PHYS2 (Физика)

который невозмущённый световой эфир покоится.

Естественно было предполагать,что эфир заполняет всё пространство между Солнцем и планетами,а так как с этим пространством уже была связана абсолютная система отсчёта Ньютона,относительно которой Ньютон отсчитывал абсолютное движение,то представлялось вполне естественным предположение,что эфир покоится в этой системе отсчёта.

Представление об эфире как об особой тонкой гипотетической среде,заполняющей всю нашу Солнечную систему и всё межпланетное пространство в ней,существенно обогащало нью-

тонову чисто механическую небесную механику,изложенную в его “Принципах”,в которой интерес проявился только к механическим,а точнее-геометрическим характеристикам движения

планет и их спутников,под действием сил всемирного тяготения,в ньютоновой абсолютной системе отсчёта.

Одновременно с представлением о покоящемся эфире в межпланетном пространстве возникал вопрос о возможности измерения немеханическим способом скорости Земли,движущейся

равномерно прямолинейно с постоянной скоростью в неподвижном эфире,т.е. с помощью не механических,а оптических экспериментов.Согласно принципу относительности Галилея,ме-

ханические эксперименты не позволяют этого сделать.Возникла,однако,теперь надежда,что оптические эксперименты как раз и позволят какие-нибудь эффекты,в которых проявлялась бы

указанная скорость.Всё дело только в том,чтобы изобрести какой-нибудь такого рода эксперимент.

Вся эта проблема об измерении скорости Земли с помощью чисто оптических,а позднее также и электродинамических экспериментов,производимых на поверхности Земли,известна в ис-

тории науки под названием проблемы измерения “эфирного ветра”.

В теории этого ветра,с самого начала,приходилось выбирать одну из двух гипотез,известных под именами гипотез Френеля и Стокса.

ГИПОТЕЗА ФРЕНЕЛЯ (1818 г.)

Земля движется сквозь неподвижный эфир,который вовсе не увлекается ею или увлекается очень слабо,и поэтому наблюдатель на Земле должен ощущать и регистрировать натекание

эфира на Землю,т.е. “эфирный ветер”,измеряя скорость которого можно определить “абсолютную скорость” Земли в ньютоновом абсолютном пространстве.

ГИПОТЕЗА СТОКСА (1845 г.)

Земля практически полностью увлекает с собой премыкающий к ней эфир,подобно шару,движущемуся с постоянной скоростью в вязкой неподвижной жидкости,который увлекает при-

мыкающую к его поверхности часть жидкости,и никакого “эфирного ветра”,по крайней мере на самой поверхности Земли,а скажем,не высоко в горах,наблюдаться не должно.

Обе гипотезы-Стокса и Френеля-о взаимодействии эфира с движущимся в нём телом-оказались в состоянии количественно объяснить явление астрономической аберрации звёзд и отри-

цательные результаты оптических экспериментов,произведённых на Земле с целью измерения скорости Земли в межпланетном пространстве.Оптические же явления,наблюдаемые в движу-

щихся прозрачных телах на Земле,смогла объяснить только гипотеза Френеля.

Первую попытку измерить скорость эфирного ветра предпринял Араго в 1810 г. Он решил обнаружить влияние движения Земли на преломление света,идущего от звезды.С этой целью

он измерял разности зенитных углов одной и той же звезды.наблюдаемой в телескоп непосредственно и через призму,т.е. попытался наблюдать изменение угла преломления луча света от

звезды к призме,когда Земля (а значит,и призма) двигалась к звезде и (через полгода) -от звезды.Араго ожидал измерить угол отклонения,равный,по его оценке,2’.Но опыты дали отрица-

тельный результат.И тогда Араго обратился к Френелю с просьбой объяснить этот неожиданный для него факт.В 1818 г. было опубликовано письмо Френеля к Араго,в котором Френель

с единых позиций нашёл объяснение и отрицательного результата опыта Араго,и объяснение астрономической аберрации.

Хотя Френель понимал,что допущение полного увлечения эфира движущейся Землёй легко объясняет отрицательный результат опыта Араго,он его не принял,так как должен был объяс-

нить также и результат опыта Брэдли по наблюдению аберрации звёзд.Поэтому Френель,следуя предложению Юнга 1804 г., в основу своей теории взял допущение о неподвижном,прак-

тически не увлекаемом движущейся Землёй эфире (так как показатель преломления n воздуха очень близок к единице). Стеклянная призма Араго (показатель преломления стекла n» 1,3),

однако,по предположению Френеля частично увлекала эфир.Френель теоретически вывел значение коэффициента увлечения,равное 1-1/n², где n-показатель преломления стекла призмы.

При таком значении коэффициента увлечения Френель смог оьъяснить и отрицательный результат опыта Араго,и опыта Брэдли по аберрации.

Физо в 1856 г. удалось измерить в земных условиях не только скорость света в воздухе (практически совпадающую со скоростью в пустоте),но и скорость света в воде,движущейся с не-

которой заданной скоростью V.Эксперимент состоял в изменении смещения интерференционных полос в интерферометре,в плечи которого были помещены две трубы с прозрачными торцами и с текущей по ним в противоположных направлениях со скоростью V водой.

Эксперимент Физо показал,что наблюдаемый сдвиг интерференционных полос соответствовал скорости света в движущейся воде относительно неподвижных стенок труб,равной

Ccp.=c/n±v(1-1/n²),

где знак плюс соответствует движению светового луча и воды в одинаковом направлении,минус-в противоположных,n-показатель преломления воды.

Попытками измерить скорость эфирного ветра на движущейся Земле занимались многие крупные физики в последней четверти XIX в.,проводившие для этого различные оптические и

электродинамические эксперименты.

Скорость света в пустоте равнв 300 000 км/c. Скорость движения Земли по своей орбите равна 30 км/с.Следовательно, v/c=0,0001, v²/c²=0,00000001; речь идёт об очень малых эффектах.

В 1871 г. Майкельсон,а в 1878 г. Майкельсон и Морли произвели первый,ставший впоследствии знаменитым эксперимент второго порядка малости по v/c - эксперимент Майкельсона,который потом неоднократно был повторен другими исследоватлями.

Оптический прибор-знаменитый интерферометр Майкельсона - размещался на тяжёлой каменной плите,которая плавала на ртути в бассейне в подвале здания.Ориентируя этот прибор либо плечом L1 либо плечом L2 вдоль направления движения Земли,не удалось наблюдать какого-либо различия в его показаниях (это различие должно было выразиться в смещении

интерференционных полос,наблюдаемых в зрительную трубу),.т.е. не удалось измерить скорость V движения Земли в межпланетном пространстве.

C. ПРОБЛЕМА ПРАВИЛЬНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРЕОБРАЗОВНИЙ ЛОРЕНЦА.

Проблема измерения скорости эфирного ветра в оптических экспериментах получила новое своё развитие в последней четверти XIX в.,когда было открыто,что свет имеет электромаг-

нитную физическую природу,что оптика является только частью другой более фундаментальной и более глубокой физической науки-электродинамики.

Основы электродинамики сформулировал Максвелл в своём знаменитом “Трактате” в 1873 г., играющем такую же основополагающую роль в электродинамике,как “Принципы” Ньютона в механике.В этом труде были сформулированы знаменитые уравнения Максвелла и была высказана гипотеза об электромагнитной природе света-что свет является электромаг-

нитными волнами,-которая в 1888 г. была подтверждена Г.Герцем,экспериментально открывшим электромагнитные волны радио- и СВЧ- диапазона.

В теории Максвелла впервые в истории науки связывались между собой электрические и магнитные явления с оптическими явлениями.Упругий эфир Френеля превратился,таким обра-

зом, в носителя электромагнитных возмущений и электромагнитных волн,т.е. стал электромагнитным эфиром,а элекрические и магнитные поля напряжённости и индукции стали рассмат-

риваться как показатели напряжений и деформаций этого эфира.

Максвелл представлял себе электрические и магнитные поля и электромагнитные волны механически-как возмущения гипотетической,хотя и очень своеобразной,но всё же чисто механи-

ческой сплошной среды,наделённой особыми механическими св-вами;при этом он считал,что эфир в пустоте и эфир в веществе имеют различные мех. св-ва.

Сам Максвелл считал,что его уравнения справедливы только для покоящегося эфира,возмущениями которого являлись,по его представлениям,рассматриваемые им электромагнитные

поля и волны.Систему отсчёта,в которой эфир покоится Максвелл связывал с абсолютной системой отсчёта Ньютона.

Ур-ия Максвелла составлены для четырёх векторных ф-ий: E(x,y,z,t), D(x,y,z,t) - напряжённости и индукции электрического поля, H(x,y,z,t), B(x,y,z,t) - напряжённости и индукции маг-

нитного поля.Эти ф-ии характеризуют возмущение неподвижного электромагнитного эфира.Изменяющиеся со временем электрическое и магнитное поля не могут существовать по

отдельности - они образуют единое электромагнитное поле,представляющее собой электромагнитные,в частности оптические волны.

Уравнения Максвелла имеют следующий вид:

rot E = -дB / дt , rot H = j + дD / дt , div D = р , div B = 0,

где j=j(x,y,z,t) - объёмная плотность элекрического заряда.

Как видим,уравнения Максвелла предполагают,что координаты x,y,z и время t описываются в некоторой системе отсчёта,которая,по предположению Максвелла является системой отсчёта, в которой невозмущённый электромагнитый эфир покоится.

Попытками распространить уравнения Максвелла на произвольно движущиеся материальные прозрачнные среды,которые как предполагалось в соответствии с гипотезой Френеля

каким-то образом увлекали с собой эфир,занимались многие крупные физики последней четверти XIX в.,но,пожалуй,больше всех Г.А. Лоренц.

Исследуя выведенные им на основе его электронной теории уравнения Максвелла для движущейся среды,Лоренц в 1895 г. пришёл к удивительному результату,-что с точностью до членов первого порядка малости по v/c,где v-скорость движения системы отсчёта,c-скорость движения электромагнитных волн,эти уравнения Максвелла можно строго математически

преобразовать к виду уравнений Максвелла для неподвижной среды,т.е. он строго доказал,что уравнения Максвелла “не чувствуют” поступательного движения системы отсчёта,если

только она движется с постоянной скоростью.

Лоренц получил тем самым объяснение отрицательных результатов проведённых к тому времени экспериментов,показывающих,что с помощью оптических и электродинамических

эффектов первого порядка по v/c,производимых с земными источниками света,невозможно определить скорость движения Земли относительно межпланетного пространства Ньютона.

Чтобы объяснить остающийся,однако, необъяснённым отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли второго порядка малости по v/c Лоренц и независимо Фицдже-

ральд выдвинули знаменитую гипотезу о сокращении всех тел,движущихся в абсолютном пространстве вдоль направления движения в отношении,зависящем от скорости движения .

Если Lо- длина покоящегося тела,L-дли-