КОСМОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ – Physics.bg
Резюме
Знаменитый эксперимент «Майкельсон-Морли» был проведен для того, чтобы определить изменение скорости света из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца. Исходя из известной скорости Земли (приблизительно 30 км/с), Майкельсон ожидал, что смещение интерференционных полос будет различным ночью и днем (когда направления «эфирного ветра», вызванного движением Земли по орбите вокруг Солнца, противоположны), … и будут соответствовать произведенным расчетам. Однако результат оказался неожиданным – смещения зафиксировано не было. У проблемы две причины. Во-первых, скорость света в вакууме зависит от напряженности гравитационного поля. Напряженность гравитационного поля вблизи поверхности Земли определяется массой Земли и остается неизменной во время обращения Земли вокруг Солнца. Поэтому скорость электромагнитного излучения (света) остается постоянной во время путешествия Земли в космосе. Вторая причина – неправильный концептуальный замысел, заложенный в конструкцию используемого интерферометра. Разница в скорости света между двумя лучами света, движущимися в двух противоположных направлениях по одному и тому же плечу, полностью компенсируется, если используется «интерферометр двустороннего светового луча» (как интерферометр Майкельсона). Именно поэтому, существующая разница в скорости света, обусловленная вращением Земли вокруг своей оси в направлениях «Восток-Запад» и «Запад-Восток» (в системе отсчета, относящейся к поверхности Земли), не может быть установлено. Однако эта разница наблюдается в разобранных выше опытах – экспериментах «Одностороннее измерение скорости света» и эксперименте «Майкельсон-Гейл-Пирсон».
Содержание:
1.Введение
2.О теории света и скорости света. Эксперименты – ожидания и результаты
3.Первый эксперимент Майкельсона
4.Известный «знаменитый» эксперимент Майкельсона-Морли.
5.Обсуждение
6.Заключение
1. Введение, термины
Теории света того времени.
Исторически сложилось так, что в семнадцатом веке были предложены две соперничающие теории о природе света — волновая теория и корпускулярная теория.
Голландский астроном Гюйгенс предложил волновую теорию света — первую математическую теорию света. Известные механические волны распространяются через материальную среду (твердую, жидкую или газообразную) с волновой скоростью, зависящей от упругих и инерционных свойств этой среды. Были известны два основных типа волнового движения механических волн: поперечные волны и продольные волны. Для Гюйгенса свет представлял собой продольную волну (подобную звуковым волнам в воздухе) и распространяется через среду, называемую «эфиром» . Эфир должен заполнять все пространство и быть невесомым и невидимым (собственно, как и само пространство).
В 1690 году Ньютон предложил корпускулярную теорию света. Для него свет исходил от источника в виде мелких частиц, и эта точка зрения была принята более ста лет.
Квантовая теория, выдвинутая Максом Планком в 1900 году, объединила волновую теорию и теорию частиц и показала, что свет иногда может вести себя как частица, а иногда как волна.
После разработки макиавеллевской теории электромагнетизма, вновь встали вопросы о скорости света и о том, какая среда поддерживает передачу электромагнитных волн. Для Джеймса Клерка Максвелла и других ученых того времени ответ был основан на предположении Христиана Гюйгенса о том, что свет распространяется в гипотетической среде, называемой «светоносным эфиром» — веществом, заполняющим пространство, которое считалось необходимым в качестве среды распространения, для распространение электромагнитного излучения.
Векторы, скаляры, векторная проекция и скалярная проекция.
Вектор (евклидовый вектор) в физике — это величина, которая имеет как величину (размер, длину), так и направление. Он представлен в виде стрелки, длина которой пропорциональна величине величины. Однако вектор не имеет положения. Это означает, что вектор не изменится, если он будет двигаться параллельно самому себе.
Скаляр — это величина, которая имеет величину, но не направление, как «скорость света в вакууме».
Например, скорость и ускорение (с величиной и направлением) — векторные величины, а скорость (величина скорости), время, температура, длина и масса — скаляры. В английском языке в физике часто используется термин «velocity» для скорости, когда мы имеем в виду вектор с его направлением; и термин «speed» используется, когда мы имеем в виду только скалярную величину вектора скорости.
Векторная проекция вектора «А» на координатную ось или на ненулевой вектор «В» (также известный как компонент вектора «А» в направлении вектора «В») является ортогональным проекция «А» на прямую, параллельную «В» – Это вектор, параллельный «В».
Скалярная проекция вектора на координатную ось (с направлением) или на другой ненулевой вектор — это скаляр, равный длине ортогональной проекции вектора на ось, и со знаком минус, если проекция имеет противоположную направление относительно направления оси (или вектора). В декартовых координатах компоненты вектора являются скалярными проекциями на оси координат.
Другими словами, некоторые скаляры в физике имеют два направления, которым соответствуют знаки «плюс» и «минус», а вектор может иметь бесконечное количество направлений. Скалярную проекцию вектора на другой вектор можно записать как:
где θ — угол между двумя векторами.
Примечание. Чтобы быть более точным, мы будем использовать термин «скорость», когда будем иметь в виду вектор (с его направлением); и мы будем использовать термин «скорость в вакууме», когда будем иметь в виду скалярную величину |V| вектора.
2. О теории света и скорости света. Эксперименты – ожидания и результаты
Земля вращается вокруг своей оси, движется по своей орбите вокруг Солнца и вместе с Солнечной системой движется вокруг центра нашей галактики Млечный Путь.
Ожидания ученых конца 19 века.
Согласно гипотезе о существовании «неподвижного светоносного эфира», существует заполняющая пространство невидимая субстанция, которая считалась необходимой средой для распространения электромагнитного излучения (света). Ожидания ученых заключались в том, что если гипотеза «неподвижного эфира» верна, то вектор скорости создаваемого «эфирного ветра» при движении Земли в любой момент времени должен быть равен сумме (векторное сложение), но в направлении, противоположном следующим трем векторам:
1) вектор скорости движения всей Солнечной системы при ее вращении вокруг центра нашей Галактики со скоростью около 220 км/с (если измерять скорость с помощью единиц времени и длины, определенных на поверхности Земли); плюс
2) вектор скорости движения Земли по орбите вокруг Солнца (около 30 км/с); плюс
3) вектор линейной скорости поверхности Земли в месте проведения эксперимента (за счет вращения Земли вокруг своей оси). Мы знаем, что линейная скорость земной поверхности в любой точке на экваториальной линии примерно равна 0,46 км/с, но равна нулю в точках пересечения оси вращения с земной поверхностью, которые совпадают сo северный и южный полюса.
Рис. 7.1 иллюстрирует ожидаемый «эфирный ветер» при движении Земли через гипотетическую среду, называемую светоносным эфиром. На рисунке изображены Солнце, Земля и орбита Земли. Три типа пунктирных линий изображают три компонента предполагаемого «эфирного ветра», которые имеют противоположные направления по отношению к вышеупомянутым трем векторам. Цифра не соответствует масштабу (радиус Солнца примерно в 109 раз больше радиуса Земли, а разница между скоростями движения Земли и Солнечной системы гораздо больше.
Ожидания ученых заключались в том, что «эфирный ветер» повлияет на скорость светового луча (увеличит или уменьшит скорость света):
● С одной стороны, если эксперимент проводится в фиксированном месте на поверхности вращающейся Земли, то часть вектора «эфирного ветра», создаваемого движением Земли по орбите вокруг Солнца, должна имеют различную величину и направление во времени (например, ночью и днем).
● С другой стороны, экспериментатор может направлять луч света в разных направлениях. Таким образом, влияние обобщенного вектора эфирного ветра (сложения векторов) на скорость светового луча ожидалось разное. Таким образом, «эфирный ветер» будет по-разному влиять на скорость светового луча, так как скалярная проекция обобщенного вектора «эфирного ветра» на траекторию светового луча будет иной.
Мы можем назвать векторную проекцию вектора скорости «эфирного ветра» на вектор скорости светового луча – «эфирного встречного ветра» (см. ниже рис. 7.2).
Поэтому, согласно ожиданиям, результирующая скорость света будет разной, в зависимости от направления светового луча, и будет разной ночью и днем, когда направление «эфирного встречного ветра», вызванного движение Земли по своей орбите вокруг Солнца противоположно. Разница в скорости света для разных сезонов года (в различных точках траектории Земли по ее орбите вокруг Солнца), как ожидалось, должна была служить указанием на скорость движения Солнечной системы в неподвижном светоносном эфирe.
Итак, если гипотеза о существовании «неподвижного эфира» верна, то создаваемый «эфирный ветер» движением Земли через неподвижный эфир должен увеличивать или уменьшать скорость светового луча (в зависимости от направления и величины « эфирный встречный ветер»).
А теперь вскроем «недостаток» рокового для физики ХХ века эксперимента Майкельсона-Морли, ошибочное объяснение результата которого (о том, что скорость света постоянна для всех систем отсчета) продолжает поддерживаться современной физикой .
3.Первый эксперимент Майкельсона
Эта веб-страница находится на стадии разработки на русском языке.
(Web pages in Russian are under development)
Вы можете увидеть страницу “Analysis of the famous blunder “Michelson-Morley experiment”.
”
”.