибку. Еще раз повторяю, что если луч отражается по выбранному Вами направлению, то он испытывает сопротивление эфира

[Выше я подробно объяснял, что при аберрации никакого сопротивления лучам света со стороны эфира не будет, так как работает одна кинематика — и вот опять меня отсылают к динамике. Это мне впору воскликнуть: "Вы совсем не хотите вникать в то, о чем Вам пишут"].

и, следовательно, (луч) получает дополнительную энергию

[Уже говорилось, почему при аберрации дополнительная энергия не возникает. Петр, найдите этот текст и внимательно прочтите его],

так как по закону геометрической оптики он должен отразиться под углом 45°.

[Закон геометрической оптики — угол падения равен углу отражения — при аберрации нарушается (см. начало подраздела II)].

Отсюда нарушение законов сохранения, про которые я говорил ранее.

[Помню, говорили, только здесь они ни при чем. Изменение хода лучей в интерферометре само по себе еще не приводит к нарушению законов сохранения. Повторяю, речь идет о кинематике, а не динамике].

Земля же в эфире (если он существует) движется без всякого сопротивления

[Написав выражение "Земля в эфире", Вы должны отдавать себе отчет в том, Петр, что Земля и все прочие вещи просто "сделаны" из эфира. Наша планета — это большая и сложная система возбуждения эфира, которая движется в мировой среде без переноса частиц эфира, подобно гребню волны на водной поверхности. Именно поэтому Земля не испытывает существенного сопротивления, вращаясь миллиарды лет вокруг Солнца. Масса имеет исключительно электромагнитную природу. В силу этого инерционная масса равна гравитационной. Не станем дальше углубляться в эту тему, чтобы не потерять нить наших рассуждений. Главное помнить вывод из теории Френеля о частичном увлечении эфира, которой исполнилось без малого 200 лет. Он гласит: Земля и любой другой вещественный объект оставляют мировую среду неподвижной, перемещению подвергается только избыточная плотность среды, т.е. некое завихрение или любое другое возмущение среды.].

и луч никуда не будет отклоняться [будет, и я уже объяснил, почему]. Ваш фонтан в трюме [?] корабля так же никуда не будет отклоняться.

[Господи! Да почему же в трюме? Петр абсолютно ничего не понял. Похоже, у него полностью отсутствует пространственное воображение. Место, где находится фонтан, должно быть открытым, так как капли фонтана относятся воздушной средой (т.е. ветром). Я для кого придумывал картинки — рис. 8 и 10? На первой картинке фонтан заменяется дымом, выходящим из трубы плывущего парохода (рис. 8); на второй — он заменяется газом, который относится водным течением. Зачем я сделал эту замену? Чтобы Вы почувствовали, Петр, что газ и дым свободны от бокового давления. Они переносятся за счет переноса среды. Сопротивление среды, о котором Вы постоянно твердите, возникает тогда, когда какой-то объект (капли фонтана, частицы дыма, пузырьки газа) что-то толкает, т.е. на объект действует сила, вынуждающая данный объект двигаться внутри среды. У нас же объект и среда всегда имеют одну и ту же скорость, иначе сказать, объект покоится в среде.

Представьте себе, первый пузырек газа чуть-чуть приподнялся над поверхностью дна водоема, как тут же он оказался в движущейся системе координат водного потока. Никакого сопротивления воде он не успел оказать — разве что в самом начале — а дальше он поднимается вертикально вверх. Затем появился второй пузырек и тоже устремился вверх. Потом народились другие пузырьки, которые выстроились в косую цепочку, так как более ранние пузырьки отнесло течением дальше вперед по течению. Это и есть элементарный эффект аберрации — понимаете, Петр? Забудьте про сопротивление, нет здесь и никакого нарушения закона сохранения — уж не знаю какого. Вы написали, что отклонение фонтана "противоречит законам сохранения энергии, импульса и момента импульса", т.е. сразу трем. Серьезное обвинение, я Вам доложу].

Учет же волновой природы света показывает, что луч отклоняется вправо от вертикали при выбранном направлении движения, а не влево как у Вас нарисовано.

[Не поленитесь, Петр, и внимательно изучите рис. 4, где как раз изображены волны света, и прочтите сопутствующий текст. Если не согласны с расположением волн, нарисуйте свой рисунок и поясните его].

Аберрацию же Вы притянули из своих каких-то туманных соображений к этим процессам не имеющим никакого отношения.

[Если есть Доплер-эффект — а он есть, поскольку имеются движущиеся источники и приемники электромагнитных колебаний — значит, есть и аберрация. Как было сказано выше, аберрация и эффект Доплера — это две стороны одной медали. На том же рис. 4 всякий, имеющий глаза, ясно увидит и аберрацию и Доплер-эффект]

С уважением, Петр.
[С уважением, Олег]

---

1. Оппенгеймер Р. Летающая трапеция. — М.: Атомиздат, 1967.
2. Джефф Б. Майкельсон и скорость света.—М.: Иностранная литература, 1963.
3. Эйнштейн А. Новые опыты по влиянию движения Земли на скорость света относительно Земли. СНТ. Т. 2. — М.: Наука, 1966.
4. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. — М.: Наука, 1989.
5. Эйнштейн А. К электродинамике движущихся тел. СНТ.Т. 1.—М.: Наука, 1965.
6. Холтон Дж. Эйнштейн и решающий эксперимент. УФН, вып. 104, 1971.
7. Холтон Дж. Тематический анализ науки. — М.: Прогресс, 1981.
8. Бонди Г. Относительность и здравый смысл. — М.: Мир, 1967.
9. Бонди Г. Гипотезы и мифы в физической теории. — М.: Мир, 1972.
10. Майкелъсон А.А. Исследования по оптике. — М. — Л.: Гостехиздат, 1948.
11. Майкельсон А.А. Световые волны и их применение. — М. — Л.: Гостехиздаг, 1934.
12. Лоренц Г.А. Новые направления в физике //Старые и новые проблемы физики. — М.: Наука, 1970.
13. Лоренц Г.А. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения. – М.: ГИТТЛ, 1953.
14. Майкельсон А. и Морли Э. Об относительном движении Земли и светоносного эфира / В кн.: Г.М. Голин, С.Р. Филонович. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ в.): Справочное пособие. — М.: Высшая школа, 1989, С. 512 – 523. // Перевод С. Р. Филоновича статьи «On the relative motion of the Earth and the luminiferous ether» /// American Journal of Science, Ser. 3, 1887, vol. 34, p 203, p. 333 – 345.
15. Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. — М.: Наука, 1972.
16. Конференция по эксперименту Майкельсона – Морли, состоявшаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г. / Conference on the Michelson – Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927.
17. Зоммерфельд А. Лекции по теоретической физике. Оптика. Том IV, с. 99.

Смотрите видео: Эфир, часть 1 и часть 2