physics_saveliev_3 (535941), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Таким образом, число полос, на которое сместится интерференцибнная картина при включении тока воды, составит '): Л с (12 1!) с ( 21 Ло Ло (о — аи Физо обнаружил, что интерференционные полосы действительно смещаются. Определенное из величины смешения значение коэффициента увлечения оказалось равным а=1 — —,, 1 (35.1) где а — показатель преломления воды, Таким образом, опыт Физо показал, что эфир (если он существует) увлекается движущейся водой только частично. Опыт Майкельсона. В 1881 г.
Майкельсон осуществил знаменитый опыт, с помощью которого он рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер). В 1887 г. Майкельсои повторил свой опыт совместно с Морли на более совершенном приборе. Установка Майкельсона — Морли изображена на рис. 137. Кирпичное основание поддерживало кольцевой чугунный желоб с ртутью. На ртути плавал деревянный поплавок, имеющий форму нижней половины разрезанного вдоль бубликд. На поплавок устанавливалась массивная квадратная каменная плита.
Такое устройство позволяло очень плавно без толчков поворачивать плиту вокру1г вертикальной оси прибора. На плите монтировался интерферометр Майкельсона (см. рис. 53), видоизмененный так, что оба луча, прежде чем вернуться к полупрозрачной пластинке, несколько раз проходили туда и обратно путь, совпадающий с диагональю плиты. Схема хода лучей показана на рис. 138. Обозначения на этом рисунке соответствуют обозначениям на рис. 53.
') Оптическую длину пути н( можно представить следуюгдпм образом: н1 (с/о)1 = сг, где 1 — время, затрачиваемое лучом на прохождение пути 1 в среде с показателем преломления и. Тогда выражение для оптической разности хода принимает вид: А = пгй — нА с(гз — 1,). 7 и. В. Савельев, т. г!1 193 Опыт основывался на следующих соображениях. Предположим, что плечо интерферометра РМз (рнс. 139) совпадает с направлением движения Земли относительно эфира.
Тогда время„необходимое лучу 1, чтобы пройти путь до зеркала М~ и обратно, будет отлично от времени, необходимого для прохождения пути РМзР лучом 2. В результате, даже прн равенстве длин обоих >>б плеч, между лучами / и 2 возникнет некоторая разность хода. Если повернуть прибор на о 90', плечи поменяются местами и разность хода изменит знак.
Это должно привести к смещению интерференционной картины, величину которого, как показывают соответствующие расчеты, вполне ьюжно было бы обнаружить. Чтобы вычислить ожидаемое смешение интерференционной картины, найдем времена прохождения соответствующих путей лучами / н 2. Если эфир не увлекается Землей и скорость сне~а относительно эфира равна с (показатель преломления воздуха практически равен единице), то скорость света относительно прибора будет равна с — о для направления РМ, н с+ и для направления МзР.
Следовательно, время для луча 2 определится выражением: г + ! эгг 21 1 21 (1 е ) гйб в и + с + о с' — г>' с ч' с 1 с' / ( 1 —— с' (скорость движения Земли по орбите равна 30 км/сек; поэтому п'/с' = 1О' (( 1) Прежде чем приступить к вычислению времени /ь рассмотрим следующий пример из механики. Пусть катеру, который развивает скорость с относительно воды, требуется пересечь реку, текущую со скоростью о, в направлении, точно перпендикулярном к ее берегам (рис. 140). Для того чтобы катер перемещался в заданном направлении, его скорость с относительно воды должна быть направлена так, как показано на рисунке. 7~ 195 Поэтому скорость катера относительно берегов будет равна ) с+и) 'у'У вЂ” Р.
Такова же будет в опыте Майкельсона скорость луча ! относительно прибора. Следовательно, время для луча 1 равно — —, - — (1+ — —,) ). (35.3) 21 2! 1 2! Г 1 ое1!) у'са — о' с / ое с ~ 2 с ) ау 1 —— са Подставив в выражение Л = с(!в — 1~) (см. сноску на стр, 193) значения (35.3) и (35.2) для !! и !в, получим разность хода лучей 1 и 2: ажаюдаеж - '((' .—::) — ( —,' —::))- %. \ При повороте прибора на 90' разность хода изменит знак. Следовательно, число полос, на которое сместится ннтерференционная картина, составит ЛЛ) === 2 — —,.
(35.4) 2а ! о' хе хо с Рис. 140. Длина плеча ! (учитывая многократные отражения) составляла иа установке Майкельсона — Морли 11 м. Длина волны применявшегося ими света равнялась 0,59 ми (0,59 10-'м). Подстановка этих значений в формулу дает ЛЛ! 10 = 0,37 = 0,4 полосы. 2 11 -а 0,59 ° 10 Прибор позволял обнаружить смещение порядка 0,01 полосы.
Однако никакого смещения интерференционной картины обнаружено не было. Чтобы исключить возможность того, что в момент измерений плоскость горизонта оказалась перпендикулярной к вектору орбитальной скорости Земли, опыт повторялся в различное время суток. Впоследствии опыт производился многократно в различное время года (за год вектор орбитальной скорости Земли поворачивается в пространстве на 360') и неизменно давал отрицательные результаты. Обнаружить эфирный ветер не удавалось. Мировой эфир оставался неуловимым. ') Мы воспользовались формулами: Р' ! — х = 1 — (1/2) х и 1/(1 — х) = 1+ х, справедливыми дли малых х. 196 Было предпринято несколько попыток объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, не отказываясь от гипотезы о мировом эфире.
Однако все эти попытки оказались несостоятельными. Исчерпытающее непротиворечивое объяснение всех опытных' фактов, в том числе и результатов опыта Майкельсона, было дано в 1905 г. Эйнштейном. Для этого Эйнштейну пришлось кардинальным образом изменить существовавшие до того времени представления о пространстве и времени. 5 36. Специальная теория относительности Эйнштейн пришел к выводу, что мирового эфира, т. е. особой среды, которая могла бы служить абсолютной системой отсчета, не существует. В соответствии с этим Эйнштейн распространил механический принцип относительности Галилея на все без исключения физические явления. Согласно принципу относительности Эйнштейна все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой (в специальной теории относительности рассматриваются только инерциальные системы отсчета).
Далее Эйнштейн постулировал в соответствии с опытными фактами, что скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальнык системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Принцип относительности и принцип постоянства скорости света образуют основу специальной теории относительности, которая представляет собой по существу физическую теорию пространства и времени. В классической механике пространство и время рассматривались независимо друг от друга. Ньютон считал, что существуют абсолютное пространство н абсолютное время. Абсолютное пространство определялось им как безотносительное к чему-либо внешнему вместилище вещей, остающееся всегда одинаковым и неподвижным.
О времени Ньютон писал: «Абсолютное„истинное или математическое время само по себе и в силу своей внутренней природы течет равномерно, безотносительно к чему-либо внешнему». 'В соответствии с этим считалось совершенно очевидным, что два события, одновременные в какой-либо системе отсчета, будут одновременными и во всех остальных системах отсчета.
Однако 197 легко убедиться в том, что последнее утверждение находится в противоречии с принципом постоянства скорости света. Возьмем две ииерциальные системы отсчета, которые мы обозначим буквами К и К' (рис. 141). Пусть система К' движется относительно системы К со скоростью ч. Направим оси х и х' вдоль вектора ч; оси у и у', а также г и г' предположим параллельными друг другу. Рассмотрим в обеих системах один и тот же процесс, заключающийся в испускании телом, находящимся в на- чале координат О' систе- Р ,у' мы К', светового сигнала и достижении этим сигна- А' /Г' лом тел А и В. Источник сигнала и тела А и В покоятся относительно системы К', причем измен х' ренные в этой системе «/ расстояния О'А и О'В одинаковы. Тогда в систеРис. !4!.
ме К' сигнал будет дости- гать тел А и В в один и тот же момент времени (скорость света во всех направлениях одинакова и равна с). Рассмотрим тот же процесс в системе отсчета К. Относительно этой системы свет также распространяется по всем направлениям со скоростью с. Тело А движется навстречу лучу света, тело В лучу приходится догонять. Поэтому тела А луч достигнет раньше, чем тела В. Таким образом, события, которые в системе К' были одновременными, в системе К оказываются неодновременными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
