Э.Ф. Тейлор, Дж.А. Уилер - Физика пространства-времени (1120533), страница 26
Текст из файла (страница 26)
48). В атом случае, если свет на каком-то пути тратит больше времени при некоторой данной ориентации установки, то при ее повороте на 90' такой же задеря«ке во времени подвергнется свет, идущий по другому пути. Значит, полное изменение запаздывания света, когда он распространяется по двум разным путям, должно быть при повороте интерферометра вдвое больше того, что мы вычислили бы с помощью формулы в примере (в). Усовершенствовав свой метод, Майкельсон и Морли сумели доказать, что изменение времени распространения света по двум путям при повороте установки соответствовало менее чел«1!1«е сдвига от одного потемнения поля зрения телескопа до следующего потемнения.
Покажите, что этот вывод свидетельствует о том, что движение эфира у поверхности Земли (если оно вообще имеет место) происходит со скоростью менее '/е скорости двиягения Земли по ее орбите. Для того чтобы исключить возможность такого с< впадения, что в этот момент эфир «дул» относительно Солнца с той же скоростью, с какой движется по своей орбите Земля, они повторяли свой опыт каждые три месяца — и каждый раз с отрицательным результатом.
ж) Опровергает ли сам по себе опыт Майкельсона — Морли теорию распространения света в эфире? Можно лн так видоизменить зту теорию, чтобы она пришла в согласие с результатами этого опыта? Как это сделать? Какой новый опыт можно было бы привлечь для проверки такой модифицированной теории? 34».
Эксперимент Кеннеди — Торндайка ') Целью постановки опыта Майкельсона — Морли было обнаружение любого возможного движения Земли относительно гипотетической жидкости, эфира,— той среды, в которой свет, как предполагалось, распространяется со специфической для него скоростью с. Но такого относительного движения Земли и эфира обнаружить не удалось. Результаты этого опыта отчасти сыграли впоследствии свою роль в ниспровержении понятия эфира. Согласно современным взглядам, для распространения света вообще не требуется никакой среды. Какое значение имеет отрицательный результат опыта Майкельсона— Морли для нас, людей, не признающих теории эфира как среды, в которой распространяется свет? Просто-напросто: 1) Скорость света по замкнутому ') Сообщение об оригииельиои пост»поело эисперимеита можио иайти е статье В. 1.
К е пи е д у, Е. М. Т Ь о г и б ! Ь е, РЬуе)са! Вее)ее<, 42, 400 (1932). Место эксперимента е л<>- гичесиой структуре теории отиосительиости про»пели»ирои»по и работе Н. Р. В о Ь е г«е о и, Вег)еи<е о? Модеги РЬу»)с», 21, 373 (!949). упРАжыеыия к Гл. « пути, измеренная на Земле, одинакова во всех направлениях, т. е. скорость света ивстрспна. 2) Скорость света изотропна не только тогда, когда Земля при движении вокруг Солнца летит в одно»« каком-то направлении, например, в январе (назовем этот случай движения «лабораторной системой отсчета»), но и когда Земля движется в противени«сжнсм направлении в июле (уйдя вокруг Солнца в противоположную часть своей орбиты; назовем Землю в атот период ее движения «систев«ой отсчета ракеты»). 3) Обобщение этого вывода на любые пары инерциальных систем, находящихся в движении относительно друг друга, приводит к утверждению, что скорость света на замкнутом пути иастропна как в лабораторной системе опючета, так и в системе ракеты.
Полученный вывод оставляет без ответа один важный вопрос, а именно: обладает лн скорость света, распространяющегося по замкяутому пути, которая нэотропна как в лабораторной системе, так и в системе отсчета ракеты, еще к одинаковым численным значением в обеих этих системах отсчета? Предположение о том, что эта скорость численно одна и та же во всех инерцкальных системах отсчета, является центральным фактом прн доказательстве ннвариантности интервала (равд. 5). Но верно ли это предположение? а) Эксперимент для проверки предположения о равенстве скорости света, распространяющегося по замкнутому пути, в двух движущихся относительно друг друга ннерциальных системах отсчета был предпринят в 1932 г. Роем Дж.
Кеянедн и Эдуардом М. Торндайком. В этом эксперименте был применен интерферометр, плечи которого были не равны друг другу (рнс. 49). Допустим, что разность длин плеч этого интерферометра равна <Л). Покажите, что световой импульс, поступающий в установку, затрачивает для обхода зал«кнутого пути по длинному плечу на 2<»1/с больше времени, чем для обхода замкнутого пути по короткому плечу. Использованная Кеннеди и Торндайком разность длин <»1 равнялась приблизительно 16 см.
Чему равна приблизительно разность во времеви, за которое свет завершает обход двух неодинаковых замкнутых путей в этом интерферометре? б) Кеннеди и Торндайк в действительности использовали не импульс света, а непрерывный монохроматический свет, колебания волн которого обладали периодом Т = 1,820 10 " еек (Л = 5461 А), излучавшнйся атомами ртути. Определите, сколькими периодами позже «приходнл к финишу» свет по длинному плечу интерферометра, чем по короткому плечу? (Разность периодов обозначим через и.) Если это число периодов оказывалось целым, то суперпозиция лучей, приходящих по обоим плечам, приводила к сложению волн, и экспериментаторы видели ярко освещенное поле зрения телескопа.
Наоборот, если это число периодов оказывалось полуцелыл«, то волны, приходящие по обоим плечам, взаимно вычитались, гасились, и экспериментаторы видели темное поле зрения телескопа. в) Но Земля все время движется по своей орбите вокруг Солнца. Каждые шесть месяцев ее скорость движения относительно неподвижных звезд изменяет свой знак. Будет ли и в такой новой системе отсчета скорость распространения света по замкнутому пути иметь ту же самую численную величину с, что и в исходной системе отсчета? Ответ на вопрос (б), касающийся этой исходной системы отсчета, можно переписать в виде с 2 а< и Т (54) Здесь <»» — разность длин плеч интерферометра, Т вЂ” величина периода волн, испускаемых светящимися атомами, а и — число периодов, на которое различаются моменты возвращения света по длинному н короткому путям.
Предположим теперь, что в ходе обращения Земли вокруг Солнца в поле зрения нашего телескопа не обнаруживается изменения яркости (например, перехода от света к темноте). Это значит, что наблюдаемая велн- Внушренняя еануумная намера Неарцееая ялама Внешняя водная камера Р и с. 49. Схематическое пзображеыие установки, использованной в эксперименте Кеннеди — Торпдайка. Деталя етого иптерферометра помечены темп же буквами, что н соответствующие детали иытерферометра Майкельсопа — Морли в упражнении ЗЗ.
Экспериментаторы остаковились па больших размерах плеч прибора с тем, чтобы обеспечить его оптическую и мехаыяческую стабильность. Иытерферометр смоытнровап па плите пз кварца, который почти не ивменяет своих равмеров при колебаниях температуры. Кроме того, ов помещен в вакуумную камеру, так что колебания атмосферного давления не отражаются на длине оптического пути в плечах интерферометра (разным значениям давления воздуха соответствует несколько павличкая велячива скорости света!). Вакуумкая камера окружена камерой,'наполненнои водой, температура которой поддерживалась постоянной с точностью до ~ 0,001'С.
Вся зта установка была помещена в небольшой темной комнате (пе ивобрвжеппой па рисупке), где температура поддерживалась постоянной с точностью до нескольких сотых градуса. Эта темная комната в свою очередь была окружена большеп темной комнатой, гдв температура поддеряашалась постоянной с точностью до нескольких десятых градуса. Размеры всей установки в целом можно охарактеризовать тем, что разность длпп двух плеч иптерферометра (то есть отрезков Ье и Ье~) равна 16 см. УПРАЖНЕНИЯ К ГЛ, Ф »от чина и Неизменна. Что можно было бы заключить из этого гипотетического результата о численном значении с скорости света? Укажите, какие став- даря«ы длины и времени были привлечены для вывода этого результата (54).
Наибольшей стабильностью в сохранеиии своих размеров из всех известиых материалов обладает кварц. Самый надежный мехаиизм для измерения времени, который мы можем построить на Земле,— это ато»шые стандарты времени. г) Для того чтобы осуществить эксперимент, описанный в предыдущих пунктах,'Кеннеди и Торидайк должны были обеспечить безупречную работу своего интерферометра в течение полугода непрерывных наблюдений яркости поля зрения телескопа.
Но столь длительные непрерывные иаблюдеиия были невозможны, так что иа самом деле продолжительность их наблюдений колебалась от восьми дней до одного месяца. С интервалами в три месяца имело место по нескольку таких периодов наблюдения. Данные, полученвые по этим наблюдениям, дали возможность Кеннеди и Торндайку установить, что за срок непрерывных наблюдений в течение 6 месяцев число периодов я относительного отставания одного луча от другого смогло бы составить лишь менее чем 3/1000 одного периода. Возьмите дифференциал выражения (54) для того, чтобы определить наибольшее относительное изменеиие скорости света по замкнутому пути в двух разных системах отсчета, которое Н« могло бы согласоваться с данной оценкой изменения — (здесь первая систе« ма отсчета — «лабораторпая», и вторая, система отсчета ракеты,— просто сама наша планета, взятая в два момента, разделенные шестью месяцамп времеви; относительная скорость движеиия этих двух систем равна удвоенной скорости движения Земли по ее орбите — 2 30 км/сек).
Историческая справка. Во времена, когда в 1887 г. был проделан опыт Майкельсоиа — Морли, никто еще не был готов к восприятию той идеи, что законы физики (не исключая и самой величииы скорости света) одинаковы во всех ииерциальных системах отсчета. С точки зрения стакдартного в наши дви эйнштейновского подхода просто очевидно, что и опыт Майкельсона— Морли, и эксперимент Кеннеди — Торидайка должны были привести к негативному результату. Но когда Кеннеди и Торндайк предприияли в 1932 г. свои из»«ереиия, кроме теории Эйвштейна продолжали еще обсуждаться дзе ее альтернативы — назовем их теориями А и В.
В этих обеих иезйип«тейиовских теориях принимались старые представления о некотором абсолютиоы пространстве, или «эфире», в котором свет распространяется со скоростью с. И теория А, и теория В объяспяли отсутствие сдвига интерференционных полос в опыте Майкельсона — Морли, утверждая, что все, что движется со скоростью Р отиосительио «абсолютного пространства», сокращает свою пространственвую длину в направлении движения до величивы, равной этой старой длине, помноженной на г' 1 — (и«/с«) («гипотеза сокращеиия Лоренца — Фптцджеральда»). Разница между этими двумя теориями состояла в подходе к влиянию «движения сквозь абсолютное пространство» ва скорость хода часов. Теория А отвергала возможность такого эффекта, а согласно теории В, величина 1 секунды на стандартных часах, движущихся через абсолютное пространство со скоростью и, должна была становиться равной )/1 — (и»/с») секунды.
В теории В величина отношения й)/Т не должна была зависеть от скорости движения часов, и она предсказывала негативный результат эксперимента Кеннеди — Торндайка, что он и дал в действительности («сложное объяснение простого эффекта»). Согласно теории А, отношение и)/Т в выражении (54) должно было умножиться на величину)/1 — (Р,'/с*) в то время года, когда «скорость Земли относительно абсолютного пространства» равна им и на величину $~1 — (и««/с») в то время года, когда эта скорость равна Р». Поэтому интерфереициоииые полосы !.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
