О.Е. Акимов

Анализ эксперимента Майкельсона – Морли (КП 29)

Сейчас я хочу вернуться к тексту доклада, прочитанного Ленардом на заседании Гейдельбергской Академии наук 4 июня 1910 года. В начале выступления на тему "Эфир и материя", докладчик говорил, напомним, о механических моделях и голых уравнениях, выраженных через набор формальных символов. Вслед за процитированным абзацем Ленард сказал: "Стремление помимо чисто математического описания природы проникнуть в ее механизм, составить динамическую модель, как представление о вещах, старо, как сама динамика, и, по-видимому, глубоко коренится в человеке. В последнее время лорд Кельвин и Герц особенно выдвинули это стремление на первый план.

В этом сообщение докладчик многократно называл имя своего учителя и друга Генриха Герца еврея по национальности. Уже говорилось, что обвинения Ленарда в антисемитизме не справедливы. Он не был им ни в 1892 году, когда начал работать в лаборатории Герца, ни в 1910 году, кода читался этот доклад, ни в 1942 году, когда в актовом зале Гейдельбергского университета Ленард выступил в связи с восьмидесятилетием. Напомним, в истории естествознания, несколько раз переиздававшейся в годы нацистской Германии, портрет еврейского физика Генриха Герца был предпоследним. Любопытно узнать, чей портрет в этой истории был последним.

Портрет физика Хазенёрля, профессора Венского университета, занявшего в 1907 году кафедру теоретической физики после самоубийства своего учителя Людвига Больцмана — тоже, предположительно, еврея. До самоубийства Больцмана довели Мах и Оствальдт, сторонники формалисткой науки, горячо поддерживающие спекулятивные воззрения Эйнштейна. Больцман же, как и Хазенёрль, принадлежал к противоположному лагерю ученых, конструктивистов. Многие считали, что причиной суицида не может быть ссора на почве научных разногласий. Может, еще как может, если ценность научной истины исследователь ставит выше ценности своей жизни.

Хазенёрль — это смелый, благородный человек, который отправился на фронт, и 7 октября 1915 года был убит в голову выстрелом шрапнелью. Чем он прославился? Прежде всего, тем, что в 1904 году вывел формулу массы m = E/c2, но в отличие от выражения, полученного Дж. Дж. Томсоном, в его формуле появился дробный коэффициент 4/3. Однако главным здесь было то, что Хазенёрль, как Томсон, Ленард, Хевисайд и многие другие физики того переходного периода приписывал массе электромагнитную природу, обусловленную взаимодействием электрона и атома с эфиром. В то время физики-конструктивисты не выделяли гравитационное взаимодействие в отдельную категорию, как это делают нынешние формалисты-релятивисты.

Выше демонстрировалась вот эта фотография, на которой изображен Ленард, молча стоящий около доски, и профессор Георг Квинке, работавший в Гейдельбергском университете с 1875 года. Свою карьеру Ленард начал в качестве ассистента у этого профессора, но когда в 1897 году в университете появилась Милева Марич лекции по физике читал уже Филипп Ленард. Будущая супруга Эйнштейна впервые услышала о фотоэффекте непосредственно от него и всерьез занялась теорией Больцмана, ввела понятие кванта света, написала несколько статей, в том числе знаменитую статью 1905 года, за которую Альберт получил Нобелевскую премию.

Об этом говорилось уже не раз; сейчас нас будет интересовать другой любопытный факт, связанный уже с именем Георга Квинке. Для науки он много чего сделал, в частности, в 1866 году сконструировал прибор для измерения звуковой дины волны. Прежде чем рассказывать о принципе действия прибора, заметим, что помимо Филиппа Ленарда у Квинке стажировался американский физик Альберт Майкельсон. Он прибыл в Гейдельберскую лабораторию Квинке в 1880 году. А уже в следующем 1881 году Майкельсон в пригороде Берлина в подвале Потсдамской обсерватории поставил первый эксперимент по обнаружению эфирного ветра.

Майкельсон, кажется, нигде не рассказывал, что идею интерферометра он перенял у Квинке. Американский экспериментатор говорил о примере движения лодки, движущейся по течению реки и против него, а также о пересечении реки от берега к берегу и обратно, перпендикулярно течению. Однако трудно отделаться от подозрения, что схема светового интерферометра Майкельсона была подсказана ему схемой звукового интерферометра Квинке. Судите сами.

На рис. 7.4 изображена схема интерферометра Квинке. Звуковые волны от источника i — звукового динамика — попадают на два звукопровода — обыкновенные металлические стержни, различной длины l1 и l2 . За счет разности хода звуковых волн внутри стержней, создается разность фаз. В приемнике А, в качестве которого можно использовать микрофон или осциллограф, происходит интерференция звуковых волн.

В курсе лекций "Естествознание", я указывал, что Майкельсон допустил ошибку, о которой рассказывалось в первой части фильма, которая называется "Эфирный ветер нельзя обнаружить".

(Фрагмент 1-й части фильма "Эфир")

К сожалению, так получилось, что тема эфира в прошлом веке, в XX, сделалась не модной, даже вредной, не научной. Такой взгляд на мир сложился в связи с отрицательным результатом эксперимента Майкельсона – Морли. В 1881 году Альберт Майкельсон сконструировал прибор, интерферометр. Этот оптический прибор определял скорость эфирного ветра. Что понимается под эфирным ветром?

Интерферометр Майкельсона

Представьте себе футбольный мяч. Когда по нему ударят, он полетит сквозь воздушную среду. Естественно, поверхность мяча будет обдуваться ветром. Ровно так же должно происходить с Землей, вращающейся вокруг Солнца. Если эфир существует, то поверхность Земли должна обдуваться эфирным ветром, скорость которого равна 30 км в секунду — такова скорость Замли на орбите. Ветер обнаружен не был.

Тогда в 1887 году Майкельсон усовершенствовал прибор, сделал его, как он считал, более чувствительным к эфирному ветру, и вместе со своим помощником, Эдвардом Морли, поставил новый, более точный эксперимент. Однако результат оказался снова отрицательным. Эфирный ветер обнаружен не был.

Не вдаваясь в детали эксперимента и в конструкцию интерферометра, укажем в общих чертах, почему, собственно, результат опыта оказался отрицательным.

Отрицательный результат объясняется двумя причинами. Прежде всего, Майкельсон и многие другие физики думали, что Земля состоит из вещества принципиально иного рода, чем материя эфира. Именно этим объясняется образование эфирного ветра.

При полете футбольного мяча его поверхность обдувается ветром.
Майкельсон думал, что поверхность Земли точно так же, должна обдуваться эфиром.

В действительности, все атомы и молекулы Земли в совокупности представляют собой сложное возбуждение мировой среды. Они сами состоят из эфира. Земля движется сквозь эфир подобно тому, как перемещается волна по поверхности воды. Там не происходит переноса жидкости на большие растояния. Таким образом, сложный вихрь, некое возбуждение, перемещается вокруг Солнца.

Вторая причина отрицательного результата лежит в конструкции самого интерферометра. Схему прибора Майкельсон выбирал, исходя из движения лодок на реке, которые перемещались у него поперек течения реки, от берега к берегу, а также вдоль реки по течению и против течения. Подсчитывая время перемещения лодок, Майкельсон получил некую временную разность. Аналогичную временную разность он надеялся получить при движении Земли на орбите. Сейчас давайте посмотрим, в чём же конкретно заключается ошибка Майкельсона.

Схему прибора Майкельсон выбирал, исходя из движения лодок на реке

Перед нами схема хода лучей в интерферометре. При перемещении прибора четыре луча, обозначенные цифрами 1, 2, 3, 4, пройдут соответствующие пути: луч 1 движется по ходу движения Земли (по аналогии с лодкой: по ходу течения реки). Луч 2 – против движения Земли (по аналогии: против течения), а лучи 3 и 4 направлены перпендикулярно движению вектора скорости Земли: туда и обратно (или поперек течения реки от берега к берегу).

Схема хода лучей в интерферометре

И вот здесь выясняется главная ошибка в рассуждениях Майкельсона. Посмотрите, куда направлен у него луч 3? Мы видим вправо, т.е. в сторону движения Земли. В действительности же, луч 3 должен отклониться влево, т.е. в противоположную сторону от направления движения Земли.

Луч 3 должен отклониться влево, т.е. в противоположную
сторону от направления движения Земли.

В самом деле, с чем мы здесь имеем дело? С обыкновенным явлением аберрации. Звездную аберрацию в 1728 году открыл Брэдли. В чем её суть? В том, что пока луч света, испущенный звездой, идет внутри подзорной трубы от объектива к окуляру, Земли на своей орбите успевает сдвинуться на некоторое расстояние (на данном рисунке преодолеть путь СВ). Поэтому при наблюдении звездного неба все телескопы, расположенные на Земли, должны быть наклонены вправо.

Явлением аберрации состоит в следующем.
Пока луч от звезды идет внутри подзорной трубы,
Земля успевает сдвинуться на расстояние СВ.

В только что рассмотренной ситуации источник света расположен за пределами Земли. А что произойдет, если источник света находится на движущейся Земле? Как в этом случае проявит себя эффект аберрации? Ответ более, чем очевиден. Луч света, посланный вертикально вверх, отклониться влево, т.е. назад, в противоположную сторону от направления движения.

Луч света, посланный вертикально вверх, отклониться влево.

В учебниках и популярных книжках по физике явление аберрации поясняют на примере дождя. Эта картинка взята из Берклевского курса "Механики". Слева стоит мужчина с раскрытым над головой зонтиком. Если он куда-то опаздывает, ему надо бежать, тогда при том же положении раскрытого зонта, мужчина замочит штанины и ботинки. Зонт надо наклонить вправо, т.е. вперед, по ходу движения бегущего человека, как показано на этом рисунке 6. В принципе, человек может стоять на мете, но дождь идет с ветром. Чтобы штанины и ботинки у него не намокли, он должен наклонить зонт вправо, хотя ветер дует в левую сторону, как это показано на рисунке 7.

Разъяснение явления аберрации на примере
различного поведения человека с зонтиком.

Капли дождя падают на землю сверху, подобно тому, как падают на Землю лучи от звезды. А что произойдет, например, с каплями воды, поднимающимися снизу вверх? Представьте себе фонтан, установленный на движущейся железнодорожной платформе или в кузове движущейся грузовика. Очевидно, капли или струя фонтана отклонится влево.

Фонтан, установленный на движущейся платформе

Фонтан на грузовики, наверное, никто не видел. Но паровоз или пароход с дымящейся трубой видели многие. При их движении в безветренную погоду дым будет отклоняться в противоположную сторону. Что в этом случае происходит? Очень понятные вещи. Горячий воздух вместе с продуктами горения, куда включены и мельчайшие частички дымы, поднимается из трубы вертикально вверх. Винтовой двигатель работает, пароход поступательно смещается вправо, значит, столб дыма будет подниматься не вертикально вверх, а наклонно, т.е. сносится ветром, образованным пароходом, движущимся сквозь неподвижный воздух.

Пароход перемещается вправо, значит, дым
в безветренною погоду будет относить влево.

Другой пример с болотным газом. Пузырьки газа понимаются вверх из одной какой-то точки на дне протоки. Течение воды эти пузырьки будет смещать влево, т.е. здесь мы тоже имеем дуло с аберрацией.

Аберрация на примере пузырьков болотного газа.

Аберрация – это сложение двух векторов, например, скорости течения реки и скорости перемещения лодки. В звездной аберрации складывается вектор перемещения Земли на орбите, т.е. 30 км/с со скоростью света, т.е. 300 тыс. км/с. Несмотря на такую большую разность в скоростях прибор, сконструированный Майкельсоном, мог бы зафиксировать величину 30 км/с, соответствующую эфирному ветру. Но, как уже говорилось, эфирный ветер зафиксирован не был, так как Майкельсон ошибся в анализе хода лучей в интерферометре.

Аберрация – это сложение двух векторов, например,
скорости течения реки и скорости перемещения лодки.

Почему он ошибся с наклоном луча 3? Да потому что он пустил луч 3 в направлении движения лодки, которую сносит течение реки. Таким образом, аналогия движения лодок на реке с движением лучей в приборе помешала ему правильно решить поставленную задачу. К этой ошибке прибавились другие несуразности, в частности, такая.

Ошибочный ход лучей в движущемся приборе.

В своих расчетах Майкельсон складывал или вычитал скорость света со скоростью движения Земли по обыкновенной классической формуле сложения скоростей. Это естественно, так как релятивистской формулы он не знал. Но сегодня-то взята на вооружение релятивистская физика, следовательно, Майкельсон допустил ошибку в своих расчетах. Ему надо было пользоваться релятивистской формулой сложения скоростей.

Майкельсон складывал или вычитал скорость света
со скоростью движения Земли по классической формуле.

Майкельсону надо было пользоваться
релятивистской формулой сложения скоростей.

Теперь взгляните еще раз на схему хода лучей, которую он вычертил для движущегося интерферометра. Она ошибочна не только из-за того, что неправильно пущен луч 3, но и потому, что она вычерчена для фиксированного положения источника света. Между тем, источник движется, следовательно, изменяется длина волны когерентного света.

Ошибочный ход лучей в движущемся приборе.

Для получения исчерпывающей информации по
данному вопросу обратитесь на сайт Sceptic-Ratio

Задача решается с помощью интерференционной картины, для которой длина волны является наиважнейшим параметром. Как при вычерчивании вот такой диаграммы можно учесть эффект Доплера? Да никак! В формулах для расчета времени прохода лучей в горизонтальном и вертикальном плече интерферометра движение источника не фигурирует.

Ситуация с интерферометром кажется очень запутанной. Но в действительности она разрешается проще простого. Эффект Доплера и эффект аберрации – это две стороны одной медали. Верно, что источник движется, но движутся и приемники в виде зеркал и интерференционного экрана. Следовательно, произойдет полная взаимная компенсация всех дополнительных фаз, возникающих при движении прибора.

Тяжелая бетонная плита с оптикой легко
поворачивается, так как плавает в ртути.

Интерференционная картина будет такой, как при покоящемся приборе. Можно разворачивать прибор вокруг собственной оси на любой угол; можно производить измерения в различных точках земной орбиты – зимой летом, весной и осенью; можно поднимать прибор на гору, как это делал Дайтон Миллер, или производить измерения в глухом подвале, глубоко под землей, как это делали Майкельсон и Морли. Всё это не имеет ровно никакого значения. Данная оптическая система никак не повлияет на процесс интерференции лучей.

Дейтон Кларенс Миллер (1866 — 1941)

Не забывайте, данный прибор состоит из некоторой совокупности обыкновенных зеркал, линз и призмы. Как бы вы их не расположили на платформе, куда бы вы не направляли лучи света, законы оптики от этого не изменятся.

Неважно, что думал об эфире Майкельсон, какую картину с лодками на реке он себе представлял. В конечном счете, он имел дело с обычными вещами, с которыми имели дело сотни, тысячи физиков в течение многих, многих десятков лет. Оптические законы безразличны к положению Земли на орбите. Вот если бы источник света вынести за пределы Земли, как мы знаем из открытия аберрации Брэдли, то ее движение тут же обнаружится.

Земля на орбите вокруг Солнца. Можно производить измерения
в различных точках земной орбиты – это не повлияет
на результат эксперимента в принципе.

Случай аберрации света по Брэдли

Изменение угла аберрации в течение года.
Если источник света вынести за пределы Земли,
то ее движение тут же обнаружится.

Тем не менее, многие анти-релятивисты не хотят смириться с нулевым результатом эксперимента Майкельсона – Морли. Они говорят о ненулевом результате, полученном Дайтоном Миллером.

Известный российский анти-релятивист
Владимир Акимович Ацюковский

Ложные статистические данные,
полученные Дайтоном Миллером


(Конец фрагмента)

Прежде чем ставить оптический эксперимент, Майкельсону нужно было попробовать провести акустический эксперимент с использованием интерферометра Квинке, у которого он учился. На рис. 7.3 показана акустическая имитация эксперимента Майкельсона – Морли. Правда, в изображенной схеме отсутствует прибор, где бы происходила интерференция звуковых волн. Но в тексте на странице 241 рассказывается, как можно было бы провести реальный эксперимент с использованием микрофонов и динамиков, установленных на движущейся платформе.

Здесь же даются элементарные числовые расчеты для ожидаемого звукового эффекта. Ясно, что акустический эксперимент даст отрицательный результат, следовательно, такой же отрицательный результат будет наблюдаться и в оптическом эксперименте. Предварительно, на страницах 238 и 239 своего курса лекций я рассказал о первом эксперименте, проведенном в 1845 году голландцем Бейс-Баллотом. Там же указывается, что формулу поперечного эффекта Доплера можно было бы проверить на акустических колебаниях. В разделе "Введение в акустику", размещенном на сайте Скептик-Рацио, также рассказывается, как можно было бы поставить эксперимент по измерению поперечного эффекта Доплера в школьном тире.

Напоминая малоизвестные факты из истории физики, мы хотели бы обратить внимание наших зрителей, слушателей и читателей, насколько тесно переплетены различные идеи, так что очень трудно однозначно назвать имя ученого, которому впервые пришла в голову та или иная мысль. Однако мы хорошо понимаем, что одни люди честные и не пытаются скрывать свои источники информации, другие, напротив, прибегают к этому часто и делают это как-то уж особенно изощренно.

Смотрите фильм с этим текстом:

http://youtu.be/5rxtX7Dte6Q