Гипотеза сопротивления эфира

редактировать

В XIX веке теория светоносного эфира как гипотетической среды О распространении света много говорилось. Важной частью этой дискуссии был вопрос о состоянии движения Земли относительно этой среды. Гипотеза сопротивления эфира связана с вопросом о том, увлекается ли светоносный эфир движущейся материей или нет. Согласно первому варианту между Землей и эфиром не существует относительного движения; согласно второму, существует относительное движение, и поэтому скорость света должна зависеть от скорости этого движения ("эфирного ветра"), которая должна измеряться приборами, находящимися в покое на поверхности Земли. Конкретные модели эфира были изобретены Огюстен-Жаном Френелем, который в 1818 году предположил, что эфир частично увлекается материей. Другой был предложен Джорджем Стоуксом в 1845 году, в котором эфир полностью увлекается внутри или вблизи материи.

В то время как почти стационарная теория Френеля была явно подтверждена экспериментом Физо (1851), теория Стокса, очевидно, была подтверждена экспериментом Майкельсона – Морли (1881, 1887).). Эта противоречивая ситуация была разрешена в работах Хендрика Антуна Лоренца (1895, 1904), которого теория эфира Лоренца исключила любые формы увлечения эфира, и, наконец, в работах Альберта. Эйнштейн (1905), чья теория специальной теории относительности вообще не рассматривает эфир как механическую среду.

Содержание

1 Частичное перетаскивание эфира
- 1.1 Проблемы частичного перетаскивания эфира
2 Полное перетаскивание эфира
- 2.1 Проблемы полного перетаскивания эфира
- 2.2 Ответы Стокса на эти проблемы
- 2.3 Гравитационное сопротивление эфира
3 Лоренц и Эйнштейн
4 Гипотеза об эфире Алле
5 Резюме
6 См. Также
7 Библиография и ссылки
8 Внешние ссылки

Частичное перетаскивание эфира

В 1810 году Франсуа Араго понял, что вариации показателя преломления вещества, предсказываемые корпускулярной теорией, могут обеспечить полезный метод измерения скорости света. Эти предсказания возникли из-за того, что показатель преломления такого вещества, как стекло, зависит от соотношения скоростей света в воздухе и в стекле. Араго попытался измерить степень, до которой частицы света будут преломляться стеклянной призмой на передней панели телескопа. Он ожидал, что будет диапазон разных углов преломления из-за разнообразия различных скоростей звезд и движения Земли в разное время дня и года. Вопреки этому ожиданию он обнаружил, что не было никакой разницы в преломлении между звездами, между временем суток и временами года. Все, что наблюдал Араго, было обыкновенной 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 изменяться, поскольку стекло двигалось в эфире, ударяя приходящие волны с разными скоростями при вращении Земли и смене времен года. Френель предположил, что стеклянная призма будет уносить с собой часть эфира, так что «… эфир находится в избытке внутри призмы». Он понял, что скорость распространения волн зависит от плотности среды, поэтому предположил, что скорость света в призме необходимо регулировать с помощью некоторого «сопротивления». Скорость света $vn {\ displaystyle v_ {n}}$ $v_ {n}$ в стекле без какой-либо корректировки определяется следующим образом:

vn = cn {\ displaystyle v_ {n} = {\ frac { c} {n}}}

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

Регулировка сопротивления $vd {\ displaystyle v_ {d}}$ $v_{d}$ определяется по формуле:

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

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

где $ρ e {\ displaystyle \ rho _ {e}}$ $\ rho _ {e}$ - плотность эфира в окружающей среде, $ρ g {\ displaystyle \ rho _ {g}}$ $\ rho _ {g}$ - плотность эфира в стекле и $v {\ displaystyle v}$ $v$ - скорость призмы относительно эфира.

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

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

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

Это исправление удалось объяснить нулевой результат эксперимента Араго. Он вводит концепцию в основном неподвижного эфира, который увлекается такими веществами, как стекло, но не воздухом. Его успех благоприятствовал волновой теории света по сравнению с предыдущей корпускулярной теорией.

Проблемы частичного увлечения эфира

Коэффициент увлечения Френеля был напрямую подтвержден экспериментом Физо и его повторениями. В общем, с помощью этого коэффициента можно объяснить отрицательный результат всех экспериментов по оптическому дрейфу эфира, достаточно чувствительных для обнаружения эффектов первого порядка (таких как эксперименты Араго, Физо, Хука, Эйри, Маскарта ).. Идея (почти) стационарного эфира также согласуется с 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 различной для света разного цвета, что, очевидно, Не тот случай.
Теория (почти) неподвижного эфира Френеля предсказывает положительные результаты экспериментами, 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 Hammar, проведенном Густавом Вильгельмом Хаммаром в 1935 году, использовался интерферометр с общим ходом. Массивные свинцовые блоки были установлены по обе стороны только одной ножки интерферометра. Такое расположение должно вызывать разное сопротивление эфира и, следовательно, давать положительный результат. Однако результат снова был отрицательным.

Полное перетаскивание эфира

Для Джорджа Стоукса (1845) модель эфира, на который полностью или частично не влияет движущаяся материя, была неестественной. и неубедительно, поэтому он предположил, что эфир полностью увлекается внутри и вблизи материи, частично увлекается на большие расстояния и остается неподвижным 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 перемещаются 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 перетягивание эфира может объяснить отрицательный результат всех экспериментов с дрейфом эфира (таких как эксперимент Майкельсона-Морли). Однако эта теория считается ошибочной по следующим причинам:

эксперимент Физо (1851 г.) показал лишь частичное увлечение света.
эффект Саньяка показывает, что два луча света, исходящие от одного и того же источника света в разных направлениях на вращающейся платформе, требуют разного времени, чтобы вернуться к источнику света. Однако, если эфир полностью увлекается платформой, этого эффекта не должно происходить вообще.
Оливер Лодж проводил эксперименты в 1890-х годах, пытаясь доказать, что на распространение света влияет нахождение в непосредственной близости от больших вращающихся масс, и не обнаружил такого влияния.

Полное увлечение эфиром несовместимо с феноменом звездной аберрации. На этой иллюстрации представьте, что звезды бесконечно далеки. Аберрация возникает, когда скорость наблюдателя имеет компонент, перпендикулярный линии, по которой проходит свет, падающий от звезды. Как видно на анимации слева, телескоп необходимо наклонить, чтобы звезда появилась в центре окуляра. Как видно на анимации справа, если эфир волочится вблизи Земли, то телескоп необходимо направить прямо на звезду, чтобы звезда появилась в центре окуляра.

Это несовместимо с явление звездной аберрации. При звездной аберрации положение звезды при просмотре в телескоп меняет каждую сторону от центрального положения примерно на 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Эта величина поворота - величина, ожидаемая при рассмотрении скорости движения Земли по своей орбите. В 1871 году Эйри продемонстрировал, что звездная аберрация возникает даже тогда, когда телескоп заполнен водой. Кажется, что если бы гипотеза сопротивления эфира была верной, то звездной аберрации не было бы, потому что свет перемещался бы в эфире, который двигался бы вместе с телескопом. Представьте ведро в поезде, которое собирается въехать в туннель, и капля воды капает из входа в туннель в ведро в самом центре. Капля не попадает в центр дна ведра. Ковш аналогичен трубе телескопа, капля - фотон, а поезд - земля. Если тянуть эфир, то капля будет перемещаться вместе с поездом, когда она будет сброшена, и ударится по центру ведра внизу. Величина звездной аберрации, $α {\ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ , определяется как

tan tan (α) = v δ t c δ t. {\ displaystyle \ tan (\ alpha) = {\ frac {v \ delta t} {c \ delta t}}.}

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

Итак:

tan ⁡ (α) = vc {\ displaystyle \ tan (\ alpha) = {\ frac {v} {c}}}

\ tan (\ alpha) = {\ frac {v} {c}}

Скорость, с которой Земля обращается вокруг Солнца, v = 30 км / с, а скорость света c = 299 792 458 м / с что дает

α {\ displaystyle \ alpha}

\ alpha

= 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Наблюдается такая величина аберрации, и это противоречит полной гипотезе сопротивления эфира.

Ответ Стокса на эти проблемы

Стокс уже в 1845 году 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 дало бы, в связи с его конкретной моделью сопротивления эфира, правильный закон аберрации. Чтобы воспроизвести коэффициент увлечения Френеля (и, следовательно, для объяснения эксперимента Физо), он утверждал, что эфир полностью увлекается в среде - то есть эфир конденсируется, когда входит в среду, и разряжается, когда снова выходит из нее, что изменяет скорость движения.

Хотя теория аберрации Стокса считалась жизнеспособной в течение некоторого времени, от нее пришлось отказаться, поскольку в 1886 году Лоренц утверждал, что когда теория аберрации эфир несжимаем, как в теории Стокса, и если эфир имеет такую же нормальную составляющую скорости, что и Земля, у него не будет 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 увлечение эфира пропорционально гравитационной массе. То есть эфир полностью увлекается землей и лишь частично увлекается более мелкими объектами на Земле. И чтобы спасти объяснение Стокса аберрации, Макс Планк (1899) утверждал в письме к Лоренцу, что эфир может быть не несжимаемым, а сконденсированным гравитацией вблизи Земли, и это дало бы условия необходим для теории Стокса («теория Стокса-Планка»). По сравнению с экспериментами, описанными выше, эта модель может объяснить положительные результаты экспериментов Физо и Саньяка, потому что небольшая масса этих инструментов может только частично (или не увлекать) 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). Большим отличием этого эксперимента от обычных экспериментов Саньяка является тот факт, что измерялось само вращение Земли. Если эфир полностью увлекается гравитационным полем Земли, следует ожидать отрицательного результата, но результат был положительным.

А с теоретической точки зрения это было отмечено Хендриком Антуном Лоренцем, что гипотеза Стокса-Планка требует, чтобы на скорость света не влияло увеличение плотности эфира в 50 000 раз. Таким образом, Лоренц и сам Планк отвергли эту гипотезу как маловероятную.

Лоренц и Эйнштейн

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

. Однако накопление гипотез для спасения концепции стационарного эфира считалось очень искусственным. Таким образом, это был Альберт Эйнштейн (1905), который признал, что требуется только принять принцип относительности и постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета ссылка, чтобы развить теорию специальной теории относительности и получить 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 из сложения скорости теорема без эфира. Если $V {\ displaystyle V}$ $V$ - это скорость света относительно аппарата Физо, а $U {\ displaystyle U}$ $U$ - это скорость света относительно вода, а $v {\ displaystyle v}$ $v$ - скорость воды:

U = cn {\ displaystyle U = {\ frac {c} {n}}}

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

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

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

которое, если v / c мало, может быть расширено с помощью биномиальное расширение станет следующим:

V ≈ cn + v (1–1 n 2) {\ displaystyle V \ приблизительно {\ frac {c} {n}} + v \ left (1 - {\ frac {1} {n ^ {2}}} \ right)}

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

Это идентично уравнению Френеля.

Гипотеза эфира Алле

Морис Алле предложил в 1959 году гипотезу эфира, предполагающую скорость ветра около 8 км / с, что намного ниже стандартного значения 30 км / с, поддерживаемого учеными девятнадцатого века, и совместимо с экспериментами Майкельсона – Морли и Дейтона Миллера, а также с его собственными экспериментами, касающимися спорный эффект Алле u nПредсказуемо общей теорией относительности. Несмотря на отстаивание необходимости другой теории гравитации, его гипотеза не получила значительной поддержки среди основных ученых.

Резюме

В современной физике (которая основана на теории относительности и квантовой механике ) эфир как «материальная субстанция» с "состоянием движения" уже не играет никакой роли. Таким образом, научное сообщество больше не считает вопросы, касающиеся возможного «сопротивления эфира», значимыми. Однако перетаскивание кадра, предсказанное общей теорией относительности, в которой вращающиеся массы искажают метрику пространства-времени, вызывая прецессию орбиты. ближайших частиц, действительно существует. Но этот эффект на порядки слабее любого «сопротивления эфира», обсуждаемого в этой статье.

См. Также

Библиография и ссылки

Викиучебники: Специальная теория относительности
Резник, Роберт, Основные концепции теории относительности и ранней квантовой теории, 1972, John Wiley and Sons Inc.

Внешние ссылки

Mathpages: Ошибка Стокса