Гипотеза сопротивления эфира

В XIX веке широко обсуждалась теория светоносного эфира как гипотетической среды распространения световых волн. Гипотеза эфира возникла потому, что физики той эпохи не могли представить себе распространение световых волн без физической среды, в которой это можно было бы сделать. Когда эксперименты не смогли обнаружить гипотетический светоносный эфир, физики придумали объяснения неудачи экспериментов, которые сохранили существование гипотетического эфира.

Гипотеза сопротивления эфира предполагала, что светоносный эфир увлекается движущейся материей или увлекается ею. Согласно одной из версий этой гипотезы, между Землей и эфиром не существует относительного движения. По другой версии, Земля действительно движется относительно эфира и измеренная скорость света должна зависеть от скорости этого движения («эфирный ветер»), которая должна измеряться приборами, покоящимися на поверхности Земли. В 1818 году Огюстен-Жан Френель предположил, что эфир частично увлекается материей. В 1845 году Джордж Стоукс предположил, что эфир полностью захвачен внутри материи или вблизи нее.

Хотя почти стационарная теория Френеля, по-видимому, была подтверждена экспериментом Физо (1851 г.), теория Стокса, по-видимому, была подтверждена экспериментом Майкельсона-Морли (1881, 1887 г.). Хендрик Лоренц разрешил эту противоречивую ситуацию в своей собственной теории эфира , которая отвергла любую форму перетаскивания эфира. Альберта Эйнштейна ( Специальная теория относительности 1905 г.) исключает эфир как механическую среду.

Частичное перетаскивание эфира

В 1810 году Франсуа Араго понял, что изменения показателя преломления вещества, предсказанные корпускулярной теорией, станут полезным методом измерения скорости света. Эти предсказания возникли потому, что показатель преломления такого вещества, как стекло, зависит от соотношения скоростей света в воздухе и в стекле. Араго попытался измерить степень преломления световых частиц стеклянной призмой в передней части телескопа. Он ожидал, что будет существовать целый ряд различных углов преломления из-за разнообразия скоростей звезд и движения Земли в разное время дня и года. Вопреки этому ожиданию, он обнаружил, что не было никакой разницы в рефракции между звездами, временем суток или сезонами. Все, что наблюдал Араго, было обычной звездной аберрацией .

В 1818 году Огюстен-Жан Френель исследовал результаты Араго, используя волновую теорию света. Он понял, что даже если бы свет передавался в виде волн, показатель преломления границы раздела стекло-воздух должен был бы меняться по мере того, как стекло двигалось через эфир, чтобы ударять приходящие волны с разными скоростями, когда Земля вращалась и менялись времена года. Френель предположил, что стеклянная призма будет нести с собой часть эфира, так что «... эфира внутри призмы в избытке». Он понял, что скорость распространения волн зависит от плотности среды, и поэтому предположил, что скорость света в призме необходимо регулировать с помощью некоторого «сопротивления». Скорость света $v_{n}$ в стакане без какой-либо регулировки определяется по формуле:

$v_{n}={\frac {c}{n}}$

Регулировка сопротивления $v_{d}$ дается:

$v_{d}=v\left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)$

Где $\rho _{e}$ - плотность эфира в окружающей среде, $\rho _{g}$ - плотность эфира в стакане и $v$ — скорость призмы относительно эфира.

Фактор $\left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)$ можно записать как $\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)$ потому что показатель преломления n будет зависеть от плотности эфира. Это известно как коэффициент сопротивления Френеля . Тогда скорость света в стекле определяется выражением:

$V={\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)$

Эта поправка помогла объяснить нулевой результат эксперимента Араго. Он представляет концепцию преимущественно стационарного эфира, который увлекается такими веществами, как стекло, но не воздухом. Его успех отдал предпочтение волновой теории света перед предыдущей корпускулярной теорией.

Проблемы частичного увлечения эфира

Коэффициент сопротивления Френеля был непосредственно подтвержден экспериментом Физо и его повторениями. В общем, с помощью этого коэффициента отрицательный результат всех экспериментов по оптическому дрейфу эфира, достаточно чувствительных для обнаружения эффектов первого порядка (таких как эксперименты Араго, Физо, Хука, Эйри, Маскарта можно объяснить ). Представление о (почти) стационарном эфире также согласуется со звездной аберрацией . Однако эта теория считается опровергнутой по следующим причинам:

• Уже в XIX веке было известно, что частичное увлечение эфира требует, чтобы относительная скорость эфира и материи была разной для света разных цветов, что, очевидно, не так.
• Теория Френеля (почти) стационарного эфира предсказывает положительные результаты экспериментов, которые достаточно чувствительны, чтобы обнаружить эффекты второго порядка. Однако такие эксперименты, как эксперимент Майкельсона-Морли и эксперимент Траутона-Нобла , дали отрицательные результаты в пределах своей погрешности и поэтому считаются опровержением эфира Френеля.
• В эксперименте Хаммара , проведенном Густавом Вильгельмом Хаммаром в 1935 году, интерферометр общего пути использовался . Массивные свинцовые блоки были установлены по обе стороны только одной ножки интерферометра. Такое расположение должно вызывать различное сопротивление эфира и, следовательно, давать положительный результат. Однако результат вновь оказался отрицательным.

Полное перетаскивание эфира

Для Джорджа Стоукса (1845) модель эфира, на который совершенно не влияет или лишь частично влияет движущаяся материя, была неестественной и неубедительной, поэтому он предположил, что эфир полностью увлекается внутри и вблизи материи, частично увлекается на большие расстояния, и покоится в свободном пространстве. Также Генрих Рудольф Герц (1890) включил полную модель сопротивления эфира в свою разработку теории электромагнетизма Максвелла, чтобы привести ее в соответствие с принципом относительности Галилея . То есть, если предположить, что эфир покоится внутри материи в одной системе отсчета, преобразование Галилея дает результат, что материя и (увлеченный) эфир движутся с одинаковой скоростью в другой системе отсчета.

Проблемы полного перетаскивания эфира

Эфирная машина Лоджа. Свет от чувствительного интерферометра общего пути направлялся между быстро вращающимися дисками.

Полное перетаскивание эфира может объяснить отрицательный результат всех экспериментов по дрейфу эфира (например, эксперимента Майкельсона-Морли). Однако эта теория считается ошибочной по следующим причинам:

• Опыт Физо (1851 г.) показал лишь частичный унос света.
• Эффект Саньяка показывает, что двум лучам света, исходящим от одного и того же источника света в разных направлениях на вращающейся платформе, требуется разное время, чтобы вернуться к источнику света. Однако если эфир полностью затянут платформой, этого эффекта вообще не должно произойти.
• Оливер Лодж проводил эксперименты в 1890-х годах, пытаясь доказать, что на распространение света влияет близость больших вращающихся масс, и не обнаружил такого влияния.

Полное увлечение эфира несовместимо с явлением звездной аберрации. На этой иллюстрации представьте, что звезды бесконечно далеки. Аберрация возникает, когда составляющая скорости наблюдателя перпендикулярна линии, по которой проходит свет, падающий от звезды. Как видно на анимации слева, телескоп необходимо наклонить, прежде чем звезда появится в центре окуляра. Как видно из анимации справа, если эфир тянется вблизи Земли, то телескоп должен быть направлен прямо на звезду, чтобы звезда появилась в центре окуляра.

• Это несовместимо с явлением звездной аберрации . При звездной аберрации положение звезды, если смотреть в телескоп, отклоняется в каждую сторону от центрального положения примерно на 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Эта величина колебания является ожидаемой, если принять во внимание скорость движения Земли по ее орбите. В 1871 году Эйри продемонстрировал, что звездная аберрация возникает, даже если телескоп заполнен водой. Кажется, что если бы гипотеза сопротивления эфира была верна, то звездной аберрации не возникло бы, потому что свет путешествовал бы в эфире, который двигался бы вместе с телескопом. Представьте себе ведро поезда, который собирается въехать в туннель, и капля воды капает из входа в туннель в ведро в самом центре. Капля не попадет в центр дна ведра. Ведро аналогично трубе телескопа, капля — фотон, поезд — Земля. Если эфир тащить, то капля будет путешествовать вместе с поездом, когда его уронят, и попадет в центр ведра внизу. Величина звездной аберрации, $\alpha$, определяется:

$\tan(\alpha )={\frac {v\delta t}{c\delta t}}.$ Так: $\tan(\alpha )={\frac {v}{c}}$

Скорость, с которой Земля вращается вокруг Солнца, v = 30 км/с, а скорость света c = 299 792 458 м/с, что дает $\alpha$ = 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Наблюдается такая степень аберрации, которая противоречит гипотезе полного сопротивления эфира.

Ответы Стокса на эти проблемы

Стоукс уже в 1845 г. ввел некоторые дополнительные предположения, чтобы привести свою теорию в соответствие с экспериментальными результатами. Чтобы объяснить аберрацию, он предположил, что его несжимаемый эфир также является безвихревым, что в сочетании с его конкретной моделью сопротивления эфира дало бы правильный закон аберрации. Чтобы воспроизвести коэффициент сопротивления Френеля (и, следовательно, объяснить эксперимент Физо), он утверждал, что эфир полностью затягивается внутри среды – то есть эфир конденсируется, когда входит в среду, и разжижается, когда снова покидает ее, что изменяет скорость эфира так же, как и свет, и приводит к тому же выражению, что и у Френеля.

Несмотря на то, что теория аберраций Стокса какое-то время считалась жизнеспособной, от нее пришлось отказаться, поскольку Лоренц в 1886 году утверждал, что, когда эфир несжимаем, как в теории Стокса, и если эфир имеет ту же нормальную составляющую скорости, что и На Земле не было бы такой же тангенциальной составляющей скорости, поэтому все условия, поставленные Стоксом, не могут быть выполнены одновременно.

Гравитационное сопротивление эфира

Другая версия модели Стокса была предложена Теодором де Кудром и Вильгельмом Вином (1900). Они предположили, что сопротивление эфира пропорционально гравитационной массе. То есть эфир полностью увлекается Землей и лишь частично увлекается более мелкими объектами на Земле. И чтобы спасти объяснение аберрации Стокса, Макс Планк (1899) в письме Лоренцу утверждал, что эфир может быть не несжимаемым, а конденсироваться под действием гравитации вблизи Земли, и это создаст условия, необходимые для теории Стокса. («теория Стокса-Планка»). По сравнению с приведенными выше экспериментами эта модель может объяснить положительные результаты экспериментов Физо и Саньяка, поскольку малая масса этих инструментов может лишь частично (или не совсем) тянуть эфир, и по той же причине она объясняет отрицательный результат экспериментов Лоджа. Он также совместим с экспериментом Хаммара и Майкельсона-Морли, поскольку эфир полностью увлекается большой массой Земли.

Однако эта теория была прямо опровергнута экспериментом Майкельсона-Гейла-Пирсона (1925 г.). Большим отличием этого эксперимента от обычных экспериментов Саньяка является тот факт, что измерялось вращение самой Земли. Если эфир полностью увлечён гравитационным полем Земли, следует ожидать отрицательного результата – но результат оказался положительным.

заметил А с теоретической стороны Хендрик Антон Лоренц , что гипотеза Стокса-Планка требует, чтобы на скорость света не влияло увеличение плотности эфира в 50 000 раз. Поэтому Лоренц и сам Планк отвергли эту гипотезу как маловероятную.

Лоренц и Эйнштейн

Поскольку Лоренц был вынужден отказаться от гипотезы Стокса, в качестве отправной точки он выбрал модель Френеля. Ему удалось воспроизвести коэффициент сопротивления Френеля в 1892 году, хотя в теории Лоренца он представляет собой модификацию распространения световых волн, а не результат какого-либо увлечения эфира. Следовательно, эфир Лоренца полностью неподвижен или неподвижен. Однако это приводит к той же проблеме, которая уже возникла с моделью Френеля: она противоречила эксперименту Майкельсона-Морли. Поэтому Джордж Фрэнсис Фитцджеральд (1889) и Лоренц (1892) ввели сокращение длины , то есть все тела сжимаются по линии движения на коэффициент ${\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}$. Кроме того, в теории Лоренца преобразование Галилея было заменено преобразованием Лоренца .

Однако накопление гипотез по спасению концепции стационарного эфира считалось весьма искусственным. Так, именно Альберт Эйнштейн (1905) признал, что необходимо лишь предположить принцип относительности и постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета , чтобы разработать специальную теорию относительности и вывести полное преобразование Лоренца. Все это было сделано без использования концепции стационарного эфира.

Как показал Макс фон Лауэ (1907), специальная теория относительности предсказывает результат эксперимента Физо на основе теоремы сложения скоростей без необходимости использования эфира. Если $V$ - скорость света относительно аппарата Физо и $U$ - скорость света относительно воды и $v$ скорость воды:

$U={\frac {c}{n}}$

$V={\frac {c/n+v}{1+v/nc}}$

который, если v/c мал, можно расширить с помощью биномиального разложения до:

$V\approx {\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)$

Это идентично уравнению Френеля .

Гипотеза эфира Але

Основная статья: эффект Алле

Морис Алле предложил в 1959 году гипотезу эфира, предполагающую скорость ветра около 8 км/с, что намного ниже стандартного значения в 30 км/с, поддерживаемого учеными девятнадцатого века, и совместимого с Майкельсона-Морли и Дейтона Миллера. экспериментами , а также его собственные эксперименты относительно спорного эффекта Алле , непредсказуемого общей теорией относительности. Несмотря на отстаивание необходимости другой теории гравитации , его гипотеза не получила значительной поддержки среди ведущих ученых.

Краткое содержание

В современной физике (основанной на теории относительности и квантовой механике ) эфир как «материальная субстанция» с «состоянием движения» уже не играет никакой роли. Таким образом, вопросы, касающиеся возможного «эфирного сопротивления», больше не считаются значимыми для научного сообщества. Однако перетаскивание системы отсчета , предсказанное общей теорией относительности , при котором вращающиеся массы искажают метрику пространства-времени , вызывая прецессию орбит близлежащих частиц, действительно существует. Но этот эффект на порядки слабее любого «эфирного сопротивления», обсуждаемого в этой статье.

См. также

• История специальной теории относительности
• Тесты специальной теории относительности
• Тесты общей теории относительности
• Перетаскивание кадров

Библиография и ссылки

• Wikibooks: Специальная теория относительности
• Резник, Роберт, Основные понятия теории относительности и ранней квантовой теории , 1972, John Wiley and Sons Inc.

Внешние ссылки

• Mathpages: ошибка Стокса