1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Наиболее точные опыты относятся к физике высоким энергий (например, столкновения релятивистских частиц, ядерные превращения), а не к оптике движущихся тел. В наши дни сомневаться в справедливости теории относительности — это то же самое, что сомневаться в реальности ускорителей заряженных частиц или атомных электростанций. Но фундаментальность представлений теории относителыюсти и парадоксальность ее следствий до сих пор приводят к попыткам ее пересмотра. Поэтому не прекращается и постановка новых опытов (в том числе и оптических) с использованием усовершенствованных приборов и новьпг эффектов для проверки основных принципов теории относительности.
Вл. ве»т«в«мнм«ввя«ян От»опрос о законах оптических явлений ««зйявнО«н43й «в«иъйв в случае движущихся тел возник задолго до создания электромагнитной теории света. Высказанная Гюйгенсом мысль о волновой природе света требовала введения особой среды, в которой могли бы распространяться световые колебания. Эту среду Гюйгенс назвал эфиром. Так в физике возникло понятие, несостоятельность которого была окончательно установлена лишь теорией относительности.
Убедительное подтверждение волновая теория света получила в начале Х!Х в., когда на ее основе было дано исчерпывающее объяснение явлениям интерференпии и дифракции. Открытие поляризации света свидетельствовало о поперечности световых волн. В рамках механической волновой теории, рассматривавшей свет по аналогии со звуковыми волнами, эфир пришлось наделить механическими свойствами твердого тела, так как поперечные упругие волны могут распространяться только в твердых телах.
Конечно, это была странная среда: заполняя все пространство и пронизывая все тела, она при этом никак не влияла на их движение. Но даже если оставить в стороне трудный вопрос непротиворечивого объяснения столь экзотических свойств эфира, со всей остротой вставала задача обнаружения связанной с ним системы отсчета. Движение тел относительно эфира можно было бы рассматривать как некоторое абсолютное движение. Г!ришедшая на смену старой волновой теории электромагнитная теория света практически не внесла ничего нового в постановку этого вопроса. Рассматривая свет как частный вид электромагнитных волн, она позволила обойтись без противоречивых механических представлений об эфире, но не затронула предположения о возможности определять движение тел относительно эфира.
Считалось, что уравнения Максвелла справедливы в определенной системе отсчета, за которой и сохранилось название эфира. Задача экспериментального обнаружения этой привилегированной системы отсчета по-прежнему оставалась актуальной. Предполагалось, что при переходе к другой инерциальной системе отсчета уравнения Максвелла в отличие от уравнений механики Ньютона должны изменить свой вид. Другими словами, считалось, что принцип относительности, т.
е. утверждение об эквивалентности всех инерциальных систем отсчета, выполняется только для механических явлений и не справедлив для электромагнитных и оптических явлений. Гипотеза о существовании эфира как выделенной системы отсчета выдвигала постановку ряда опытов с целью выяснения законов распространения света в телах, движущихся относительно эфира, и опытов, свнзанных с движением наблюдателя относительно эфира. Результаты этих опытов вскрыли противоречия в самом понятии эфира и привели в конечном счете к отказу от представлений о возможности определить «абсолютное» движение тел с помощью оптических явлений.
Принцип относительности был распространен не только на механические явления, но и на все явления вообще. Было признано также, что скорость света в пустоте имеет универсальное значение, одинаковое во всех инерциальных системах отсчета. Эти утверждения — принцип относительности, распространенный на все явления, и существование предельной скорости распространения сигналов, совпадающей со скоростью света в пустоте и одинаковой во всех системах отсчета, — и составляют содержание двух принципов, или постулатов, лежащих в основе частной теории относительности. Я ) Я з ! Отклон«иве наблюдаемого положения звезды из-за параллакс» (а) н аберрации (б) В лияние движения тел на оптические явления впервые было обнаружено в астрономических наблюдениях.
В 1676 г. Ремер при наблюдении периодических затмений галилеевых спутников Юпитера заметил, что времена их обращения возрастают. когда Земля в своем орбитальном движении удаляется от Юпитера, и уменьшаются, когда она приближается. Ремер объяснил изменения наблюдаемых периодов обращения конечной скоростью света (см. $2.!!). Орбитальное движение Земли приводит также к явлению звездной аберрации, которое было открыто Брэдли (1725 — 1728) . В своих наблюдениях он пытался обнаружить годичный параллакс, т.
е. кажущуюся траекторию, которую описывает проекция звезды на небесный свод из-за изменения положения наблюдателя при движении Земли по орбите (рис. 8.1, а). В общем случае такая траектория должна быть эллипсом, вырождающимся в окружность для звезды, расположенной вблизи полюса эклиптики (как на рис. 8.1, а), или в отрезок прямой для звезды, лежащей в плоскости эклиптики, Брэдли нашел, что звезда действительно описывает эллипс, большая ось которого равна 4!", однако направление углового отклонения звезды совершенно иное, чем должно быть при параллаксе (рис. 8.1, б): когда Земля находится в точке А, ее наблюдаемое положение смещено не в точку Аь а в точку Ам т. е.
отклонение происходит в направлении движения Земли. Кроме того, отклонение не зависит от расстояния до звезды и значительно больше, чем параллактическое смещение даже ближайших звезд. Существование па- Яу раллакса неподвижных звезд Я» было твердо установлено Бесселем лишь сто лет спустя. Найденное Брэдли объяспение аберрации опирается на то, что свет распространяется с конечной скоростью. При движении наблюдателя кажущееся направление на звезду отличается от истинного подобно тому, как от- весно падающий дождь кажется косым наблюдателю в движущемся вагоне.
Угол отклонения равен о/с (при о ~ с). Через полгода направление движения Земли изменится на противоположное и кажущееся положение звезды будет смещено на такой же угол в противоположную сторону. Разность видимых направлений составит 2о/с. Учитывая, что и=30 км/с, с=3.10 км/с, получаем 2и/с= = 2.10 ' = 41", что совпадает с измеренным значением полного смещения. Из своих наблюдений Брэдли сделал важный вывод о равенстве скоростей света от разных звезд. Отметим, что наблюдение аберрации возможно лишь потому, что Земля в своем орбитальном движении изменяет направление скорости.
Наблюдаема не сама аберрация, а ее изменение. Если бы Земля двигалась прямолинейно и равномерно, ни о каком обнаружении аберрации земным наблюдателем не могло быть и речи. Брэдли в своем объяснении аберрации исходил из корпускулярной картины распространения света.
Такой же результат получается и из волновой теории (впервые это было показано Юнгом), если считать, что «светоносная среда» покоится в гелиоцентрической системе отсчета. К представлению о «неподвижном эфире» приводят и наблюдения за изменением периодов затмений спутников Юпитера, т. е. измерения скорости света по методу Ремера, выполненные при разных положениях Юпитера на эклиптике. Е сли эфир неподвижен в гелиоцентрической системе, то орбитальное движение Земли должно вызывать «эфирный ветер».
Первые попытки его обнаружения на опыте были сделаны Араго в 1810 г. Араго наблюдал преломление света от неподвижной звезды в призме, когда Земля, а вместе с ней и призма, двигалась к звезде и от звезды. Г1ри разных направлениях движения призмы относительно неподвижного эфира должен быть различен ее показатель преломления. Араго не обнаружил ожидаемого эффекта, и хотя точность его опытов была недостаточна, он интуитивно сделал правильный вывод о том, что никакой зависимости от движения Земли нет.
Этот отрицательный результат легко объяснить, предположив, что эфир полностью увлекается движущейся Землей, но тогда возникают непреодолимые трудности в объяснении аберрации. Выход из противоречий был найден Френелем на основе гипотезы о том, что плотность эфира в прозрачных телах больше, чем в пустоте (при неизменной упругости). Такое предположение вместе с требованием неразрывности эфира приводило к заключению о том, что внутри движущегося тела, где эфир уплотнен, его скорость относительно тела в и раз меньше, чем снаружи. Иначе об этом можно 2 говорить как о частичном увлечении эфира движущимся телом с коэффициентом увлечения 1 — 1/п».
Объяснение аберрации при этом не претерпевает никаких изменений (при а=1 эфир остается неподвижным) н в то же время движение тел (вместе с наблюдателем) относительно эфира не оказывает влияния на любые оптические явления в первом порядке по о/с. Во втором порядке это влияние должно проявиться, но .т в при максимальной доступной скорости тел относительно эфира— скорости орбитального движения Земли — (о/с)2 = 10 ', что лет»,':-' жит за пределами достижимой»» точности таких экспериментов Таким образом, френелевский коэффициент увлечения объясняет отрицательные результаты опытов, в которых среда движется вместе с наблюдателем относительно эфира. При этом безразлично, делается ли опыт со светом от заезды или от земного источника, так как по волновой теории (в отличие от корпускулярной) скорость света не зависит от движения источника*.
Прямое измерение коэффициента увлечения возможно в опытах, где изучается распространение света в телах, движущихся относительно наблюдателя Такие опыты с движущейся водой были выполнены Физо в 1851 г. и повторены с большей точностью Майкельсоном и Морли в !888 г. Луч света от источника 5 расщепляется полупрозрачной пластинкой Р (рис. 8.2) на два луча, один из которых распространяется в трубах по направлению течения воды, ' другой †. против. Затем эти лучи соединяются и дают систему интерференционных полос.
наблюдаемую в зрительную трубу. Смещение полос по сравнению с их положением при неподвижной воде позволяег 12змерить вносимую движением воды разность хода и тем ;амым найти скорость света в движущейся воде. В покоящейся воде скорость света с/и. Результаты опытов совершенно определенно показали, что в воде, движущейся со скоростью о, скорость света определяется выражением и = с/п+ и(1 — 1/пт), (8 1) полностью соответствующем выводу Френеля о частичном увлечении эфира Электромагнитная теория света, отказавшись от механического эфира, сохранила представление о существовании выделенной системы отсчета, в которой справедливы уравнения Максвелла и скорость света в пустоте по всем направлениям равна с. Изменение скорости света в неподвижном веществе и = с/и в электронной "о"" теории Лоренца объяснялось как макроскопический эффект, обусловленный вынужденными колебаниями входящих в его состав зарядов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
