Учебник - Общий курс физики. Оптика - Сивухин Д.В. (1238764), страница 148
Текст из файла (страница 148)
Оно найдется нз предыдущего выражения заменой угла и на угол а-~-2 —. Это дает 21 1 — в/врв сом и в с ! — Вв $1021 ОПЫТ МА1ТКВЛЬСОНА "' ставляющую Ъ',1 в плоскости земной орбиты и составляющую У, перпендикулярную к этой плоскости. Полная скорость Земли будет У = У., + Уз + У2, ГДЕ У,рв — скорость орбитального движения Земли. Если опыт производится в момент, когда направления скоростей У,рв и У1 совпадают между собой, то для полной скорости Земли можно написать (1 орб+1'1) +1' так что У получится больше У,рв. Следовательно, и ожидаемое смещение полос будет больше вычисленного выше.
Конечно, минимальное ожидаемое смещение в 0,04 полосы, вычисленное выше, могло бы наблюдаться только два раза в год, когда направление эфирного ветра совпадает или прямо противоположно направлению движения Земли. Поэтому необходимо производить наблюдения в течение по крайней мере полугода, что фактически и делалось Майкельсоном и всеми физиками, повторявшими его опыт.
Опыт был поставлен настолько тщательно, что позволял обнаружить смещение на 0,01 интерференционной полосы. Ожидаемое смещение на 0,04 полосы могло быть уверенно обнаружено на фоне неизбежных случайных ошибок измерений. Оказалось, что смещения нет. Точнее, результат опыта позволял утверждать, что скорость эфирного ветра, если бы он существовал, не может превышать 18 км/с. 4.
В 188? г. Майкельсон повторил свой опыт совместно с Марли (183? — 1923). Для того чтобы при вращении интерферометра не возникали деформации, вызывавшие небольшое смещение интерфереиционных полос, интерферометр вместе с остальной аппаратурой монтировался на тяжелой цементной плите, которая плавала в сосуде со ртутью. С той же целью прибор все время находился в медленном вращении, даже в моменты наблюдения.
Путем применения многократных отражений от 1б зеркал, установленных на той же плите, эффективная длина плеча интерферометра была доведена до 11 м. Ожидаемое смещение из-за орбитального движения Земли составляло уже 0,4 интерференционной полосы, Максимально наблюдавшееся смещение (из-за неизбежных случайных помех) составляло 0,02, а среднее — много меньше 0,01 интерференционной полосы. Опыт позволил утверждать, что скорость эфирного ветра не может превышать 2 км?с. Сам Майкельсон пришел к заключению, что результат опыта определенно отрицательный — эфирного ветра не суи1ествует.
Опыт Майкельсона неоднократно повторялся другими физиками с улучшенной аппаратурой и улучшенными методами наблюдения. Не останавливаясь на истории вопроса, укажем только, что к началу 30-х годов было с достоверностью установлено, что скорость эфирного ветра, если он и существует, не может превышать 1 — 1,5 км/с. 628 ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ [гл. 1х 5.
Изобретение лазеров, благодаря исключительно высокой степени монохроматичности и пространственной когерентности этих источников света, позволило чрезвычайно упростить схему опыта Майкельсона и повысить его точность. Опыт был поставлен в 1964 г.
американскими физиками Джасея, Джаваном, Мурреем и Таунсом. Идея опыта заключалась в следующем. Если скорость света зависит от направления его распространения относительно Земли, то частота, на которой генерирует лазер, должна изменяться при его повороте. Это изменение пропорционально Р', т. е, второго порядка по Р. Два одинаковых гелий-неововых лазера были установлены на поворотной платформе перпендикулярно друг к другу (рис. 325).
Световой пучок от одного из лазеров проходил полупосеребрениое зеркало 3, а пучок от в другого лазера отражался от того же зеркала. Далее пучки шли в одном и том же направлении и попадали в фотоэлектронный умиожитель, установленный на той же поворотной платформе. Если бы частоты этих пучков немного Отличались друг от друга, то должны были бы возникнуть биения фототока с частотой, лежащей в обла- ФЗУ сти радиодиапазона, которые можно было бы наблюдать обычными радиотехническими приемами с помощью анализатора А.
'Частота биений должна была бы меняться при вращении прибора. Если в исходном О ° Л й положении один лазер был ориентирован вдоль, а другой — перпендикулярно к направлению движения Земли, то при повоРис. 328. роте прибора на 90', согласно теории не- подвижного эфира, из-за орбитального движения Земли должно было бы наблюдаться изменение разности частот лазеров примерно на 3 МГц, тогда как возможная ошибка опыта не превосходила нескольких герц.
На опыте такое смещение обнаружено не было. На основании своих наблюдений экспериментаторы пришли к заключению, что скорость эфирного ветра, если бы таковой существовал, не может превышать 30 м!с. По сравнению с предыдущими результатами. точность была повышена примерно в 50 раз. В. Отрицательный результат опыта Майкельсона доказывает, что в земной системе отсчета скорость света в вакууме изогпропна, т.
е. не зависит от направления его распространения. Под скоростью света здесь понимается средпя» скорость в двух прямо противоположных направлениях — она и только она определяет результат опыта с «одними часами», Обобщая этот результат, мож- ПОСТОЯНСТВО СКОРОСТИ СВЕТА но сказать, что он справедлив во всех инерциальных системах отсчета. Остается выяснить, одинаковы лн численные значения скорости света в различных системах отсчета? Утвердительный ответ можно дать на основании опыта Кеннеди н Торндайка, которые в 1932 г. изменили опыт Майкельсона.
В их опыте использовался интерфе; рометр Майкельсона, в котором длины плеч были разными и отличались на 16 см. Они наблюдали интерференционные полосы (при неподвижном относительно Земли ннтерферометре) в течение шести месяцев. За это время Земля из своего исходного положения непрерывно перемещалась в диаметрально противоположную точку своей орбиты, участвуя вместе с тем в движении Солнца. Тем самым реализовалось множество систем отсчета, отличающихся друг от друга положением и ориентацией в пространстве.
Если бы в них скорость света была разной, то должно было бы наблюдаться регулярное смешение ннтерференционных полос. На самом деле смешение носило случайный характер и не превосходило 3!1000 ширины полосы. На этом основании можно прийти к заключению, что с точностью примерно 2 м!с скорость света в вакууме относительно Земли одинакова во всех ее положениях в пространстве. Все это подтверждает равноправие различных инерциальных систем отсчета по отношению ко всем физическим явлениям— преимущественной инерциальной системы отсчета не существует. $103. Независимость скорости света от движения источника 1. Помимо принципа или постулата относительности, Эйнп)тейн положил в основу теории относительности >гостулат о независимости скорости света в вакууме от движения источника. Его обычно называют принципом «постоянства скорости света»„хотя, как заметил еще Паули (1900 — 1958), такое название может повести к недоразумениям.
Об универсальности постоянства скорости света в вакууме не может быть речи уже потому, что эта скорость постоянна только в инерциальных системах отсчета, а независимость скорости света от движения источника сохраняется и в общей теории относительности, где на выбор систем отсчета не накладывается никаких ограничений. Независимость скорости света от движения источника можно было бы не выдвигать в качестве самостоятельного постулата, если с самого начала принять волновую-теорию света.
Однако столь фундаментальную теорию, какой является теория относительности, лучше строить, не связывая ее ни с какими гипотетическими представлениями о природе и механизме физических явлений. 2. Предположение о зависимости скорости света от движения источника ввел Ритц (!878 †19). Согласно этому предположению скорость света в вакууме постоянна и равна с только относительно ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 1гл.
1х источника. Если же источник света движется со скоростью е относительно какой-либо системы отсчета, то скорость света с" в этой системе векторно складывается из с и Т1, т. е. с' = с + п, как это происходит со скоростью снаряда при стрельбе из движущегося орудия. Такая гипотеза получила название баллистической. Ритц систематически перестроил электродинамику Максвелла, приведя ее в соответствие с этой гипотезой.
Ясно, что баллистическая гипотеза объясняет отрицательный результат опыта Майкельсоиа, если только источник света неподвижен относительно интерферометра. Но баллистическая гипотеза, как и любое предположение о зависимости скорости света от движения источника, не согласуется с молекулярным объяснением отражения и преломления света (см. 39 68 и 69). В основе такого объяснения лежит представление, что отраженная и преломленная волны возникают в результате интерференции падающей волны с вторичными волнами, излучаемыми молекулами и атомами среды. Действительно, если среду считать неподвижной, а источник света взять движущимся, то волны, излучаемые источником, будут распространяться с иными скоростями, чем волны, излучаемые молекулами и атомами среды. Интерференция между ними невозможна.
Однако это замечание есть аргументация, основанная на волновой теории света, а не экспериментальное доказательство, свободное от гипотетических представлений о природе света. Убедительное доказательство несостоятельности баллистической гипотезы, как показал в 1913 г. голландский астроном де Ситтер (1872 — 1934), дают астрономические наблюдения над движением двойных звезд. Действительно, допустим, что баллистическая гипотеза верна. Предположим для простоты, что компоненты двойной звезды вращаются вокруг их центра масс по круговым орбитам в той же плоскости, в которой расположена Земля. Рассмотрим движение одной из этих двух звезд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
