Экспериментальные основы специальной теории относительности

При ознакомлении с механикой теории относительности (см. «Механику», гл. 6) было указано, что предпосылкой к разработке специальной теории относительности послужили трудности, возникшие при исследовании распространения света в движущихся средах. Теперь можно рассмотреть некоторые из этих трудностей. Классическая физика начала XIX в. считала, что свет распространяется в некоторой гипотетической среде — эфире. Когда господствовала механическая теория света, свойства этого эфира были крайне странными (громадная упругость при ничтожной плотности). При переходе к электромагнитной теории света «механический эфир» был заменен «электромагнитным», единственной функцией которого было служить средой для распространения света. Было совершенно неясно, как ведет себя эфир по отношению к физическим телам, особенно при движении последних. Было поставлено много тонких опытов, способствовавших разъяснению этой загадки. Рассмотрим некоторые из них.

1. Еще в начале XVIII в. Брэдли обнаружил, что неподвижные звезды описывают на небесном своде небольшие эллипсы, причем во всех наблюдаемых случаях время прохождения эллипса равнялось году, а большая полуось эллипса для всех звезд равнялась 20,45". Поэтому эти эллипсы нельзя было приписать влиянию годичного движения Земли вокруг Солнца, так как тогда, для звезд, разноудаленных от Земли, размеры эллипсов должны были бы изменяться, убывая при увеличении расстояния до звезды. Брэдли правильно заключил, что звезды настолько удалены от Земли, что для них годичное движение проявиться не может. Причина же кажущегося движения (аберрации) звезд была им найдена в конечной скорости распространения света, одинаково влияющей при любом расстоянии до звезды.

Действительно, пусть звезда S находится как раз в зените (рис. 9.4). Астроном хочет получить ее изображение на оптической оси телескопа. Но если он направит телескоп на звезду, то, пока свет будет проходить по телескопу, последний сместится в сторону. Поэтому, чтобы изображение получилось на оси, астроном должен наклонить телескоп на угол α в направлении движения Земли. Если с— скорость света, ν— скорость Земли, то

Так как ν ≈ 30 км/с, то получается α≈20,5", что отвечает опыту.

Рис. 9.4

Рис.9.5

В этом объяснении неявно предполагается, что эфир совершенно не участвует в движении Земли (и ее атмосферы).

2. В 1851 г. Физо исследовал влияние движения воды на распространение света в ней. Схема установки показана на рисунке 9.5. Свет источника 5 делится на полупрозрачной пластине 1; часть его проходит путь 1, 2, 3, 4, 1 я попадает в зрительную трубу Т. Другая часть идет по пути 1, 4, 3, 2, 1 и также попадает в зрительную трубу. Происходит интерференция пучков (при неподвижной воде). Затем по изогнутой трубе заставляют течь воду в направлении, указанном стрелкой. При этом один из пучков света распространяется в направлении течения воды, другой — против течения. Наблюдатель контролирует интерференционную картину, изменения которой позволяют судить о скорости света в воде. Опыт показал, что эта скорость

(9.1)

где т — показатель преломления воды, ν — ее скорость.

С точки зрения гипотезы эфира это означает, что эфир увлекается водой лишь частично; если бы эфир увлекался полностью, второе слагаемое равнялось бы У, если бы не увлекался совсем, то оно равнялось бы нулю.

Такое объяснение противоречит данному выше объяснению явления аберрации.

3. В 1881 г. (и позже) Майкельсон с помощью своего интерферометра пытался обнаружить влияние движения Земли на распространение света. Для этого он располагал интерферометр так, чтобы один из лучей распространялся вдоль вектора скорости Земли в ее орбитальном движении , другой — перпендикулярно этой скорости (рис. 9.6). При этом получалась некоторая интерференционная картина, контролируемая наблюдателем на Земле.

Рис.9.6

При Медленном повороте всего прибора (он плавал на плите, погруженной в ртуть) вокруг вертикальной оси роли обоих лучей менялись. Если Земля не увлекает эфир, то должно было произойти изменение интерференционной картины. Опыт дал противоположный результат — интерференционная картина не изменялась. С позиций гипотезы эфира это означало, что Земля полностью увлекает эфир. В этих опытах движение Земли можно было считать равномерным, так как время проведения опыта достаточно мало по сравнению с периодом вращения Земли вокруг оси и тем более с периодом ее обращения вокруг Солнца. Движение воды в опыте Физо также можно считать равномерным. Следовательно, все измерения производились в инерциальных системах.

Создавшееся положение, когда для объяснения трех опытов нужно делать три взаимно исключающих допущения о свойствах эфира, конечно, неприемлемо. Значит, гипотеза эфира противоречива.

.Обычно считается, что эти исследования послужили толчком к возникновению специальной теории относительности Эйнштейна (А. Эйнштейн, 1879—1955). Однако сам Эйнштейн утверждал, что его рассуждения базировались на других соображениях, что об опыте Майкельсона он узнал после создания основ теории относительности.

Эйнштейн принял за основу своей теории, что скорость света, измеряемая в инерциальных системах, не зависит от движения наблюдателя и источника. Он совершенно отказался от гипотезы эфира, приписав электромагнитному излучению самостоятельное существование вне какой-либо среды, утверждая тем самым материальность излучения (переменного электромагнитного поля).

Применяя закон сложения скоростей, полученный в специальной теории относительности (см. «Механику», § 6.5), к опыту Физо, сразу получаем:

т. е. результат, совпадающий с опытом.

Применяя тот же закон к опыту Майкельсона, получаем: