7246-1 (Опыты Саньяка, Майкельсона – Гаэля, Миллера)

Опыты Саньяка, Майкельсона – Гаэля, Миллера

Валерий Петров

Введение

Анализ результатов опытов Эйхенвальда и Вильсона дает основания утверждать, что, по крайней мере, в электродинамике движение относительно эфира всегда сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями, соответствующими скорости такого движения. Не лишенным смысла поэтому оказывается вопрос о том, не сопровождается ли, вопреки общепринятому мнению, движение относительно эфира также какими-либо оптическими явлениями, соответствующими скорости такого движения? Вместе с тем, из опытов Эйхенвальда следует, на наш взгляд, вполне обоснованный вывод, что твердые тела, жидкости, а также газы при ненулевой их вязкости непроницаемы для внешнего по отношению к ним эфира, следовательно, «эфирный ветер», обусловленный движением Земли относительно мирового эфира, в атмосфере Земли не возникает, а потому не может быть обнаружен никакими опытами, что противоречит, согласно общепринятому мнению, результатам опытов Майкельсона – Гаэля и Миллера. Посмотрим, насколько общепринятые мнения соответствуют истине.

Опыты Саньяка

В 1912г. Гаррес, а затем Саньяк выполнили так называемый «вихревой» опыт, идея которого заключалась в том, что луч света разделяется на два, один из которых движется в направлении вращения установки, другой – в противоположном направлении. В опыте Гарреса лучи света движутся внутри кольца, составленного из прозрачных кристаллов; в опыте Саньяка – в воздухе. Схема опыта Саньяка приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема опыта Саньяка

Луч света попадает на полупрозрачное зеркало A, где расщепляется на два луча. Один луч движется по контуру ABCD, другой – в противоположном направлении.

Когда прибор неподвижен, время, затрачиваемое на обход замкнутого пути ABCD, обратно пропорционально v. Когда прибор вращается, время, затрачиваемое на обход того же контура, обратно пропорционально величине (c+v) для луча света, движущегося в одном направлении, и величине (c–v) для луча света, движущегося в противоположном направлении. Опыт Саньяка был повторен Погани в 1925...1926гг. Как считает С.И.Вавилов «Маленький интерферометр Саньяка обнаруживает... оптический вихрь», следовательно, он не увлекает эфира. Таково единственно возможное объяснение этого опыта на основе представления об эфире... Если бы явление Саньяка было открыто раньше, чем выяснились результаты опытов второго порядка, оно, конечно, рассматривалось бы как блестящее экспериментальное доказательство наличия эфира. Но в ситуации, создавшейся... после опыта Майкельсона, опыт Саньяка разъяснил немногое» [1], главным образом потому, что эти опыты не были доведены до своего логического завершения. По крайней мере, остался невыясненным главный вопрос: что такое прибор движущийся и прибор неподвижный? Относительно чего измеряется скорость вращения интерферометра в этих опытах?

Можно сказать, что скорость измеряется относительно неподвижного воздуха в лаборатории, где выполнялись эти опыты. Предположим, однако, что опыты выполнятся в вакуумной камере, заполненной воздухом. Предположим, что прибор вращается вместе с вакуумной камерой. Есть основания утверждать, что в этом случае вращение прибора вместе с вакуумной камерой относительно стен лаборатории не будет сопровождаться изменением интерференционной картины, с какой бы скоростью не вращалась вакуумная камера вместе с прибором, поскольку в этом случае отсутствует движение прибора относительно окружающего этот прибор воздуха. Значит, причиной изменения интерференционной картины является движение прибора относительно окружающего прибор воздуха? И действительно, вращение прибора относительно воздуха внутри неподвижной вакуумной камеры приведет к изменению интерференционной картины, соответствующей скорости вращения прибора. Предположим, однако, что в вакуумной камере создан глубокий вакуум. И в этом случае есть основания утверждать, что вращение интерферометра относительно неподвижной вакуумной камеры приведет к изменению интерференционной картины. Очевидно, что вращение прибора относительно стен вакуумной камеры есть одновременно вращение относительно вакуума или эфира, находящегося внутри вакуумной камеры. Следовательно, причиной изменения интерференционной картины является вращение интерферометра относительно вакуума или эфира, неподвижного внутри неподвижной вакуумной камеры. Если бы Саньяк выполнил такой опыт, сегодня ни у кого не было бы сомнений в том, что и в оптике движение относительно эфира всегда сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями, соответствующими скорости этого движения.

Предположим, далее, что Саньяк несколько изменил схему своего опыта так, как это изображено на рис.2. Как и прежде, луч света, проходя через полупрозрачное зеркало, расщепляется на два луча, движущихся во взаимно противоположных направлениях к непрозрачным зеркалам S₁ и S₂, отражаются от этих зеркал и, снова проходя через полупрозрачное зеркало, попадают на экран или в зрительную трубу, где наблюдается интерференционная картина. Прибор вращается относительно оси, проходящей через точку A.

Рис. 2. Измененная схема опыта Саньяка

Есть основания утверждать, что вращение прибора будет сопровождаться изменением интерференционной картины, соответствующим скорости его вращения. Нетрудно увидеть, что схема этого опыта соответствует схеме известного опыта Майкельсона – Морли с той лишь разницей, что в опыте Майкельсона – Морли прибор вращается вместе с Землей относительно Солнца. Скорость движения прибора в опытах Саньяка составляет величину порядка нескольких метров в секунду, и при этом изменения интерференционной картины оказываются вполне наблюдаемыми. Скорость движения прибора в опытах Майкельсона – Морли составляет величину порядка 30 километров в секунду, и при этом никакого изменения интерференционной картины не наблюдается.

Есть и еще одно немаловажное обстоятельство: в опытах Саньяка имеет место движение прибора относительно воздуха, тогда как в опытах Майкельсона – Морли такого движения нет. Таким образом, имеются основания утверждать, что отсутствие движения прибора относительно воздуха означает то же самое, что и отсутствие движения прибора относительно вакуума или эфира. Следовательно, «эфирный ветер», обусловленный движением Земли, в атмосфере Земли не возникает, а потому и не может быть обнаружен никакими опытами.

Опыты Майкельсона – Гаэля и Миллера

В 1925г. Майкельсоном совместно с Гаэлем был выполнен опыт, целью которого было обнаружение «эфирного ветра», обусловленного суточным вращением Земли. Схема опыта Майкельсона – Гаэля приведена на рис.3. Луч света, попадая на полупрозрачное зеркало D, разделяется на два луча, движущихся во взаимно противоположных направлениях в трубах, проложенных по земле. Так как изменять скорость вращения установки в этом опыте невозможно, «...Майкельсон сделал два контура – большой DABCD... и малый DAB'C'D" [2]. Один из лучей света движется по контуру DABCD, второй – по контуру DAB'C'D. Поскольку BC равно B'C', то разность времен хода лучей в установке обусловлена разностью длин l=AB+CD и l'=AB'+C'D.

Рис 3. Схема опыта Майкельсона – Гаэля

Как отмечает С.И.Вавилов, «...площадь малого контура... настолько мала, что смещением, вызываемым вращением Земли.., можно пренебречь» [1]. В действительности, однако, это не так: разность времен хода лучей обусловлена именно разностью длин l и l'. При l'=0 никакой разности времен не возникает.

При выполнении этого опыта наблюдалась интерференционная картина, соответствующая скорости суточного вращения Земли. Как считает Л.И.Мандельштам, опыт Майкельсона – Гаэля «Это повторение опыта Саньяка, но вращение установки обусловлено вращением Земли» [2].. В действительности, опыт Майкельсона – Гаэля – это повторение опыта Майкельсона – Морли. Известно, что прибор в опыте Майкельсона – Морли можно было установить так, чтобы положение одного из плеч прибора соответствовало направлению суточного вращения Земли. Чувствительность прибора и точность измерений в опыте Майкельсона – Морли были не ниже, чем в опыте Майкельсона – Гаэля. Однако ни при каком положении прибора в опыте Майкельсона – Морли «эфирный ветер», в том числе и обусловленный суточным вращением Земли, обнаружен не был. Точно так же и в опыте Майкельсона – Гаэля «эфирный ветер», обусловленный орбитальным движением Земли, не был обнаружен, хотя направление суточного движения Земли почти параллельно направлению ее орбитального движения. Это дает основания утверждать, что и в опыте Майкельсона – Гаэля «эфирный ветер», обусловленный суточным вращением Земли, также не был обнаружен.

В опыте Майкельсона – Морли лучи света движутся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Очевидно, что, изменяя длину одного из плеч прибора, можно получить интерференционную картину, соответствующую ожидаемой скорости «эфирного ветра».

В опыте Майкельсона – Гаэля, где наблюдаемая интерференционная картина обусловлена именно разностью длин l и l', всегда можно подобрать такие размеры AB' и C'D, чтобы наблюдаемая при этом интерференционная картина соответствовала ожидаемой скорости «эфирного ветра». Не имеет значения, является ли совпадение размеров большого и малого контуров в опыте Майкельсона – Гаэля случайным, или же оно было преднамеренным, важно другое – «эфирный ветер», обусловленный суточным вращением Земли, который не был обнаружен в опытах Майкельсона – Морли, не мог быть обнаружен и в опытах Майкельсона – Гаэля.

В 1921г. «...Миллер установил интерферометр... на горе Маунт – Вильсон на высоте 6000 футов. Был обнаружен дрейф эфира около 10км/с в направлении на северо-запад. Возникло подозрение о том, что наблюдаемый эффект обязан происхождением магнитострикции. Стальная основа, несущая зеркала, была заменена алюминиевой и деревянной. Результат был тот же, что и раньше. Миллер истолковал результаты опытов так: обнаружен дрейф Земли относительно эфира... по направлению к созвездию Дракона. В 1926г. Кеннеди построил интерферометр... Оптическая часть прибора помещалась в герметический металлический корпус... Скорости 10км/с соответствовал сдвиг 0,008 полосы. В действительности сдвиг обнаружить не удалось. Последним из серии контрольных опытов был опыт, поставленный Иосом в 1930г. в Иене. Интерферометр, смонтированный на кварцевом основании, помещался в герметический металлический кожух, из которого откачивался воздух. Верхняя граница регистрируемого эфирного дрейфа составляла 1,5км/с... в 1933г. в... статье об итогах своих работ Миллер отказался признать, что эксперименты последних лет отвергают его результаты. По его мнению, во всех... опытах, где интерферометр был заключен в металлический корпус или помещался в комнатах с массивными стенами, ниже уровня Земли и т.д. были нарушены условия для свободного движения эфира» [3]. Так был ли обнаружен «эфирный ветер» в опытах Миллера или нет?

Схема опыта Майкельсона – Морли ничем принципиально не отличается от опыта Миллера. В опыте Майкельсона – Морли прибор можно было ориентировать в каком угодно направлении, однако ни при каком положении прибора «эфирный ветер» не наблюдался. Можно предположить, что чувствительность прибора в опыте Миллера значительно выше, чем в опыте Майкельсона – Морли. В действительности, чувствительность прибора в опытах Майкельсона – Морли оказывается вполне достаточной, если мы учтем следующее обстоятельство.

Как следует из правильного анализа теории этого опыта, луч света, движущийся от полупрозрачного зеркала к зеркалу С перпендикулярно направлению движения прибора, отклоняется в направлении, обратном предполагаемому движению прибора, т.е. в направлении движения «эфирного ветра», обусловленного движением прибора, как это изображено на рис.4.

Рис. 4. Движущийся прибор

Величина смещения точки С относительно точки C' определяется следующим соотношением:

СС'=Lv/c.

где L – длина каждого из плеч прибора.

Известно, что в опытах Майкельсона – Морли, выполненных в 1887г., величина L была равна 30 метрам. Тогда величина отклонения точки С от точки С' оказывается равной 3 миллиметрам (!) и могла бы быть обнаружена даже невооруженным глазом, однако ничего подобного не наблюдалось. Следовательно, не наблюдалось никакого «эфирного ветра» вследствие полного увлечения эфира атмосферой Земли при ненулевой ее вязкости, поэтому никакого «эфирного ветра» не могло наблюдаться и в опытах Миллера. Наблюдаемый в опытах Миллера эффект никак не связан с движением Земли относительно мирового эфира.