Материал:

И снова Майкельсон был поражен и разочарован. Удивлены были и и все физики, которые наблюдали за этим важным опытом. Несмотря на то, что Майкельсон и Морли возвращали свой прибор, они не заметили и следа эфирного ветра! Никогда ранее в истории науки отрицательный результат опыта не был столь разрушительным и столь плодотворным. Майкельсон снова решил, что его эксперимент не удался. Он никогда не думал, что эта "неудача" сделает его опыт одним из наиболее значительных, революционных экспериментов в истории науки.

Позже Майкельсон и Морли повторили свой опыт с помощью еще более совершенного прибора. Другие физики сделали то же самое. Наиболее точные опыты выполнил в 1960 году Чарльз Таунс в Колумбийском университете. Его прибор, использующий мазер ("атомные часы", принцип действия которого основан на колебаниях молекул), был настолько чувствителен, что мог бы заметить эфирный ветер, даже если бы Земля двигалась со скоростью, составляющей всего лишь одну тысячную долю от его истинной скорости . Но и следа такого ветра не было обнаружено.

Физики сначала были настолько удивлены негативным результатом опыта Майкельсона-Морли, что начали придумывать всевозможные объяснения для спасения теории эфирного ветра. Лучшим объяснением была теория (намного старше, чем опыт Майкельсона-Морли), которая утверждала, что Земля захватывает эфир, подобно закрытом вагона с воздухом внутри. Так считал и сам Майкельсон. Но другие опыты, один из которых Майкельсон выполнил собственноручно, опровергали и это объяснение.

Самое необычное объяснение предложил ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд. Возможно, говорил он, эфирный ветер давит на движущийся предмет, заставляя его сокращаться в направлении движения. Чтобы определить длину движущегося предмета, надо его длину в состоянии покоя умножить на величину, задается формулой

где - квадрат скорости тела, движущегося

- Квадрат скорости света.

С этой формулы следует, что величиной сокращения можно пренебречь, когда речь идет о небольших скорости тела, однако эта величина возрастает с увеличением скорости и становится значительной, когда скорость тела приближается к скорости света. Так, космический корабль, который по форме похож на длинную сигару, двигаясь с большой скоростью, приобретает форму короткой сигары.

Скорость света - недостижимая предел. Для тела, движущегося с этой скоростью, формула должна выглядеть так:

а это выражение равнялся бы нулю. Умножив длину предмета на ноль, мы получили бы в результате ноль. Иными словами, если какой-либо предмет сможет достичь скорости света, то он не будет иметь никакой длины в направлении своего движения!

Элегантную математическую форму теории Фитцджеральда предоставил голландский физик Хендрик Лоренц, самостоятельно пришел к такому же объяснение. (Позже Лоренц стал одним из ближайших друзей Эйнштейна, но в то время они еще не были знакомы.)

Эта теория получила известность как теория сокращение Лоренца-Фитцджеральда (или Фитцджеральда-Лоренца).

Легко понять, как теория сокращение объяснила неудачу опыта Майкельсона-Морли. Если бы квадратная плита и все приборы на ней немного сокращались в том направлении, в котором дул эфирный ветер, то свет проходил бы немного короче полный путь. И хотя ветер в целом тормозил бы движение пучка в прямом и обратном направлениях, немного короче путь позволил бы пучке завершить это путешествие по точно такой же время, как если бы не было ни ветра, ни сокращения. Иначе говоря, сокращение было именно таким, чтобы сохранилась постоянство скорости света независимо от направления поворота прибора Майкельсона-Морли.

Почему, можете спросить вы, нельзя было просто измерить длину прибора и определить, происходило на самом деле укорачивания в направлении движения Земли? Но и линейка сокращается в той же пропорции. Измерение дало бы такой же результат, как и при отсутствии сокращения. На Земле, движется, все терпит сокращение. Положение вещей таково же, как и в мысленном опыте Пуанкаре, в котором Вселенная внезапно становится в тысячу раз больше, но только в теории Лоренца-Фитцджеральда изменения происходят в одном-единственном направлении. Так как эти изменения претерпевает, то нет способа ее обнаружить. В определенных пределах (границы устанавливает топология - наука о свойствах, хранящихся при деформации предмета) форма такая же относительная, как и размер. Сокращение прибора, как и сокращение всего на Земле, мог бы заметить только тот, кто находится вне Земли и не движется вместе с ней.

Многие, говоря о теории относительности, считали гипотезу сокращения Лоренца-Фитцджеральда гипотезой ad hoc (латинское изречение, что означает "только для данного случая"), которую невозможно проверить с помощью каких-либо других экспериментов. Адольф Грюнбаум считал, что это не очень справедливо. Гипотеза сокращения была ad hoc только в том смысле, что в то время не было способа проверить ее. В принципе она совсем не ad hoc. И это было доказано в 1932 p., Когда Кеннеди и Торн-дайк экспериментально опровергли эту гипотезу.

Рой Дж. Кеннеди и Эдвард М. Торндайк, два американских физики, повторили опыт Майкельсона-Морли. Но вместо того, чтобы пытаться сделать оба плеча можно равными, они сделали их длины максимально разными. Для того, чтобы определить разницу во времени, который нужен свету для прохождения в двух направлениях, прибор возвращали. Согласно теории сокращение разница во времени должна была изменяться при повороте. ее можно было бы заметить (как и в опыте Майкельсона) в случае изменения интерференционной картины, возникающей при смешивании двух пучков. Но такого изменения не обнаружили.

Хотя такие эксперименты и нельзя было еще выполнить во времена Лоренца, он, однако, предусматривал принципиальную возможность их проведения и считал вполне обоснованным предположение, что эти опыты, подобно опыта Майкельсона, дадут отрицательный результат. Чтобы объяснить такой вероятный результат, Лоренц сделал важное дополнение к первоначальной теории сокращение, введя смену времени. Он считал, что часы замедлялся 6 под действием эфирного ветра, причем таким образом, что измеренная скорость света всегда составляла бы 300 000 км / сек.

Рассмотрим конкретный пример. Предположим, что у нас есть часы, достаточно точ ный, чтобы провести опыт по измерению скорости света. Пошлем свет из точки А в точку Б по прямой вдоль направления движения Земли. Синхронизируем оба часы в точные А и затем передвинем один из них в точку Б. Отметим время, когда пучок света оставил пункт А и (по другим часами) момент прибытия его в пункт Б. Так как свет двигалось бы при этом против эфирного ветра, его скорость немного уменьшилась 6, а продолжительность пробега выросла по сравнению со случаем Земли, находится в состоянии покоя. Вы заметили ошибку в этом рассуждении? Часы, который двигался из точки А в 5, также двигался против эфирного ветра. Это замедлило часы в точке Б, он немного отстал от часов в точке А. В результате измеренная скорость света остается неизменной - 300000 км / с.

То же самое произойдет (утверждает Лоренц), если измерять скорость света, распространяющегося в противоположном направлении с точки Б в точку А. Два часы синхронизируются в точке Б и затем один из них переносится в точку А. Пучок света, распространяясь с пункта Б в А, движется вдоль эфирного ветра. Скорость пучка увеличивается, и, следовательно, время прохождения немного уменьшается, как и в случае с Землей, которая находится в состоянии покоя. Однако при переносе часов с точки Б в Л его тоже "подгоняет" ветер. Уменьшение давления эфирного ветра позволит часах увеличить скорость, и, следовательно, к моменту окончания эксперимента часы в точке А убежит вперед по сравнению с часами в точке Б. И в результате скорость света снова 300000 км / с.

Новая теория Лоренца не только объяснила отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли; из нее вытекала принципиальная невозможность опытным путем выявить влияние эфирного ветра на скорость света. ее уравнения для изменения длины и времени действуют так, что при любом возможном методе измерения скорости света в любой системе отсчета будет одинаковый результат. Понятно, что физики были недовольны этой теорией. Она была теорией ad hoc в полном смысле этого слова. Оказались напрасными усилия залатать дыры, возникшие в теории эфира. Нельзя представить себе способа для ее подтверждения или опровержения. Физикам было трудно поверить, что, создав эфирный ветер, природа устроила все так, что обнаружить этот ветер невозможно. Английский философ-математик Бертран Рассел позже очень удачно цитировал песенку Белого Рыцаря из книги Льюиса Кэрролла "Алиса в стране чудес":

Мне хотелось 6 покрасить

Бакенбарды в цвет зеленый,

В руки веер взять побольше,

Чтобы их никто не увидел.

Новая теория Лоренца, в которой менялись и время, и длина, казалась почти столь же абсурдной, как и план Белого Рыцаря. Но, несмотря на все усилия, физики не могли придумать ничего лучшего.

В следующем разделе будет показано, как специальная теория относительности Эйнштейна указала на смелый, отличный выход из этого очень запутанного положения.

Специальная теория относительности (часть I)

В 1905 p., Когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую статью о том, что вскоре стало называть специальной .теориею относительности, он был молодым женатым человеком 26 лет, работал в качестве эксперта в Швейцарском патентном бюро. Его карьера студента физики в Цюрихском политехническом институте ни была блестящей. Он предпочитал читать, думать и мечтать, а не забивать свой ум несущественными фактами ради того, чтобы на экзаменах получать высокие оценки. Несколько раз он пытался преподавать физику, но оказался неважным учителем, и вынужден был оставить преподавательскую работу.

В этой истории есть и другая сторона. Еще будучи маленьким мальчиком, Эйнштейн глубоко задумывался над фундаментальными законами природы. Позже он вспоминал о двух крупнейших "чуда" своего детства: о компас, отец показал ему - тогда четыре или пятилетнего мальчика, и о книге с евклидовой геометрии, которую он прочитал в двенадцатилетнему возрасте. Эти два "чуда" символические для деятельности Эйнштейна: компас - символ физической геометрии, структуры этого "огромного мира" вне нас, который мы никогда не сможем узнать абсолютно точно; книга - символ чистой геометрии, структуры, которая является абсолютно правильной, но не отражает полностью настоящего мира. Уже в шестнадцать лет Эйнштейн имел, главным образом благодаря собственным усилиям, основательные знания по математике, включая аналитическую геометрию и дифференциальное и интегральное исчисление.

Когда Эйнштейн работал в Швейцарском патентном бюро, то много читал и думал о запутанных проблем, связанных со светом и движением. Его специальная теория относительности была блестящей попыткой объяснить множество непонятных экспериментов, среди которых опыт Майкельсона-Морли был самым впечатляющим и известным. Следует отметить, что было много других экспериментов; следовательно, положение теории электромагнитных явлений сложилось крайне неудовлетворительное. Даже опыт Майкельсона-Морли и не был никогда поставлен ,, специальная теория относительности все равно была бы сформулирована. Позже Эйнштейн сам говорил о том незначительную роль, что сыграл этот эксперимент в его рассуждениях. Конечно, если бы Майкельсон и Морли зарегистрировали эфирный ветер, специальная теория была бы отвергнута с самого начала. Но отрицательный результат их опыта был только одним из многих фактов, приведших Эйнштейна его теории.

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы