Аннотация: Опыт Майкельсона-Морли. Абсолютное пространство и "сокращение" Лоренца. Принцип относительности и "удлинение" Эйнштейна. Дуализм "пространство-материя" — новая идея в определении эфира.
Опыт Майкельсона, Лоренц-Эйнштейн.
Мясников В.М.
Опыт Майкельсона-Морли. Абсолютное пространство и "сокращение" Лоренца. Принцип относительности и "удлинение" Эйнштейна. Дуализм "пространство-материя" — новая идея в определении эфира.
В моей статье "Специальная теория относительности. СТО* - новая редакция и СТО Эйнштейна." [1], анализируя одновременность в теории Эйнштейна СТО и в моей теории СТО*, я показал, что в эйнштейновской СТО должен иметь место релятивистский эффект не "сокращения длин" L' = L γ , но "увеличения длин" L' = L / γ , так же, как для времени T' = T / γ и массы m' = m / γ (здесь и далее
γ = (1 − V2/c2)1/2 ). Обращаясь к первой статье Эйнштейна [2], где он объясняет сокращение продольных размеров движущихся тел в отношении 1 : γ, я обнаружил некую некорректность в его исходных рассуждениях, подправив которые и полностью сохранив сами рассуждения Эйнштейна, я получил противоположное утверждение, т.е. продольные размеры движущихся тел увеличиваются в отношении 1 : 1/γ. Возможно, Эйнштейн знал о такой возможности, но слишком популярна к тому времени была идея Лоренца о сокращении продольных размеров, поддержанная А.Пуанкаре, и единственная (до появления теории относительности), объясняющая "отрицательный" результат опыта Майкельсона. Приведенные соображения побудили меня еще раз вернуться к обсуждению опыта Майкельсона
Существует бесчисленное множество книг и статей, описывающие и сам опыт Майкельсона и весь круг проблем, связанных с ним. Я опираюсь на книгу Макса Борна ([3], гл. V, § 14, 15.), выбранную только потому, что она оказалась "под рукой". Ссылка на книгу освобождает меня от необходимости описывать интерферометр Майкельсона, идею опыта и т.п. Отмечу только, что плечи интерферометра имеют равную длину l. Интерферометр движется (вместе с Землей) со скоростью V и ориентирован так, что одно плечо (продольное) направлено вдоль направления скорости. В дополнение, только для удобства речи, введу понятие неподвижного абсолютного пространства и направления "туда" (направление, продольное или поперечное, от разделительного полупрозрачного зеркала) и направления "обратно" (направления к полупрозрачному зеркалу). Те, кому не нравится термин "абсолютное пространство", могут в данном контексте считать абсолютным пространством некую инерциальную систему, фиксированную на время проведения опыта.
1. Абсолютно неподвижный эфир. По определению, скорость света в эфире постоянна и равна c. Неподвижный эфир — это "неподвижный относительно абсолютного пространства", т.е. скорость света в абсолютном пространстве в данном случае также постоянна и равна c. Продольное плечо интерферометра движется относительно абсолютного пространства со скоростью V, и эфир должен обдувать прибор и Землю. Это явление назвали "эфирным ветром". И тогда продольное время "туда" t1 находится из условия l + Vt1 = ct1 или t1 = l /(c-V). Аналогично, продольное время "обратно" равно t2 = l /(c+V).
Окончательно, полное продольное время "туда + обратно" определяется так:
t12 = t1 + t2 = 2lc /(c2 - V2) = 2l / cγ2.
(1)
Поперечное время "туда" t3 определяется из условия
(ct3)2 = l2 + (Vt3)2 т.е. t3 = l / cγ.
Поперечное время "обратно" t4 = t3 совпадает с поперечным "туда", т.о. полное поперечное время "туда + обратно" равно
t34 = t3 + t4 = 2l / cγ.
(2)
Теория говорит о том, что если время t12 и время t34 не совпадают, т.е. два луча в интерферометре Майкельсона, после их воссоединения в полупрозрачном зеркале, достигают плоскости зрения с неким сдвигом по времени, что приводит к сдвигу интерференционных полос от некоего среднего положения. Этот сдвиг очень мал и обнаружить его удается только благодаря специальному приему, а именно прибор поворачивается на 90 градусов так, что продольное и поперечное плечи прибора меняются местами, что приводит к сдвигу интерференционных полос в другую сторону, и тогда разность сдвигов в противоположные стороны можно измерить.
Однако, когда опыт был осуществлен, выяснилось, что невозможно обнаружить даже ничтожного следа ожидаемого смещения, а последующие повторения этого опыта с помощью более тонких средств наблюдения не дали ничего нового. Отсюда следует вывод, что эфирного ветра нет.
Майкельсон и Морли из своего опыта сделали вывод, что если эфирного ветра нет, то эфир полностью увлекается движущейся Землей. Ниже я рассмотрю такую возможность, а пока о том, как эту проблему решил Г.Лоренц.
Гипотеза сокращения. Формально, рассуждения Лоренца очень просты и очевидны. Коль скоро опыт Майкельсона показывает, что смещения интерференционных полос нет, то это означает что нет запаздывания по времени у двух лучей, т.е. просто
t12 = t34 . Последнее возможно, если предположить, что продольное плечо интерферометра укорочено в отношении γ :1 , т.е. l' = lγ. И тогда, заменяя в (1) l на l' = lγ, имеем: "истинное" время прохождения светом, с той же скоростью, укороченного продольного плеча уменьшается и совпадает с поперечным временем
t'12 = 2l' / cγ2 = 2lγ / cγ2 = 2l / cγ = t34.
(3)
Г.Лоренц сформулировал (точнее - поддержал и развил гипотезу Фитцжеральда, 1892 г.) свою знаменитую гипотезу сокращения :
"каждое тело, имеющее скорость V относительно эфира, сокращается в направлении движения на долю γ = (1 − V2/c2)1/2 " (цит. по [3]).
С учетом такого сокращении продольных размеров опыт Майкельсона и Морли должен всегда давать отрицательный результат. При этом, подобное сокращение невозможно установить никакими земными наблюдениями.
2. Полное увлечение эфира. Итак, Майкельсон и Морли, после своих первых опытов пришли к выводу о том, что эфир полностью увлекается движущейся Землей. Рассмотрим эту возможность. Земля движется относительно абсолютного пространства со скоростью V. Следовательно, эфир, полностью увлекаемый Землей, также движется со скоростью V относительно абсолютного пространства. И тогда скорость света, постоянная относительно эфира, относительно абсолютного пространства равна c + V при продольном движении "туда", и c − V — при продольном движении "обратно", а в поперечном направлении скорость света относительно абсолютного пространства равна (c2 + V2)1/2. Рассуждая как и в случае неподвижного эфира, имеем : продольное время "туда" t1 находится из условия
l + Vt1 = (c + V) t1 или t1 = l / c.
Аналогично, продольное время "обратно" находится из условия
l − Vt2 = (c − V) t2 или t2 = l / c
Окончательно, полное продольное время "туда + обратно" определяется так:
t12 = t1 + t2 = 2l / c.
(4)
В поперечном плече интерферометра поперечное время "туда" находится из условия (по теореме Пифагора) (c2 + V2)t32 = (Vt3)2 + l2, т.е. t3 = l / c. Аналогично определяется поперечное время "обратно", и таким образом, полное поперечное время "туда + обратно"
равно
t34 = t3 + t4 = 2l / c.
(5)
Выводы (4) и (5) очевидны и без приведенных рассуждений, из того, что в случае полного увлечения эфира интерферометр не движется относительно эфира, т.е. в выражения для времени скорость V и не должна входить. Я же проделал эти рассуждения, чтобы показать, что (4) и (5) справедливы и при движении относительно абсолютного пространства, причем с произвольной постоянной скоростью.
Таким образом, гипотеза полного увлечения эфира не отвергается опытом Майкельсона (t12 = t34), но отвергается множеством других физических явлений (опыт Физо и др.), помимо того, что она, сама по себе, представляется более чем странной. Действительно, бесчисленное множество тел (от галактик до элементарных частиц) движутся самым причудливым образом во Вселенной, и каждое полностью увлекает эфир (!?). Наиболее естественным выходом из этой ситуации представляется гипотеза о том, что эфира просто нет, как такового. При этом, выводы (4) и (5) остаются в силе, и следовательно, объяснение "отрицательного" результата опыта Майкельсона во втором случае сохраняется.
В первом случае "абсолютно неподвижного эфира" эфир совпадает с абсолютно неподвижным пространством, и если эфир упразднить, то его место может занять абсолютное пространство, т.е. все выводы относительно эфира перепишутся как выводы относительно абсолютного пространства. В частности, гипотезу сокращения Лоренца можно переформулировать, заменив эфир на абсолютное пространство:
каждое тело, имеющее скорость V относительно абсолютного пространства, сокращается в направлении движения на долюγ = (1 − V2/c2)1/2.
Если гипотеза сокращения в такой формулировке справедлива всегда, то во втором случае, когда интерферометр также движется относительно абсолютного пространства, должно иметь место сокращение продольного плеча интерферометра l' = lγ , т.е. (4) должно принять вид t'12 = 2l' / c = 2lγ / c , тогда как поперечное время (5) остается без изменений. В соответствии с теорией прибор должен показать сдвиг интерференционных полос. Однако, прибор не показывает такого сдвига. Остается предположить, если настаивать на существовании лоренцева сокращения, что имеется некий механизм, компенсирующий лоренцево сокращение. Я полагаю, что это - эйнштейновское удлинение тел вдоль направления движения L' = L / γ, которое я "обнаружил" у Эйнштейна, см. [1].
Выводы сводятся к следующему.
1. Если признать существование абсолютного неподвижного пространства, то отрицательный результат опыта Майкельсона и Морли объясняется лорецевым сокращением, которое имеет абсолютный характер. Принцип относительности в этом случае (т.е. когда одним из фигурантов выступает абсолютное пространство) не имеет места.
2. Если не признавать существования абсолютно неподвижного (выделенного) пространства, то отрицательный результат опыта Майкельсона объясняется движением относительно любого пространства (и продольное, и поперечное время не зависят от скорости и равны между собой), в частности, это может быть неподвижное по отношению к интерферометру (V = 0) пространство, т.е. в этом случае справедлив принцип относительности. Если же зафиксировать одно пространство в качестве абсолютно неподвижного (скажем, как предположение, необходимое в рамках некой решаемой задачи), то можно и в этом случае допустить лоренцево сокращение, но только совместно с эйнштейновским удлинением, которое имеет место в случае справедливости принципа относительности (и не имеет места в противном случае, т.е. эйнштейновское удлинение нельзя привлекать в первом случае абсолютно неподвижного пространства).
3. Из анализа отрицательного результата опыта Майкельсона мы заключили, что понятие эфира может быть полностью заменено понятием пространства. При этом в абсолютном пространстве, когда принцип относительности не имеет места, должно иметь место лоренцево сокращение, тогда как в случае справедливости принципа относительности (полного увлечения пространства (читай - эфира)) никаких дополнительных условий не требуется для объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона. Казалось бы, полное увлечение эфира (пространства) доказано. Но полное увлечение, как я уже отмечал, выглядит довольно странно (во Вселенной бесчисленное множество тел движутся самым причудливым образом и каждое полностью увлекает эфир?), с другой стороны, полное увлечение прямо противоречит известным экспериментальным данным, таким, как опыт Физо и др. Пока предложен единственный выход из этой "тупиковой" ситуации - полный отказ от эфира. Эта идея приписывется Эйнштейну. Но как известно, отказ от эфира не решил все проблемы, связанные с эфиром, и даже Эйнштейн, отказавшись от идеи эфира в своих первых работах, позже был вынужден признать, что полный отказ от идеи эфира невозможен. Существует ли иной выход из указанной "тупиковой" ситуации? Я считаю, что "да, существует", и предлагаю такой выход.
В качестве наводящего соображения напомню пример выхода из другой "тупиковой" ситуации, хорошо известный в физике, я имею в виду дуальную природу света "волна-частица". Существовали две несовместимые точки зрения на природу света - корпускулярная и волновая. В истории физики от Ньютона до Эйнштейна преобладала то одна точка зрения, то другая, при этом ни одна из них не побеждала окончательно. Дело в том, что существуют явления, которые объясняются только волновой природой света (например, дифракция), существуют явления, которые объясняются и корпускулярной, и волновой природой (прямолинейность распространения, отражение и преломление света) и, наконец, существуют явления, объяснимые только корпускулярной природой света (фотоэффект). Выход состоял в том, что свет признавался и не частицей, и не волной, но неким новым объектом "волна-частица", который лишь в определенной физической ситуации "вел себя" как частица, а в другой определенной ситуации - как волна. В настоящее время в квантовой механике свет интерпретируется как поток частиц - фотонов, движущихся всегда со скоростью света и имеющих параметры волны - длину волны ("размер" фотона) и частоту волны (энергию фотона).
Я предлагаю определить эфир как объект дуальной природы "пространство - материя", т.е. наделить эфир двумя несовместимыми (но дополняющими друг друга в смысле Н.Бора) ипостасями - пространственной (эфир как пространство) и материальной (эфир как физическая материальная среда). При этом эфир, в зависимости от физической ситуации, проявляет себя либо как пространство (опыт Майкельсона-Морли), либо как материальная среда (опыт Физо). И результаты этих опытов не следует рассматривать как противоречащие друг другу, они просто говорят о разных вещах.. С этой же точки зрения замечание Эйнштейна в его первой статье по теории относительности о том, что введение "светоносного эфира" оказывается излишним ([2], с.8) не следует воспринимать как предложение об отказе от эфира.
И наконец, последнее. Выше я отметил, что полное увлечение эфира (пространства), любыми движущимися телами выглядит "странно", если иметь в виду все множество тел во Вселенной, Эту "странность" удалость преодолеть посредством расширения "понятия пространства" за счет включения в "понятие пространства" движения. (Подробнее см. [4] ) Я назвал такие пространства "математическим эфиром" (Эфир определяется как множество всех мыслимых виртуальных инерциальных систем, движущихся с произвольными постоянными скоростями относительно друг друга и рассматриваемых какединое целое.).
Рассмотрение математического эфира в качестве пространственной ипостаси дуального эфира снимает все противоречия эфира, позволяет интерпретировать классическую механику, включая ньютоновское абсолютное пространство, как "механику в эфире", позволяет построить теорию относительности как "теорию относительности в эфире", позволяет построить "светоносный эфир" в рамках специальной теории относительности, как среду, в которой распространяется свет и многое другое (см. [4]).