Експериментальні підстави теорії відносності
Валерій Петров
Введення
Сучасна наука не заперечує істинності Френелевской формули часткового захоплення ефіру рухомими тілами (середовищами) - "... і зараз одного з найбільш важливих явищ в рухомих тілах» [1]. У сучасній теорії відносності формула Френеля розглядається як окремий випадок загальної «релятивістської» формули додавання швидкостей.
Будь-яка наукова теорія може вважатися дійсною, якщо вона задовольняє, принаймні, такими критеріями:
заснована на припущеннях, відповідних реальної фізичної дійсності;
є внутрішньо логічно несуперечливої;
передбачаються теорією явища спостерігаються в реальній фізичній дійсності.
Як вважають, формула Френеля заснована на цілком достовірних даних дослідів Араго і підтверджується дослідами Фізо. Однак дослідження як дослідів Араго, так і інших відомих дослідів і явищ, не дають підстав вважати загальноприйняту думку відповідним дійсності.
Досвід Араго
У 1801г. Араго виконав досвід, мета якого полягала у перевірці висунутого Мічел припущення, що рух призми або лінзи має супроводжуватися зміною її коефіцієнта заломлення. Мічел вважав, що при повністю неувлекаемом речовиною лінзи ефірі швидкість світла всередині лінзи буде дорівнює c / n + v при русі лінзи в одному напрямку і c / n - v при русі лінзи в протилежному напрямку. У своїх дослідах Араго використовував світло від однієї з зірок. Він не виявив ніякого ефекту, обумовленого рухом лінзи разом із Землею щодо зірки, і прийшов до висновку, що рух лінзи разом із Землею «... на показник заломлення не впливає. Цей висновок правильно, дійсно не впливає », погоджується з ним Л. І. Мандельштам в [1]. У дійсності, це не так. Відомо, що рух приймача світла, в даному випадку - лінзи, щодо джерела світла супроводжується, як це встановив Доплер, зміною частоти світла, прийнятого приймачем. Коефіцієнт заломлення лінзи, у свою чергу, залежить від частоти світла: «... факт залежності показника заломлення від частоти світла називається дисперсією, так як саме через дисперсії світло розкладається призмою в спектр» [2].
Таким чином, коефіцієнт заломлення лінзи залежить від стану її руху відносно джерела світла. Досліди Араго виявилися недостатньо точними. Проте за часів Араго ефект Доплера ще не був відомий, внаслідок чого Араго вважає результати своїх дослідів цілком достовірними. Результати дослідів Араго можна було пояснити повним захопленням ефіру речовиною лінзи, однак як пояснити саме повне захоплення Араго не знав і звернувся за роз'ясненнями до Френелю. Френель, не піддаючи результати дослідів Араго ні найменшого сумніву, запропонував гіпотезу, згідно з якою ефір захоплюється рухомими тілами не повністю, а частково, внаслідок чого швидкість «ефірного вітру» всередині рухомого тіла (або середовища) виявляється рівною:
v = v (1 - 1/n2),
де v - швидкість руху тіла (середовища) щодо зовнішнього по відношенню до цього тіла (середовищі) ефіру; n - коефіцієнт заломлення речовини рухомого тіла або середовища.
Яким же чином гіпотеза Френеля пояснює результати дослідів Араго? Нехай n2 = 2. Тоді часткове, по Френелю, захоплення ефіру всередині рухомої лінзи може зменшити в 2 рази ефект, обумовлений її рухом, тоді як потрібно повністю його виключити. Очевидно, суть справи полягає не в частковому захоплення ефіру рухається лінзою, а в тому, що лінза в досвіді Араго знаходиться всередині атмосфери Землі, коефіцієнт заломлення якої можна вважати рівним 1. Тоді часткове, по Френелю, захоплення ефіру стосовно атмосфері означає повне його захоплення, тому що при n = 1 швидкість «ефірного вітру» в атмосфері Землі виявляється рівною нулю - «ефірний вітер», обумовлений рухом Землі, в атмосфері Землі не виникає, а тому не може виникнути і в лінзі, зануреної в атмосферу.
Гіпотеза Френеля зустріла численні заперечення. Нам же достатньо обмежитися тією обставиною, що гіпотеза Френеля заснована на помилкових результати дослідів Араго, а тому не може бути правильною. Природно, тому, що будь-яка інша правильна теорія не повинна пояснювати часткове захоплення ефіру, тому що такого явища в реальній дійсності не існує. Більше того, теорія, що пояснює часткове захоплення ефіру є помилковою з тієї ж причини - вона пояснює неіснуюче в природі явище.
Загальноприйнятою є думка, що Френелевскій коефіцієнт захоплення підтверджується в дослідах Ейхенвальда зі зворотно-поступальним рухом діелектрика. Насправді має місце взаємодія частини зарядів на пластинах з зарядами на діелектрику, тому що площа поверхні діелектрика в даному досвіді менше площі поверхні кожної з пластин, між якими рухається діелектрик. Точно так само, і в дослідах Вільсона різна величина заряду, що виникає на зовнішній і внутрішній поверхні циліндра, обумовлена тим, що і площу, і лінійна швидкість обертання зовнішньої поверхні циліндра більше площі і лінійної швидкості обертання внутрішньої поверхні того ж циліндра. Таким чином, принаймні, в електродинаміки Френелевскій коефіцієнт захоплення не підтверджується ніякими дослідами.
Досліди Фізо
Як стверджує Л. І. Мандельштам в [1], «У 1851г. Фізо підтвердив Френелевскую формулу коефіцієнта захоплення дослідами з розповсюдженням світла в рухомому воді ...». Схема досвіду Фізо зображена на рис.1.
Рис. 1. Схема досвіду Фізо
Рідина тече в зігнутої трубці зі швидкістю v. Промінь світла від джерела потрапляє на напівпрозоре дзеркало 1 і розщеплюється на два промені: один промінь відхиляється вправо і, потрапляючи в трубку з рідиною, рухається проти її течії, відбивається від системи дзеркал і, вийшовши з трубки і пройшовши через напівпрозоре дзеркало, потрапляє на екран .
Другий промінь (зображений суцільною лінією) відбивається від дзеркала 2 і рухається в тому ж напрямку, що і рідина в трубці. Відбиваючись потім від системи дзеркал, цей промінь світла також потрапляє на екран. У результаті на екрані виникає інтерференційна картина з чергуються світлих і темних смуг. Вимірявши їх ширину, можна визначити швидкість руху променів світла в рідини, що рухається, тим самим - і ступінь захоплення ефіру рухається рідиною. Ширина інтерференційних смуг залежить від різниці часів ходу кожного з променів світла в рідини, що рухається. Згідно Фізо, час руху одного з променів світла дорівнює:
T1 = L / (c / n + kv),
час руху іншого променя одно:
T2 = L / (c / n - kv),
де L - шлях, який проходить промінь світла в рідини, що рухається; n - коефіцієнт заломлення рідини; k - Френелевскій коефіцієнт захоплення ефіру рухається рідиною; v - швидкість руху рідини в трубці.
Тоді різниця часів ходу променів дорівнюватиме:
T2 - T1 = L / (c / n - kv) - L / (c / n + kv) = 2Lkvn2/c2 (1 - k2v2n2/c2).
Нехтуючи величиною k2v2n2/c2 внаслідок її малості, отримаємо:
T2 - T1 = 2Lkvn2/c2.
Фізо вважав, що в даному випадку k = 1 - 1/n2. Так як для води n = 1,33, чисельне значення k виявляється рівним 0,44. Фізо отримав з досвіду величину k = 0,46, як ніби підтвердивши тим самим гіпотезу Френеля. У дійсності, це не так.
Припустимо, що деякий спостерігач, що знаходиться всередині рідини, рухається разом з рідиною в трубці і з тією ж швидкістю v. При повністю неувлекаемом ефірі швидкість ефіру всередині рідини щодо цього спостерігача буде, очевидно, дорівнює v; при повністю захоплюється рухомими рідиною ефірі швидкість ефіру щодо того ж спостерігача буде дорівнює нулю. Внаслідок часткового, по Френелю, захоплення, частина ефіру захоплюється рухом рідини і рухається в тому ж напрямку, що і рідина. Швидкість цієї увлекаемой частини дорівнює v/n2. Отже, швидкість руху ефіру всередині рідини відносно спостерігача, що перебуває всередині рідини і що рухається з тією ж швидкістю, що і рідина, буде дорівнює vе = v-v/n2 = v (1-1/n2).
З точки зору нерухомого спостерігача, що знаходиться поза рідини, що рухається, при повністю неувлекаемом ефірі швидкість ефіру дорівнює нулю і всередині рухомої рідини, і поза нею. При повністю захоплює ефірі швидкість його руху в трубці щодо зовнішнього спостерігача буде дорівнює v. При частковому захоплення ефіру швидкість його руху в напрямку руху рідини дорівнює v/n2. Отже, щодо зовнішнього нерухомого спостерігача ефір у трубці рухається зі швидкістю v/n2. Коефіцієнт захоплення ефіру з точки зору нерухомого спостерігача дорівнює 1/n2.
У досвіді Фізо спостерігач - екран, на якому з'являються інтерференційні смуги - знаходиться поза рідини, що рухається в трубці. Отже, швидкість руху ефіру в трубці, обумовлена рухом рідини, щодо цього екрану дорівнює v/n2. Тоді коефіцієнт захоплення ефіру дорівнює 1/n2, а не 1-1/n2, як вважав Фізо. При n = 1,33 отримаємо k = 0,56, тоді як Фізо отримав k = 0,46. Враховуючи помилку, допущену Фізо при постановці його досвіду, результати цього досвіду слід визнати недостовірними.
Продовженням описаного вище досвіду Фізо з'явився його досвід 1859р. Встановивши, як він думав, «... справедливість теорії часткового захоплення для рідких і газоподібних середовищ, Фізо вирішив перевірити її для твердих тіл. Для цієї мети він використовував явище повороту площини поляризації при ламанні поляризованого світла на межі двох середовищ. Кут повороту залежить від показника заломлення середовища, а останній - від швидкості світла в даному середовищі. На думку Фізо, зміна орієнтації приладу щодо направлення поступального руху Землі мало змінити відносну швидкість світла в середовищі. Проаналізувавши результати 2000 дослідів, Фізо в 1859р. оголосив про підтвердження формули Френеля і про наявність впливу руху Землі на поворот площини поляризації. »[3]. Сама постановка цього досвіду свідчить про нерозуміння Фізо суті теорії Френеля, згідно з якою «ефірний вітер», обумовлений рухом Землі, в атмосфері Землі не виникає, а тому не може бути виявлений ніякими дослідами. «Ніхто не міг виявити помилку в цих дослідах, а труднощі їх постановки була настільки велика, що тільки через 43 роки вони були повторені і дали негативний результат» (У. І. Франкфурт). Однак головна помилка Фізо, що свідчить про нерозуміння ним суті теорії Френеля, так і залишилася непоміченою.
«... У 1868р. Хук поставив досвід, в якому спостерігав земної джерело світла в телескоп через двометровий стовп води. Відсутність передбачуваного зсуву зображення, обумовленого добовим обертанням Землі, Хук пояснив на основі теорії Френеля. Він прийшов до висновку, що Френелевскій коефіцієнт захоплення справедливий з точністю до 2% ... У свою чергу Клінкерфус поставив аналогічний досвід з 8-дюймовим стовпом води і отримав збільшення постійної аберації на 7,1 "(за його теорії очікувалося збільшення на 8"). Для вирішення цієї суперечності серію точних дослідів провів в 1871 ... 1872гг. Ейрі. Він спостерігав зірку поблизу зеніту за допомогою вертикально встановленого телескопа висотою 35,3 дюйма, заповненого водою. За теорією Клінкерфуса за півроку кутове зміщення зірки повинне було скласти близько 30 ", у той час як на досвіді зсув не перевищувало 1" і лежало в межах помилок експерименту ». (У. І. Франкфурт).
Постановка цих дослідів, як і дослідів Фізо 1859р., Свідчить про нерозуміння дослідниками суті теорії Френеля - внаслідок повного захоплення ефіру атмосферою Землі «ефірний вітер», обумовлений рухом Землі, в атмосфері Землі не виникає, а тому не може виникнути і в телескопі, заповненому водою. Виходячи з цього, досліди Ейрі є достовірними.
Нерозуміння суті теорії Френеля збереглося в науці аж до теперішнього часу. Як вважає У. І. Франкфурт, в теорії Френеля «Все відбувається так, як ніби ефір всередині (тут і далі виділено мною - В.П.) тіла рухається щодо зовнішнього ефіру зі швидкістю v (1-1/n2), т. е. повільніше, ніж саме тіло. Часткове захоплення ефіру Френель розумів у тому сенсі, що рухається тіло захоплює не весь міститься в ньому ефір, а тільки ту частину, яка відповідає перевищення щільності ефіру в тілі над його щільністю в навколишньому середовищі. У теорії Френеля можна виділити наступні основні положення:
1) зовнішній ефір абсолютно не захоплюється нерухомими тілами;
2) внутрішній ефір майже не захоплюється непрозорими тілами;
3) внутрішній ефір частково захоплюється прозорими тілами.
Встановивши справедливість теорії часткового захоплення для рідких і газоподібних середовищ, Фізо вирішив перевірити її для твердих тіл ».
Очевидно, що Фізо вважав, що газоподібні середовища захоплюють ефір всередині них відповідно до формули Френеля, як і рідкі середовища або тверді тіла. Це думка вважається правильним або, принаймні, не відкидається сучасною наукою. Проте як тільки мова йде про можливості виявлення абсолютного руху Землі (тобто руху Землі відносно ефіру) можливість захоплення ефіру атмосферою Землі повністю виключається:
«Найбільш простий представлялася гіпотеза повного захоплення: тіла захоплюють за собою ефір подібно до того, як Земля захоплює все знаходяться на ній тіла і атмосферу» (У. І. Франкфурт).
Очевидно, що тіла, що знаходяться на Землі, як і атмосфера, є зовнішніми по відношенню до поверхні Землі, перебувають «на неї», отже, захоплення ефіру Землею розглядається як захоплення зовнішнього по відношенню до Землі ефіру, а не як захоплення ефіру всередині атмосфери Землі . «У цьому випадку (тобто в разі захоплення ефіру поверхнею Землі - В.П.) всі оптичні явища при русі тіл відбуваються точно так само, як і в спокої, і досвід Араго легко пояснити. Однак аберацію зірочок пояснити не можна. Ця обставина послужила причиною того, що Юнг відкинув гіпотезу повного захоплення (Землею зовнішнього по відношенню до неї ефіру - В.П.) і допустив, що рухається Земля не впливає на стан ефіру, який проходить через неї так само легко, як вітер крізь гай . Тоді аберація зрозуміла. Пояснити одночасно досвід Араго і аберацію на основі розглянутих гіпотез повністю захоплюється (поверхнею Землі - В.П.) або нерухомого (тобто не захоплюється поверхнею Землі - В.П.) ефіру не представлялося можливим ». (У. І. Франкфурт). Однак якщо врахувати захоплення ефіру атмосферою Землі (всередині атмосфери Землі), тоді можна пояснити одночасно і досвід Араго, і аберацію зірок.
«Першу математичну теорію аберації на основі повного захоплення ефіру дав Стокс. Швидкість ефіру поблизу поверхні Землі приймалася рівною швидкості Землі. У міру віддалення від Землі вона зменшується до нуля »(У. І. Франкфурт). Тут очевидно мається на увазі захоплення зовнішнього по відношенню до Землі ефіру, тоді як в теорії Френеля мова йде про захоплення ефіру всередині рухомих тіл або середовищ. Атмосфера Землі, як вважав Стокс, не впливає на характер захоплення ефіру. Однак якщо атмосфера Землі як середовище захоплює ефір відповідно до формули Френеля, тобто всередині атмосфери Землі, і досліди Фізо, як вважається, підтверджують захоплення ефіру всередині рухомих середовищ, то картина захоплення ефіру прямо протилежна теорії Стокса: так як коефіцієнт заломлення повітря зменшується з збільшенням відстані від поверхні Землі, швидкість «ефірного вітру» в атмосфері Землі зменшується від величини близько 18м / с біля поверхні Землі при n = 1,0003 до нуля при n = 1, тобто «Ефірний вітер», обумовлений рухом Землі, у верхніх шарах атмосфери Землі відсутній, отже, не може виникнути і у поверхні Землі. У цьому і полягає, на наш погляд, головна помилка, допущена наукою при поясненні результатів досвіду Майкельсона - Морлі.
Висновок
1. Теорія Френеля заснована на помилкових результати дослідів Араго, не підтверджується в дослідах Ейхенвальда і Вільсона; досліди Фізо також не є достатньо переконливим доказом істинності Френелевской формули додавання швидкостей. Таким чином, теорія Френеля не задовольняє двом критеріям істинності, а тому не може вважатися істинною. З цієї причини не може вважатися істинною будь-яка теорія, що включає або обгрунтовує Френелевскую формулу складання швидкостей.
2. Так як результати дослідів Араго є помилковими, погоджувати результати цих дослідів з явищем аберації немає необхідності.
3. Погодити досліди Майкельсона - Морлі і явище аберації можна тільки за умови повного захоплення ефіру всередині атмосфери Землі при ненульовий її в'язкості і повного неувлеченія ефіру атмосферою при нульовій її в'язкості.
4. Досліди Фізо, а згодом і досліди Гарреса підтверджують, що ефір всередині рухомих середовищ - рідини в досвіді Фізо, прозорих твердих кристалів у досвіді Гарреса - захоплюється рухом цих середовищ, тобто рухається з певною швидкістю відносно нерухомого екрану, на якому спостерігається зміна інтерференційної картини, яка відповідає швидкості руху ефіру. Таким чином, і в оптиці, і в електродинаміці, як це підтверджують досліди Ейхенвальда з обертовим діелектриком, рух ефіру щодо спостерігача завжди супроводжується цілком спостережуваними ефектами навіть при швидкості руху порядку декількох метрів у хвилину. Припущення Ейнштейна, підтримуване офіційною наукою, що з поняттям «ефір» не можна пов'язувати поняття «рух», не відповідає дійсності.
5. У дослідах Фізо швидкість руху ефіру щодо екрану або, що те ж саме, швидкість руху екрана щодо ефіру всередині рухомої рідини становила величину порядку декількох метрів у хвилину, при цьому зміна інтерференційної картини виявлялося цілком піднаглядним, хоча точність вимірювання цієї зміни виявилася недостатньо високою.
У дослідах Майкельсона - Морлі очікувана швидкість руху приладу відносно ефіру складала величину порядку 30 кілометрів на секунду, при цьому ніякої зміни інтерференційної картини виявити не вдалося. Так як, згідно дослідам Фізо, рух щодо ефіру завжди супроводжується зміною інтерференційної картини, необхідно укласти, що в дослідах Майкельсона - Морлі було відсутнє рух приладу відносно ефіру, що цілком відповідає припущенню про повне захоплення ефіру всередині атмосфери Землі.
Список літератури
Л. І. Мандельштам. Лекції з оптики, теорії відносності та квантової механіки. - М. Наука, 1971.
Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сендс. Фейнмановские лекції з фізики. - М., «Світ», 1976.
У. І. Франкфурт. Оптика рухомих середовищ і спеціальна теорія відносності. Ейнштейнівської збірник 1977. - М., Наука, 1980.