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.
Фигура 7.1. Движение Земли вокруг Солнца и предполагаемый «эфирный ветер»
Мы можем назвать векторную проекцию вектора скорости «эфирного ветра» на вектор скорости светового луча – «эфирного встречного ветра» (см. ниже Фигура 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.
Фигура 7.2. Ожидаемое влияние «эфирного встречного ветра» на скорость светового луча в вакууме
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
Альберт Майкельсон сконструировал экспериментальную конструкцию (впоследствии известную как «интерферометр Майкельсона») и провел свой первый опыт в 1881 г., чтобы определить изменение скорости света вследствие движения Земли по орбите вокруг Солнца через «неподвижный светоносный эфир» (см. Фигура 7.1).
Ожидания Майкельсона.
Ожидания Майкельсона также были таковы, что если «неподвижный светоносный эфир» существует, то движение Земли через эфир приведет к влиянию «эфирного ветра» на скорость светового луча. Выше мы назвали проекцию трехкомпонентной векторной суммы «эфирным ветром» в направлении светового луча: «эфирный встречный ветер» (см. Фигура 7.2).
Другими словами, Майкельсон ожидал, что скорость светового луча будет другой:
● во-первых, в зависимости от направления плеч, по которым распространяются лучи света;
● во-вторых, предполагалось, что скорость светового луча (в случае фиксированного направления по отношению к земной поверхности) будет разной ночью и днем, когда направление «эфирного встречного ветра», вызванного земной движение по своей орбите вокруг Солнца противоположно направлению неподвижного светового луча (см. ниже Фигура 7.3).
На этой основе в 1881 г. Майкельсон провел свой первый опыт с построенным им интерферометром – см. схему интерферометра ниже на Фигуре 7.4. Майкельсон использовал монохроматический луч света, разделенный (чтобы сделать два когерентных световых луча совершенно одинаковыми) на двух плечах в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Два световых луча распространяются по двум взаимно перпендикулярным плечам, каждый луч отражается зеркалом в противоположном направлении. Соединив два отраженных луча в месте разделения, Майкельсон рассчитывал установить:
смещение интерференционных линий, согласующееся с ожидаемой разницей скоростей двух световых лучей, вызванное «эфирным ветром» из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца.
В дальнейшем конструкция эксперимента «Майкельсон-Морли» была усовершенствована – световые лучи многократно отражаются, но снова используется та же идея – использование двух когерентных световых пучков в двух направлениях, от делителя монохроматического пучка к зеркалам и назад. Тот факт, что один и тот же луч используется в противоположных направлениях (один отраженный) на одном и том же плече (тот же путь), означает, что каждый из них проходит точно такое же расстояние — от монохроматического светоделителя до зеркала (прямой луч) и обратно (отраженный луч)… Это, однако, означает, что если скорость двух противоположных световых лучей, движущихся в противоположных направлениях, изменены «эфирным ветром», то изменение будет противоположным, и разница будет полностью компенсирована, потому что путь двух лучей (прямого и отраженного) абсолютно одинаковы!
Таким образом, исходя из скорости Земли по ее орбите вокруг Солнца, которая составляет примерно 30 км/с, результаты (ожидания Майкельсона) состояли в том, что смещение интерференционных полос в течение дня и ночью будет разным – и будет соответствовать произведенным расчетам.
Фигура 7.3. Схематическое изображение противоположных направлений ожидаемого «эфирного ветра» ночью и днем из-за движения Земли по ее траектории вокруг Солнца.
Желтые стрелки показывают направление движения земной поверхности, где находится интерферометр. Согласно представленному изображению направление движения поверхности днем находится в направлении гипотетического «эфирного ветра», а ночью – в противоположном направлении «эфирного ветра». На рисунке показана траектория, по которой Земля движется по часовой стрелке.
Примечание: Опыты проводились в короткий промежуток времени («опыт Майкельсона-Морли» проводился с 8 по 12 июля). Это означает, что Земля находилась примерно в одном и том же месте на своей траектории вокруг Солнца. Именно поэтому разница в скорости света из-за «эфирного ветра» в разных точках траектории Земли вокруг Солнца (что является показателем скорости движения Солнечной системы в Млечном Пути примерно с 220 км /с – см. Фигура 7.1), Майкельсон не рассчитывал…
Интерферометр Майкельсона
Экспериментальная конструкция (интерферометр, разработанный Майкельсоном), показанная ниже на рис. 7.4, использует двустороннее распространение светового луча (в прямом направлении и отраженном) точно по одному и тому же пути.
Фигура 7.4. Схема интерферометра Майкельсона
Интерферометр состоит из монохроматического источника света (с точной частотой); полу-посеребренное зеркало, разделяющее монохроматический пучок света от источника по двум взаимно перпендикулярным плечам; два зеркала (А и Б), отражающие когерентные световые лучи в противоположном направлении; и детектор, изображающий интерференционные полосы после воссоединения двух световых лучей. Все они расположены горизонтально (т.е. при одинаковом гравитационном потенциале).
Как было сказано, предсказанное изменение направления «эфирного ветра» днем и ночью по отношению к неподвижным плечам интерферометра к поверхности Земли должно было вызвать различное изменение скоростей двух световых лучей. , что должно было регистрироваться как разное смещение интерференционных полос. Используя длину волны около 600 нм, Майкельсон ожидал смещения мешающих полос, для чего он сделал точные расчеты. Ожидаемая разница в смещении интерференционных полос днем и ночью искалась в разных направлениях двух перпендикулярных плеч интерферометра.
Однако ожидаемое смещение интерференционных полос не установлено.
Результаты, о которых сообщил Майкельсон:
«Небольшие смещения -0,004 и -0,015 — это просто ошибки эксперимента». (Майкельсон, 1881 г.).
Вывод Майкельсона был следующим:
«Интерпретация этих результатов заключается в том, что нет смещения интерференционных полос… Таким образом, результат гипотезы о стационарном эфире оказывается неверным, и следует необходимый вывод, что гипотеза ошибочна». (Майкельсон, 1881 г.).
4. Известный «знаменитый» эксперимент Майкельсона-Морли.
Знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли был проведен в 1887 году. Альберт Майкельсон в сотрудничестве с Эдвардом Морли сконструировал новый улучшенный интерферометр. Как и в первом эксперименте, в улучшенном интерферометре использовались двусторонние пути двух световых лучей на двух перпендикулярных плечах. Но при использовании нескольких зеркал длина светового пути двух световых лучей была примерно в 10 раз больше. Свет неоднократно отражался назад и вперед вдоль плеч интерферометра, увеличивая общую длину светового пути каждого луча до 11 м. Таким образом, по замыслу, точности было более чем достаточно для обнаружения эфирно-гипотетического эффекта движения Земли. При длине пути 11 м ожидаемое смещение должно было составить около 0,4 расстояния между полосами. Чтобы устранить тепловые и вибрационные эффекты, интерферометрический аппарат Майкельсона и Морли был собран на вершине большого блока песчаника толщиной около фута, который затем был помещен в бассейне с ртутью.
Результаты.
Результат эксперимента оказался совершенно неожиданным и опять-таки необъяснимым – кажущаяся скорость Земли вокруг Солнца через гипотетический эфир была практически нулевой в любое время дня и ночи, во все времена года в разных точках земной орбиты. Сообщенные результаты были даны Майкельсоном:
«Кажется справедливым заключить, что если есть какое-то смещение из-за относительного движения Земли и светоносного эфира, то оно не может быть намного больше, чем 0,01 расстояния между полосами». (Michelson & Morley, 1887).
Хотя этот опыт повторен много раз с еще большей точностью, он дает тот же отрицательный результат.
5. Обсуждение
Согласно «Основам модели физической реальности во Вселенной» (глава 8 книги), скорость света в вакууме является локальной константой и зависит от напряженности гравитационного поля в пространственно-временной области. Скорость света в вакууме в области «на поверхности Земли» определяется силой земного притяжения и остается постоянной при движении Земли по орбите вокруг Солнца и вместе с Солнечной системой в Галактике, поскольку интенсивность гравитационного поля у поверхности Земли постоянна и определяется фактически силой земного притяжения.
Однако измеренная скорость света в разных системах отсчета отличается в локальной области «у поверхности Земли». Как оказалось (см. подстраницу), при одностороннем измерении скорости света между двумя точками на одной широте:
● измеренная скорость света в направлении «с запада на восток» в системе отсчета относительно поверхности Земли равна (c-V);
● измеренная скорость света в направлении «Восток-Запад» в системе отсчета относительно поверхности Земли равна (c+V);
, где c — местная постоянная «скорость света в вакууме», V — линейная скорость поверхности Земли на соответствующей широте.
Доказательства, представленные в вышеупомянутых экспериментах «Одностороннее измерение скорости света» и «Майкельсон-Гейл-Пирсон», четко устанавливают влияние вращения Земли вокруг своей оси на скорость света, измеряемую на поверхности Земли.. Они с большой точностью демонстрируют достоверность галилеевых преобразований (которые являются фактом в нашей локальной физической реальности).
В эксперименте «Михельсон-Морли», однако, никакого влияния на скорость света обнаружить не удается, в результате вращения Земли вокруг своей оси. Причина кроется в ненадлежащем концептуальном оформлении, заложенном в конструкцию интерферометра. Когда используется «двустороннее измерение скорости света», фактически измеряется средняя скорость двух световых пучков, распространяющихся в двух прямо противоположных направлениях по точно такому же пути. Поэтому изменение скорости двух световых пучков для двух противоположных направлений, для каждого плеча интерферометра, в системе отсчёта, относящейся к поверхности Земли, полностью компенсирует! Если результирующая скорость светового пучка в направлении “от полусеребряного зеркала к отражающему зеркалу (либо зеркало A, либо зеркало B) “является (c + V), то скорость светового луча в противоположном направлении будет точно (c-V), где c – скорость света в вакууме, а V – скалярная проекция линейной скорости поверхности Земли на плечо интерферометра (т.е. на направление распространения светового луча). Путь луча света в обоих направлениях для каждого плеча абсолютно одинаков, а направление и длина плеча не имеют значения, так как при любом значении V разница в скорости будет полностью компенсирована. Таким образом, результирующая скорость (измеренная для двух направлений светового луча в любом плече) всегда будет равна с:
Это означает, что интерференционные полосы никогда не будут смещены, потому что средняя скорость каждого светового луча для обоих направлений любого плеча всегда будет в точности равна c, независимо от длины плеча, независимо от направления плеча!
Так, в экспериментах «Одностороннее измерение скорости света» и «Майкельсон-Гейл-Пирсон» изменение скорости света в результате вращения Земли в системе отсчета, относящейся к поверхности Земли зарегистрировать можно, но в случае использования несоответствующей концептуальной схемы интерферометра Майкельсона («интерферометр, использующий двустороннее распространение световых лучей») – это невозможно!
Все очень просто (не так, как хотят корифеи теоретической физики), а вывод таков:
«На самом деле, если даже существует «эфирный ветер» (вызванный движением Земли через неподвижный светоносный эфир), то разница в скорости света между двумя световыми лучами, движущимися в двух противоположных направлениях по одному и тому же плечу, равна полностью компенсируется. Это верно для любой руки в любом направлении! Другими словами, если проекция скорости «эфирного ветра» в направлении одного из лучей света равна (+V), то проекция скорости «эфирного ветра» в направлении отраженного света луч (идущий в противоположном направлении) будет точно (-V)». (Sharlanov, 2016).
Поэтому плохо спланированный «эксперимент Майкельсона-Морли» можно классифицировать как огромное заблуждение, учитывая, что для физики это означает «более чем столетнее заблуждение».
За последние 100 лет слишком много вариантов эксперимента Михельсона – Морли было выполнено многими учеными из разных известных университетов и институтов относительности и космологии, с возрастающей изысканностью и с возрастающей точностью. Однако результат не может быть иным – разница в скорости света между двумя световыми пучками, движущимися в двух противоположных направлениях на одном и том же плече, полностью компенсируется, если используется конструкция «интерферометра, использующего двустороннее распространение световых пучков».
Примером этого продолжающегося и ныне заблуждения является также публикация в «Physical Review Letters» и сообщенная в «Physics World» (членский журнал Института физики, одного из крупнейших физических обществ в мире) – «Эксперимент Михельсона – Морли ещё лучше» от 14.09.2009:
https://physicsworld.com/a/michelson-morley-experiment-is-best-yet/.
6. Заключение
«Эксперимент Михельсона – Морли» на самом деле является основной первопричиной большого заблуждения о том, что «скорость света одинакова во всех инерционных кадрах отсчета», – что, (как показано в подстранице “Анализ статьи «О электродинамике движущихся тел»”), является ядром специальной теории относительности.
Этот анализ показывает, где именно и как было применено утверждение «скорость света одинакова во всех инерционных системах отсчета», и фактически раскрывает суть специальной теории относительности…
=> к вышестоящей веб-страницы : “ПРОБЛЕМА 1: Постоянство скорости света”