Досліди Ейхенвальда і Вільсона

Експериментальні підстави теорії відносності

Валерій Петров

Основний постулат теорії відносності Ейнштейн виклав наступним чином:

... Не тільки в механіці, але і в електродинаміці ніякі властивості явищ не відповідають поняттю абсолютного спокою ... для всіх координатних систем, для яких справедливі рівняння механіки, справедливі ті ж електродинамічні та оптичні закони ... Це припущення (вміст якого в подальшому буде називатися «принципом відносності») ми маємо намір перетворити на передумову ...

Припустимо, наприклад, що на судні, що рухається виконуються досліди з визначення швидкості звуку на відкритій палубі і в закритому приміщенні - каюті або трюмі судна. Закони механіки «справедливі» як в одному, так і в іншому випадку, однак у першому випадку - при виконанні дослідів на відкритій палубі - потрібно враховувати швидкість руху судна, тоді як в іншому - при виконанні дослідів в закритому приміщенні - немає. Незалежність явищ, що відбуваються в деякій системі, від стану спокою системи або її рівномірного і прямолінійного руху і становить суть принципу відносності для явищ механіки, який Ньютон виклав наступним чином:

Відносні рухи один по відношенню до одного тіл, ув'язнених (підкреслено мною - В.П.) в будь-якому просторі, однакові, спочиває чи це простір, або рухається рівномірно і прямолінійно без обертання.

Таким чином, в механіці Ньютона принцип відносності виявляється вірним не для всіх координатних систем, що рухаються рівномірно і прямолінійно без обертання, але тільки для таких, у яких тіла виявляються «ув'язненими» у цих системах.

Як підкреслював Галілей, при виконанні яких-небудь дослідів в закритій каюті рухається судна рух судна «загально» усіх предметів, також і повітрю (в каюті - В.П.):

... Усамітніться з ким-небудь з друзів в просторе приміщення під палубою корабля ... рух корабля загально усім, хто знаходиться на ньому предметів, також і повітрю (в приміщенні під палубою корабля - В.П.).

Припустимо, далі, що на відкритій палубі рухається судна встановлена ​​якась ємність з рідиною. І в цьому випадку швидкість звуку в рідині також буде однаковою незалежно від швидкості руху судна, оскільки і в цьому випадку рух судна «загально» і ємності, і, що знаходиться в ній рідини. Таким чином, явища механіки будуть однакові в тому випадку, коли стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху координатної системи, в якій описуються ці явища, і стан спокою або руху середовища, яке заповнює цю систему, будуть «загальними». Щоб підкреслити цю обставину, введемо поняття «замкнутої фізичної системи», як такої системи, рух якої повністю передається середовищі, примусового цю систему. Тоді незалежність явищ механіки від стану руху такої системи, або принцип відносності, можна сформулювати наступним чином:

Явища механіки, що відбуваються в замкнутій системі координат, однакові, покоїться ця система або ж рухається рівномірно і прямолінійно без обертання.

Тепер, якщо ми хочемо поширити або узагальнити принцип відносності для явищ механіки також і на оптичні та електродинамічні явища, необхідно встановити, перш за все, можливість існування замкнутих систем щодо деякої середовища, яке заповнює світовий простір і «пронизує собою», як висловився Ейхенвальда, всі тіла , назвемо ми цю середу «фізичним вакуумом» або «світлоносним ефіром», зрозуміло, якщо таке середовище взагалі існує і рух щодо цього середовища супроводжується якими-небудь явищами, відповідними швидкості такого руху. Відомо, що Ейнштейн виходив з припущення, що «світлоносний ефір» взагалі не існує, тому питання про можливість існування замкнутих по відношенню до «світлоносного ефіру» систем у нього взагалі не виникало. Сучасна наука вважає, що «світлоносний ефір» і фізичний вакуум - два різних назви однієї і тієї ж реальної фізичної середовища. Разом з тим, загальновизнаним (що не обов'язково означає - правильним) є думка, що рух щодо цього середовища не супроводжується якими-небудь оптичними або електродинамічними явищами. Подивимося, наскільки це думка відповідає реальній фізичній дійсності.

У 1838р. Фарадей припустив, «... що якщо підвісити заряджений кулю і змусити його рухатися в певному напрямку, то ефект буде дорівнює тому, як якщо б ми порушили струм у напрямку руху кулі» [1]. Отже, електричний струм являє собою потік електричних зарядів, що рухаються в одному напрямку. Як випливає з електромагнітної теорії Максвелла, рухомі електричні заряди породжують в оточуючому просторі магнітне поле. Виникає, однак, питання, що таке заряд рухається і нерухомий? Щодо чого слід вимірювати швидкість руху заряду? Припустимо, деяка кількість електричних зарядів рухається разом з Землею. Чи буде в цьому випадку рух зарядів супроводжуватися виникненням магнітного поля? Вирішення цього питання запропонував Герц. «Герц виходив з того, що ефір повністю захоплюється тілами ... За Герцу, на електромагнітних явища не позначається не тільки рух Землі по орбіті, але і її добове обертання ... Досліди Роуланда, Рентгена, Ейхенвальда, Вільсона ... вказують на ... слабке місце теорії Герца - мовчазно допускається повне захоплення ... ефір повинен рухатися з тією ж швидкістю, що і тіла, повинен повністю захоплюватися як всередині, так і поза тіл »[2].

У 1876р., Як про це пише Л. І. Мандельштам, «... Роуланд взяв два позолочених скляних диска, між якими обертався обклеєний золотою фольгою ебонітовий диск (рис.1). Обкладки на диску заряджалися, скажімо, позитивно, а обкладки на склі заземлювати. Астатична магнітна стрілка була підвішена над верхньою скляною кришкою, і при обертанні ебонітового диска спостерігалося відхилення цієї стрілки ... »

Рис. 1. Схема досвіду Роуланда

«Кілька років по тому (1888г.) Рентген провів інший досвід - з поляризованим діелектриком. Між різнойменно зарядженими обкладками обертався диск з незарядженого ізолятора (рис.2). Відхилення стрілок магнітометра показувало, що і в цьому випадку виникає струм ... Рентген домагався високої чутливості пристрою ... Однак він не зміг отримати необхідної точності. Кількісні результати були досягнуті Ейхенвальда у 1904р. »[1]. Як показали досліди Ейхенвальда з обертовими дисками, величина струму, що створює магнітне поле, відповідає формулі Герца.

Згідно із загальноприйнятою точкою зору, «... внутрішні сторони скляних дисків і обидві сторони ебонітового диску ... представляють собою обкладки конденсатора. У дослідах Роуланда і Ейхенвальда один диск зарядженого конденсатора рухався щодо іншого, нерухомого диска, або заряди обох дисків рухалися щодо середовища, що знаходиться між дисками. У дослідах з обертовим діелектриком поверхневі заряди діелектрика рухалися щодо нерухомих зарядів на дисках конденсатора. При обертанні дисків конденсатора разом із розташованим між ними діелектриком відносного переміщення зарядів не було, однак і в цьому випадку виникало магнітне поле ». [3].

Припустимо, що диски конденсатора обертаються разом із розташованим між ними діелектриком. У цьому випадку відносного переміщення зарядів немає - має місце переміщення зарядів відносно середовища між дисками. Величина струму відповідає формулі Герца. Середовищем між дисками в дослідах Ейхенвальда є повітря, проте досліди Ейхенвальда неважко повторити у вакуумній камері. У цьому випадку середовищем між дисками виявиться чистий вакуум або ефір. Тоді причиною виникнення магнітного поля слід вважати рух зарядів відносно ефіру, що знаходиться між дисками. Той факт, що величина магнітного поля виявляється пропорційною швидкості обертання дисків, означає, що зовнішній по відношенню до рухомих дискам ефір абсолютно не захоплюється їх рухом.

Припустимо, далі, що обертається тільки диск з діелектрика. Відомо, що заряди на діелектрику не можуть переміщатися щодо його поверхні і при обертанні діелектрика будуть обертатися разом з ним з тією ж швидкістю і в тому ж напрямку, що і діелектрик. Заряди на металевому диску, на відміну від зарядів на діелектрику, можуть переміщатися щодо його поверхні. Будучи пов'язані з зарядами на діелектрику загальним для них електричним полем, заряди на поверхні металевого диска будуть обертатися в ту ж сторону і з тією ж швидкістю, що і заряди на поверхні діелектрика. Відносного переміщення зарядів немає і в даному випадку, має місце переміщення зарядів відносно середовища між дисками.

Припустимо, нарешті, що обертається тільки металевий диск. Так як диск з діелектрика нерухомий, нерухомі і заряди на його поверхні. Заряди на поверхні металевого диска, пов'язані з зарядами на поверхні діелектрика загальним для них електричним полем, також залишаються нерухомими - немає не тільки відносного переміщення зарядів, а й руху зарядів відносно середовища між дисками. Тим не менше, і в цьому випадку виникає магнітне поле, величина якого знову-таки відповідає формулі Герца. При обертанні тільки диска з діелектрика або одночасному обертанні металевих дисків і диска з діелектрика можна припустити, що причиною появи магнітного поля в цих випадках є обертання електричних зарядів відносно магнітної стрілки. Однак при нерухомому диску з діелектрика немає не тільки відносного руху зарядів або їх руху щодо середовища між дисками, а й руху зарядів відносно магнітної стрілки. Що ж є причиною виникнення магнітного поля в цьому випадку? Припустимо, що ефір не тільки оточує тіла, а й міститься всередині них. Тоді виникнення магнітного поля при нерухомому діелектрику можна пояснити рухом зарядів відносно ефіру, укладеного всередині обертового металевого диска. Той факт, що величина магнітного поля і в цьому випадку пропорційна швидкості обертання металевого диска, означає, що ефір всередині рухомих тіл повністю захоплюється їх рухом. Відповідність результатів дослідів Ейхенвальда з обертовими дисками формулою Герца означає, що теорія Герца вимагає повного захоплення ефіру всередині рухомих тіл і повного його не захоплення поза рухомих тел.

Таким чином, єдиною причиною виникнення магнітного поля в дослідах Роуланда, Рентгена, Ейхенвальда є рух електричних зарядів відносно ефіру - при обертовому диску з діелектрика має місце рух зарядів відносно ефіру, що знаходиться між дисками, при нерухомому диску з діелектрика - рух зарядів відносно ефіру, укладеного усередині металевого диска. Досліди Роуланда, Рентгена, Ейхенвальда доводять, що зовнішній по відношенню до рухомих тіл ефір абсолютно не захоплюється їх рухом. Це надає можливість виявити «ефірний вітер», обумовлений орбітальним рухом Землі, за допомогою дослідів, аналогічних дослідів Роуланда, Рентгена, Ейхенвальда. Відомо, що в одній із серії дослідів Ейхенвальда замінив обертальний рух діелектрика зворотно-поступальним. Схема дослідів Ейхенвальда зображена на рис.3.

Рис. 3. Схема досвіду Ейхенвальда

Діелектрик містився між двома пластинами і міг рухатися зворотно-поступально. На відміну від дослідів з обертовими дисками, прилад можна встановити так, що напрямок зворотно-поступального руху діелектрика виявиться паралельним напрямку орбітального руху Землі. Тоді величина магнітного поля, обумовленого рухом діелектрика щодо ефіру, має бути пропорційною величиною

v1 = Vо + Vд або v2 = Vо - Vд

в залежності від напрямку руху діелектрика (тут Vо - швидкість орбітального руху Землі, Vд - швидкість зворотно-поступального руху діелектрика).

Ейхенвальда встановив, що величина магнітного поля в дослідах зі зворотно-поступальним рухом діелектрика відповідає формулі:

і не залежить від напрямку руху діелектрика по відношенню до напрямку орбітального руху Землі (в цій формулі ε - діелектрична проникність діелектрика, v - швидкість руху діелектрика щодо пластин, E - величина заряду на пластинах). Таким чином, вважає Л. І. Мандельштам, «... в теорії Герца виходить абсурдний результат, що при ε = 1, тобто при переході до вакууму, струм не пропадає, тому що в Герца i = ε · | vE | ». Насправді, між дослідами Ейхенвальда і теорією Герца ніякого протиріччя немає:

в дослідах з обертовими дисками розміри дисків і кількість зарядів на кожному з них однакові, тому всі заряди на одному з дисків взаємодіють з усіма зарядами на іншому, величина магнітного поля відповідає формулі Герца.

в дослідах зі зворотно-поступальним рухом діелектрика розміри діелектрика багато менше розмірів пластин, між якими поміщений діелектрик; при однаковій щільності зарядів на пластинах і на діелектрику кількість зарядів на діелектрику менше кількості зарядів на пластинах, тому тільки частина зарядів на пластинах взаємодіє з зарядами на діелектрику - величина магнітного поля відповідає формулі (1).

Формулу (1) можна записати у вигляді:

i = ε · | vE | - ε0 · | vE |,

де ε0 = 1 - діелектрична стала повітря, звідки слід:

i = (ε - ε0) · | vE | = (ε - 1) · | vE |.

При переході до вакууму, тобто при видаленні діелектрика з простору між пластинами, всі заряди однієї пластини будуть взаємодіяти з усіма зарядами іншого - величина магнітного поля в цьому випадку буде відповідати формулі Герца, так як в цьому випадку всі заряди однієї пластини будуть взаємодіяти з усіма одної пластини. Таким чином, при переході до вакууму струм дійсно не пропадає.

Суттєво важливим результатом дослідів Ейхенвальда зі зворотно-поступальним рухом діелектрика є не невідповідність формулою Герца, на якому зосереджує свою і нашу увагу Л. І. Мандельштам, а повна незалежність результатів цих дослідів від руху Землі, яку, тобто незалежність результатів дослідів від руху Землі, саме й потрібно пояснити. Сам Ейхенвальда так прокоментував результати своїх дослідів: «Так як електромагнітні явища являють собою єдину, відому в даний час зв'язок матерії зі світовим ефіром, то природним є питання, не супроводжується чи рух матерії в електромагнітному полі рухом самого ефіру. Питання це ... вирішується в негативному сенсі на підставі наших дослідів з діелектриками, що рухаються в електричному полі ... Усе разом узяте дозволяє зробити наступний висновок: те, що ми називаємо в даний час світовим ефіром і що проникає собою всі матеріальні тіла (тобто міститься у всіх матеріальних тілах - В.П.), ми повинні вважати нерухомим навіть всередині самої матерії , що знаходиться в русі ».

Отже, рух матерії (матеріальних тіл) не супроводжується рухом ефіру - «Питання це ... вирішується в негативному сенсі ...». Отже, ефір поза рухомих тіл зовсім не захоплюється їх рухом. Разом з тим, ефір «... слід вважати нерухомим навіть усередині ...» рухомих тел. Це означає, що ефір всередині рухомих тіл повністю захоплюється їх рухом, внаслідок чого всередині рухомих тіл «ефірний вітер» не виникає.

Як свідчить Л. І. Мандельштам, Вільсоном був виконаний і такий досвід: «... він змушував обертатися порожній циліндр з незарядженого діелектрика в магнітному полі, направленому по осі (рис. 4).

Рис. 4. Схема досвіду Вільсона

До металевих обкладками циліндра приєднувався електрометрії, який показував, що при обертанні циліндра між обкладками з'являється напруга ».

Як пояснює У. І. Франкфурт, «всередині циліндра виникає радіально спрямоване електричне поле. У металевому циліндрі при цьому відбувається переміщення електронів провідності до зовнішньої поверхні циліндра. Електрони провідності переміщуються до тих пір, поки заряд на зовнішній поверхні циліндра не створить поле, яке не врівноважує силу Лоренца, що діє на електрони перебувають у циліндрі ... Між зовнішньою і внутрішньою поверхнями циліндра виникає різниця потенціалів і при з'єднанні провідником у ньому піде струм. Вільсон експериментально підтвердив, що теорія Герца, яка виходить з повного захоплення ефіру, не відповідає дійсності ...», тому величина заряду виявляється пропорційною | ε-1 | а не ε, як це випливає з теорії Герца.

На думку Л. І. Мандельштама, «Досвід Вільсона також можна схематизувати, замінивши обертання поступальним рухом. Діелектрик рухається між обкладками і пронизує магнітним полем, перпендикулярним до площини малюнка (мал. 5). Конденсатор ... шунтується електрометром ...».

Рис. 5. Схема досвіду Вільсона з поступальним рухом діелектрика

У даному випадку величина заряду, що утворюється на обкладинках конденсатора, виявляється пропорційною ε, як це і слід відповідно до теорії Герца. Таким чином, як ніби виходить нове протиріччя. Насправді, ніякого протиріччя немає.

У досліді з поступальним рухом діелектрика заряди виникають на ділянках обкладок конденсатора, обмежених розмірами знаходиться між ними діелектрика. Тому що розміри цих ділянок на кожній з пластин однакові, однаковим буде і заряд, що виникає на кожній з обкладок.

У досвіді Вільсона радіус зовнішньої поверхні циліндра більше радіуса його внутрішньої поверхні на величину, рівну товщині стінки циліндра. Отже, та площу зовнішньої поверхні циліндра, і лінійна швидкість її обертання більше площі і лінійної швидкості обертання внутрішньої поверхні циліндра. Тому кількість зарядів, що виникають на зовнішній поверхні, більше кількості зарядів, що виникають на внутрішній поверхні, внаслідок чого потенціал зовнішньої поверхні виявляється вище потенціалу внутрішньої поверхні. Таким чином, досвід Вільсона аніскільки не суперечить теорії Герца. Дивно, як легко нехтують істиною представники офіційної науки!

Суть досвіду Вільсона полягає зовсім не в перевірці істинності або помилковості теорії Герца. Припустимо, що конденсатор жорстко з'єднаний з Землею. Тоді при обертанні цього конденсатора разом із Землею в її магнітному полі можна очікувати появи на його обкладках заряду, відповідного швидкості добового обертання Землі, якщо тільки обертання Землі супроводжується виникненням у її атмосфері «ефірного вітру». Був сконструйований жорстко пов'язаний з Землею конденсатор, який міг обертатися. Передбачалося, що при зарядці цього конденсатора останній придбає обертальний момент, зумовлений прагненням ліній, що з'єднують центри зарядів, розташуватися перпендикулярно напрямку руху ефіру, обумовленого рухом Землі. В експериментах, поставлених Траутоном і Набла у 1903р., Томашек в 1925р., Чейзом в 1926р. обертання конденсатора не спостерігалося. Як і в дослідах Ейхенвальда зі зворотно-поступальним рухом діелектрика, «ефірний вітер», обумовлений рухом Землі, не виявляється.

Висновок

Аналіз результатів дослідів Рентгена, Роуланда, Ейхенвальда, Вільсона дозволяє укласти наступне:

1. Принаймні, в електродинаміки одні властивості явищ відповідають стану руху щодо ефіру, тоді як інші - відсутності такого руху. Так, при русі пластин з електричними зарядами на їх поверхні виникає магнітне поле, величина якого відповідає швидкості руху зарядів відносно ефіру, що знаходиться між пластинами, або укладеного всередині пластин. Точно так само, при русі конденсатора в магнітному полі на його обкладках виникає заряд, величина якого відповідає швидкості руху конденсатора щодо навколишнього його ефіру. Разом з тим досліди Санька, Погани, Фізо, Гарреса свідчать, що і в оптиці рух спостерігача (приладів) щодо ефіру, як і рух ефіру, увлекаемого рухом рідини або прозорих кристалів, щодо спостерігача завжди супроводжується цілком спостережуваними явищами - зміною інтерференційної картини, відповідної швидкості руху.

2. Зовнішній по відношенню до рухомих твердим тілам ефір абсолютно не захоплюється рухом цих тіл, тоді як ефір всередині рухомих твердих тіл повністю захоплюється їх рухом, внаслідок чого всередині рухомих твердих тіл «ефірний вітер», обумовлений рухом цих тіл, не виникає. Повне захоплення ефіру всередині рухомих твердих тіл означає повну непроникність цих тіл для зовнішнього по відношенню до цих тіл ефіру.

Непроникність твердих тіл для зовнішнього по відношенню до цих тіл ефіру не можна пояснити дуже щільною упаковкою атомів і молекул твердих речовин - відомо, що відстані між атомами й молекулами будь-яких речовин значно перевищують розміри атомів і молекул. Відомо також, що сили зчеплення атомів і молекул твердих речовин мають електромагнітну природу. Це дає підставу припустити, що саме електромагнітне поле взаємодії атомів і молекул твердих речовин і забезпечує непроникність твердих тіл для зовнішнього по відношенню до них ефіру.

Відомо, що сили зчеплення молекул рідини також мають електромагнітну природу. Це дає підставу стверджувати, що не тільки тверді тіла, але також і рідини непроникні для зовнішнього по відношенню до них ефіру.

Відомо, нарешті, що такі властивості газів, як в'язкість і теплопровідність, також пояснюються електромагнітним взаємодією між молекулами газу. Відомо, що в'язкість і теплопровідність газів «... не залежать від тиску, так що і тут ми переходимо до вакууму без поступового зменшення в'язкості і теплопровідності». (Л. І. Мандельштам). Таким чином, якщо в'язкість і теплопровідність газів означають наявність електромагнітного взаємодії між його молекулами, то відсутність в'язкості і теплопровідності газу означає і відсутність електромагнітного взаємодії між його молекулами. Неважливо, чи відповідає стан газу з нульовою в'язкістю і теплопровідністю визначенням «фізичний вакуум». Важливо те, що газ з ненульовою в'язкістю виявляється непроникним для зовнішнього по відношенню до нього ефіру, тоді як газ з нульовою в'язкістю - повністю проникним для зовнішнього по відношенню до нього ефіру. Так як перехід газу зі стану з ненульовою в'язкістю до стану з нульовою в'язкістю відбувається стрибкоподібно, перехід газу зі стану повної непроникності по відношенню до ефіру в стан повної проникності також відбувається стрибкоподібно. Ніякому станом газу не відповідає стан його часткової проникності або часткової непроникності для ефіру - газ або повністю непроникний для ефіру, або повністю проникний.

Відомо, що поблизу поверхні Землі в'язкість її атмосфери не дорівнює нулю - атмосфера Землі поблизу її поверхні непроникна для ефіру, тому «ефірний вітер», обумовлений рухом Землі, поблизу її поверхні не виникає і виявити його з цієї причини неможливо ніяким чином, що й підтверджують досліди Ейхенвальда зі зворотно-поступальним рухом діелектрика, досліди Траутона і Набла, Томашек та Чейза, Майкельсона - Морлі, нарешті. Залишається переконатися, що припущення про повне захоплення ефіру атмосферою Землі при ненульовий її в'язкості не суперечить, або навпаки - суперечить відомим оптичних явищ і дослідів.

Список літератури

У. І. Франкфурт. Спеціальна і загальна теорія відносності. М. Наука, 1968.

Л. І. Мандельштам. Лекції з оптики, теорії відносності та квантової механіки. М. Наука, 1972.

У. І. Франкфурт. Оптика рухомих середовищ і спеціальна теорія відносності. Ейнштейнівської збірка 1977, Москва, Наука, 1980.