Гипотеза мирового эфира. опыты майкельсона и морли

Немного позднее А. Эйнштейн показал, что преобразования Лоренца следует использовать при описании всех явлений природы, а не только электрических. Отказ от преобразований Галилея в пользу преобразований Лоренца означал, что пространство и время связаны между собой – преобразование пространственных координат включает в себя время. А время, оказывается, не абсолютно. В разных системах отсчета оно бежит по-разному. События, являющиеся одновременными в одной системе отсчета, оказываются неодновременными в другой. При переходе из одной системы отсчета в другую приходится преобразовывать время происшествия событий, причем преобразование содержит координаты событий. С работ А. Эйнштейна началась теория относительности.

2. Абсолютность скорости света

2.1 Гипотеза мирового эфира. Опыты Майкельсона и Морли

Правильные уравнения электродинамики К. Максвелл нашел, опираясь на отжившее в конце концов представление об эфире. Все известные в те времена волны могли распространяться только в различных средах, поэтому не только Максвелл, но и все физики считали, что электромагнитная волна — это упругие колебания некой легчайшей, всепроникающей среды. Эту среду называли мировым эфиром. Поскольку электромагнитная волна является поперечной волной, приходилось считать, что эфир является твердым.

Известный экспериментатор А. Майкельсон (см. интерферометр Майкельсона) решился на попытку экспериментально зарегистрировать факт существования эфира и измерить скорость пролета Земли сквозь эфир. Для этой цели он использовал свой интерферометр. Вспомним, как он устроен. Параллельный пучок света падает на полупрозрачную пластику П, ориентированную под углом 450 к пучку. Часть света проходит дальше, а часть отражается. Отразившийся свет падает на зеркало З1 и, возвратившись, проходит полупрозрачную пластинку на экран Э. Пучок, прошедший же сквозь пластинку, при первом проходе падает на другое зеркало З2 и, возвратившись, отражается от полупрозрачной пластинки на экран. Наложение двух прошедших разные пути пучков дает интерференционную картину. Малое отличие угла между зеркалами от 900 приводит к тому, что интерференционная картина представляет собой систему интерференционных полос.

Интерферометр выстраивался вдоль предполагаемой скорости Земли относительно эфира. Если для простоты положить, что длины плеч интерферометра равны, то свету, распространяющемуся вдоль и поперек движения Земли, потребуются разные времена для достижения экрана. Если теперь интерферометр повернуть на 900, то времена запаздывания пучков поменяются местами и интерференционная картина сдвинется. По сдвигу можно определить время запаздывания и соответственно скорость Земли относительно неподвижного эфира.

Задача 3. Допустим, Земля движется относительно эфира со скоростью v. Рассчитайте ожидаемый сдвиг интерференционной картины (в единицах расстояния между максимумами интенсивности) при длине волны света l, после поворота интерферометра на 900 при длине плеча интерферометра L.

Проведенный вместе с Морли эксперимент показал, что никакого сдвига интерференционной картины при повороте интерферометра на 900 не наблюдается. Отсюда следовало сделать вывод: либо эфир полностью увлекается Землей и относительное движение Земли и эфира отсутствует, либо эфира не существует, и процесс распространения света не есть распространение упругой волны. Майкельсон сделал вывод, что эфир полностью увлекается Землей.

2.2 Экспериментальные противоречия гипотезе
увлечения эфира

Предположение о полном увлечении эфира Землей противоречило другим опытным фактам. Так, английский астроном Дж. Бредли обнаружил, что наиболее далекие звезды совершают кажущееся годовое движение по окружности или по эллипсу. Это явление называется аберрацией света звезд. Оказалось, что угловой диаметр траекторий почти всех звезд один и тот же и равен 40,5 дуговой секунды. Элементарное объяснение аберрации становится простым и понятным, если провести аналогию между распространением света и падением дождевых капель. Когда нет ветра, неподвижный наблюдатель видит, что капли падают отвесно. Однако, если сесть в движущийся автомобиль, то видно косое падение капель. Дождь идет сверху и спереди.

Задача 4. Пусть скорость падения капель дождя относительно Земли равна c, скорость движения автомобиля равна v. Чему равен угол, под которым видно падение капель из автомобиля? Используя полученный результат и данные о видимом угловом диаметре траекторий звезд, определите скорость света. Орбитальная скорость Земли равна 30 км/с.

Если бы эфир полностью увлекался Землей, то никакой аберрации не было бы.

2.3 Вывод

Итак, из опытов Майкельсона и из явлений, сходных с аберрацией света звезд, следует сделать вывод: скорость света в любой системе отсчета одна и та же и равна c. [Наиболее точные на данный момент времени измерения дают значение c=(2,997925 ± 0,000003)×108 м/с.]

Допустим, на улетающем с огромной скоростью от Земли космическом корабле принимают световой сигнал с Земли. При измерении скорости его распространения будет обнаружено значение c вне зависимости от скорости корабля: c–v=c! Или другой пример. На настоящий момент времени надежно установлено, что далекие от Солнечной системы галактики разбегаются. Вселенная расширяется. Скорость убегания тем больше, чем дальше находится галактика. Очень далекие галактики убегают со скоростями, близкими к скорости света. Тем не менее, свет, пришедший от этих галактик, имеет скорость c. Этот факт так же, как и электродинамические опыты, говорит о необходимости отказа от галилеевских преобразований координат и скорости, правила сложения скоростей.

3. Исходные положения

3.1 Постулаты теории относительности

Постулаты теории относительности — то же самое, что и аксиомы в геометрии.

Постулат 1. Инерциальные системы отсчета физически равноправны — физические законы, управляющие протеканием явлений, во всех системах отсчета одинаковы.

Постулат 2. Скорость распространения света является максимально возможной скоростью и не зависит от движения источника или приемника.

Все выводы теории относительности следуют из этих постулатов и уже известных законов физики, поправленных таким образом, чтобы они не противоречили постулатам.

4. Домашнее задание

4.1 Теоретический материал

Проработать материал занятия по пособию и по учебнику “Физика 11” под ред. А. А.Пинского §§ 49, 50.

4.2 Решение задач

Задача 1. Первую оценку скорости света получил Э. Ремер. Измеряя промежутки времени между затенениями Юпитером его спутника Ио, он обнаружил, что в течение одной половины года промежутки времени между затмениями уменьшаются, а в другую половину увеличиваются. Отставания и опережения затмений в сумме достигали за полгода величины около 20 мин. Какое значение скорости света из этих данных получил Э. Ремер? Средний диаметр орбиты Земли равен 3×10 11 м.

занятие 1.5.2

относительность промежутков времени и длин

1.1 Обсуждение вопросов теоретического материала

1.1.1  В чем состояла идея опытов Майкельсона и Морли?

1.1.2  Что собой представляла экспериментальная установка в опытах Майкельсона и Морли, с помощью которой они пытались измерить скорость движения Земли относительно эфира? По каким признакам предполагалось определить скорость?

1.1.3  Какие результаты получили Майкельсон и Морли и как они их интерпретировали?

1.1.4  Расскажите об явлении, которое противоречит предположению о полном увлечении эфира Землей.

1.1.5  Какой основной вывод следует из опытов Майкельсона и Морли?

1.1.6  В чем несоответствие со здравым смыслом классического объяснения взаимодействия движущегося электрона с проводом с током?

2. Преобразование промежутков времени и длин

2.1 Относительность временных промежутков

Рассмотрим два важнейших следствия перечисленных постулатов.

Рассмотрим с двух точек зрения наблюдателей, движущихся относительно друг друга, два события. Двери подошедшего к остановке вагона электрички открываются с помощью электронного устройства, которое запускается вспышкой лампочки, установленной точно посередине вагона. Для наблюдателя из вагона свет от лампочки доходит до переднего и заднего запускающих устройств за одно и то же время, а поэтому двери открываются одновременно.

Для наблюдателя из проезжающего мимо со скоростью v поезда вспышка вместе с приемным устройством движутся в противоположную сторону со скоростью –v. Свет относительно этого наблюдателя распространяется так же, как и относительно первого, со скоростью c. Но, в отличие от первой ситуации, вагон уезжает от вспышки. Поэтому до убегающего приемного устройства свету придется доходить больше времени, чем до набегающего навстречу свету. Таким образом, с точки зрения наблюдателя, находящегося в проезжающем мимо поезде, одна из дверей вагона откроется позднее другой. Открытия дверей происходят не одновременно.

Неизменность скорости света при переходе из одной системы отсчета в другую связана с тем, что в каждой системе отсчета время течет по-своему. При переходе из одной системы отсчета в другую изменяется не только отсчет времени, как при переходе с красноярского на московское время. Изменяется темп течения времени вне зависимости от типа используемых часов. Как происходит это изменение, рассмотрим с двух точек зрения на примере анализа хода часов особого устройства.