Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 31
Текст из файла (страница 31)
путь 1., снова попадали на пластинку Р. Пучок 1 частично проходил через Р, пучок 2 частично отражался, в результате чего возникало два когерентных пучка 1' и 2', которые давали в фокальной плоскости зрительной трубы интерференционную картину в виде полос. На Рис. 136. пути пучков 1 и 2 были установлены две трубы, по которым могла пропускаться вода со скоростью и в направлении, показанном стрелками. Луч 2 распространялся в обеих трубах навстречу движению воды, луч 1 — по течению. При неподвижной поде пучки 1 н 2 проходят путь Х. за одинаковое время.
Если вода при своем движении хотя бы частично увлекает эфир, то прн включении тока воды луч 2, который распространяется против течения, затратит на прохождение пути 1. большее время, чем распространяющийся по течению луч 1. В результате между лучами возникнет некоторая разность хода и интерференцнонная картина сместится. Интересующая нас разность хода возникает лишь на пути лучей, пролегающем в воде. Этот путь имеет длину 21. Обозначим скорость света относительно эфира в воде буквой о. Когда эфир ие увлекается водой, скорость света относительно установки будет совпадать с о.
Предположим, что. вода прн своем движении частично увлекает эфир, сообщая ему относительно установки скорость аи (и — скорость воды, а — коэффициент увлечения). Тогда скорость све- 192 та относительно установки для луча l будет равна о + аи, а для луча 2 равна о — аи. Луч 7 пройдет, путь 21 за время ьь = 21/(о+ аи), луч 2 — за„время 6з = 21/(и — гхи).
Таким образом, число полос, на которое сместится интерфереиционная картина при включении тока воды, составит '): с(1е — й) с ( 2ь' гзй/— Хе о — аи Физо обнаружил, что ннтерференционные полосы действительно смещаются. Определенное из величины смещения значение коэффициента увлечения оказалось равным ! а=1 — —, пе ' где и — показатель преломлении воды. Таким.
образом, опыт Физо показал, что эфир (если он существует) увлекается движущейся водой только частично. Опыт Майкельсона. В 1881 г. Майкельсоп осуществил знаменитый опыт, с помощью которого он рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер).
В 1887 г. Майкельсон повторил свой опыт совместно с Морли на более совершенном приборе. Установка Майкельсоиа — Морли изображена на рис. 137. Кирпичное основание поддерживало кольцевой чугунный желоб с ртутью. На ртути плавал деревянный поплавок, имеющий форму нижней половины разрезанного вдоль бублика. На поплавок устанавливалась массивная квадратная каменная плита. Такое устройство позволяло очень плавно без толчков поворачивать плиту вокрузг 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 гн можно представить следуюпгнм образом: и( (с/о)ь'= сб где г — время, затрачиваемое лучом на прохождение пути 1 в среде с показателем преломления м Тогда выражение для оптической разности хода принимает внд: д ле)з — лА с(са — й), 7 И. В. Савельев, т.
1П Опыт основывался на следующих соображениях. Предположим, что плечо интерферометра РМг (рис. 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 РМ,Р лучом 2.
В результате, даже при равенстве длин обоих Лб 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 смешению интерференционной карти- 2 лгв ны, величину которого, как по- Р казывают соответствующие расчеты, вполне можно было бы обнаружить.
Чтобы вычислить о>кидае- Рис. 139. мое смешение интерференционной картины, найдем времена прохождении соответствующих путей лучами 1 и 2. Если эфир не увлекается Землей и скорость света относительно эфира равна с (показатель преломления воздуха практически равен единице), то скорость света относительно прибора будет равна с — о для направления РМг и с + о для направления МгР. Следовательно, время для луча 2 определится выражением: г в — 'о с+о 1 —— сг (скорость движения Земли по орбите равна 30 клг/сек; поэтому о9сг = 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.
тв 195 Поэтому скорость катера относительно берегов будет равна ( с+ ч ( = )~У вЂ” о'. Такова же будет в опыте Майкельсона скорость луча ! относительно прибора. Следовательно, время для луча ! равно 1 —— Подставив в выражение !! = с(гв — Г!) (см. сноску иа стр. 193) значения (35.3) и (35.2) для (! и !м получим разность хода лучей ! и 2: мймрсмм к 2~((~ ~ ) (1+фя=~ е, 1 При повороте прибора.на 90' раз- 1 м ность хода изменит знак. Следовательно, число полос, на которое сместится интерференционная картина, составит / ЛФ = — = 2 — —. (35:4) 2З 1 ок хе 1е сс Рис. 140.
Длина плеча ! (учитывая многократные отражения) составляла на установке Майкельсона — Морли 11 и. Длина волны применявшегося ими света равнялась 0,59л!к (0,59.10-ам). Подстановка этих значений в формулу дает ЛФ= 10 =0,37 = 0,4 полосы. 2 ° 11 -а О,ээ !О-' 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 350') и неизменно давал отрицательные результаты.
Обнаружить эфирный ветер не удавалось. Мировой эфир оставался неуловимым. ') Мы воспользовались формуламв: $~! — х = 1 — (!!2) к и 1)(1 — к) = 1+ х, справедливыми для 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. 9 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 отн о с и тел ь иост и Э й н ш т е й н а все законы природы инвариантны по отношению к переходу ог одной 'инерциальной системы отсчета к другой (в специальной теории относительнпстн рассматриваются тблько инерциальные системы отсчета). Далее Эйнштейн постулировал в соответствии с опытными фактами, что скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников авета. Принцип относительности и принцип постоянства скорости света образуют основу специальной теории относительности, которая представляет собой по существу физическую теорию пространства и времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
