Резюме
Известният експеримент “Michelson-Morley” е извършен, за да се определи промяната на скоростта на светлината, дължаща се на движението на Земята в орбитата ѝ около Слънцето. На базата на известната скорост на Земята (приблизително 30 km / s), очакванията на Микелсън са били, че изместването на интерферентните линии ще бъде различно през нощта и през деня (когато посоките на етерния вятър са противоположни), и ще съответства на направените изчисления. Резултатът обаче е бил неочакван – не е имало изместване. Проблемът има две причини. Първата е, че скоростта на светлината във вакуум остава винаги една и съща по време на пътуването на Земята около Слънцето, защото интензитетът на гравитационното поле на земната повърхност остава същата. Втората причина е неподходящият идеен проект, вграден в конструкцията на интерферометъра. Разликата в скоростта на светлината между двата светлинни лъча, движещи се в две противоположни посоки на едно и също рамо на интерферометъра, се компенсира напълно, ако се използва конструкцията на “двупосочен интерферометър”. Ето защо, разликата в скоростта на светлината в посока “изток-запад” и “запад-изток” (в отправната система свързана със земната повърхност), дължаща се на въртенето на Земята около своята ос, не може да бъде фиксирана (което обаче се потвърждава от всички експерименти анализирани по-горе) .
Теориите за светлината по онова време.
Исторически, през седемнадесети век са били предложени две съперничещи си теории за природата на светлината – вълновата теория и корпускулярната теория.
Холандският астроном Хюйгенс предлага вълнова теория за светлината – първата математическа теория за светлината. Известните механични вълни се разпространяват чрез материална среда (твърдо вещество, течност или газ) при скорост на вълната, която зависи от еластичните и инерционни свойства на тази среда. Два основни типа вълнообразно движение за механични вълни са известни: напречни вълни и надлъжни вълни. За Хюйгенс, светлината е надлъжна вълна (като звуковите вълни във въздуха) и се разпространява чрез среда, наречен „етер“. Етерът трябва да запълва цялото пространство , да е безтегловен и невидим (всъщност, като самото пространство).
През 1690 Нютон предлага корпускулярната теория на светлината. За него светлината се излъчва от източник като малки частици и този възглед е бил приеман повече от сто години.
Квантовата теория, предложена от Макс Планк през 1900 г., комбинира вълновата теория и корпускулярната теория на светлината и показва, че светлината понякога може да се държи като частица и понякога като вълна.
След разработването на теорията на Максуел за електромагнетизма, въпросите за скоростта на светлината и за средата поддържаща преноса на електромагнитни вълни, възникват отново. За Джеймс Кларк Максуел и за други учени от онова време, отговорът е базиран на предположението на Кристиан Хюйгенс, че светлината се разпространява в хипотетична среда запълваща пространството, наречена „луминофорен (светоносен) етер“. Тази среда се смятало за необходимост за разпространението на електромагнитното лъчение.
Вектори, скалари, векторна проекция и скаларна проекция.
„Вектор (евклидов вектор) във физиката е величина, която има както големина (размер, дължина), така и посока. Той се представя като стрелка, чиято дължина е пропорционална на големината (количеството). Векторът обаче няма позиция. Това означава, че векторът не се променя, ако се премести паралелно на себе си.“
„Скалар е величина, която има големина, но няма посока.“
Например, скоростта и ускорението са векторни величини (с големина и посока), докато времето, температурата, дължината и масата са скалари.
„Векторна проекция на вектор върху координатна ос (с посока) или върху друг ненулев вектор, е вектор, който е ортогоналната проекция на вектора върху права линия успоредна на оста (или на другия вектор).“
„Скаларната проекция на вектор е скалар, равен на дължината на векторната проекция върху оста или на друг ненулев вектор и е с отрицателен знак, ако проекцията има противоположна посока спрямо посоката на оста (или вектора). В декартови координати, компонентите на вектора са скаларните проекции върху координатните оси.“
С други думи, някои от скаларите във физиката имат две посоки, които съответстват на знаците „плюс“ и „минус“, докато векторът може да има безброй посоки.
Скаларната проекция на вектор върху друг вектор, може да се запише като 
, където θ е ъгълът между двата вектора.
На английски език, във физиката, най-често за скорост като вектор се използва думата “velocity”, а за скорост като скалар се употребява думата “speed”.
За да бъдем по-прецизни в този смисъл, ще използваме обозначението за вектор 
, когато имаме предвид скоростта освен с големина и с посока;
и ще използваме обозначението 
, когато говорим само за скаларната величина (големината) на вектора „скорост“.
7.1. За скоростта на светлината. Експериментите – очакванията и резултатите
Земята се върти около оста си, движи се в орбитата си около Слънцето, и заедно със Слънчевата система се движи около центъра на нашата галактика „Млечния път“.
Очакванията на учените в края на 19-ти век.
Според хипотезата за съществуването на „стационарен луминофорен (светоносен) етер“ – съществува невидимо вещество запълващо пространството, за което се смятало, че е необходимата среда за разпространение на електромагнитното лъчение (светлината). Очакванията на учените са били, че ако хипотезата е вярна, то векторът на скоростта на създадения „етерен вятър“ при движението на Земята във всеки момент трябва да бъде равен (но в обратна посока) на сумата на следните три вектора:
● 1) вектора на скоростта на движение на цялата Слънчева система, която се върти около центъра на нашата галактика с около 220 km/s (ако измерваме скоростта с помощта на единиците за време и дължина, определени на земната повърхност), плюс
● 2) вектора на скоростта на движението на Земята в орбитата си около Слънцето (което е приблизително 30 km/s), плюс
● 3) вектора на линейната скорост на повърхността на Земята в мястото на експеримента (поради въртенето на Земята около оста си). Линейната скорост на която и да е точка от земната повърхност на екваториалната линия е около 0,46 km/s, и е равна на нула в точките на пресичане на оста на въртене на Земята със земната повърхност, които са съответно географските северен и южен полюси.
Фигура 7.1 е илюстрация на очаквания „етерен вятър“ при движението на Земята през хипотетичната среда наречена „луминофорен/ светоносен етер“. На фигурата са изобразени Слънцето, Земята и земната орбита. Трите вида пунктирани линии изобразяват трите компонента на предполагаемия „етерен вятър“, които са с противоположни посоки на гореспоменатите три вектора. Изображението не съответства на реалните мащаби – радиусът на Слънцето е около 109 пъти по-голям от радиуса на Земята, а също и разликата между скоростите на въртене и движение на Земята и на скоростта на движение на Слънчевата система е много по-голяма от изобразените разлики.
Очакванията на учените са били, че сумарният „етерен вятър“ ще повлияе върху скоростта на светлинния лъч (ще я увеличи или ще я намали):
● от една страна, ако експериментът се провежда на фиксирано място на повърхността на въртящата се Земя, то „етерният вятър“, създаден при движението на Земята по орбитата си около Слънцето, би трябвало да има различна големина и посока във времето (например през нощта и през деня);
● от друга страна, експериментаторът може да насочи светлинния лъч в различни посоки. По този начин, влиянието на „етерния вятър“ върху скоростта на светлинния лъч ще бъде различно.
Можем да наречем векторната проекция на вектора на скоростта на „етерния вятър“ върху вектора на скоростта на светлинния лъч – „насрещен етерен вятър“ (виж по-долу фигура 7.2).
Следователно, според очакванията, измерената скорост на светлината би трябвало да е различна, в зависимост от посоката на светлинния лъч, и би трябвало да е различна през нощта и през деня, когато посоката на очаквания „насрещен етерен вятър“, причинен от движението на Земята по нейната орбита около Слънцето, е противоположна. Разликата в регистрираната скорост на светлината за различните сезони на годината (в различни точки на траекторията на Земята в орбитата ѝ около Слънцето), се очаквало да бъде индикация за скоростта на движението на Слънчевата система в стационарния луминофорен етер.
Така че, ако хипотезата за съществуването на „стационарен етер“ е вярна, то създаденият „етерен вятър“ при движението на Земята през стационарния етер, би трябвало да увеличи или намали скоростта на светлинния сноп (в зависимост от посоката и големината на „насрещния етерен вятър“).
Но сега нека разкрием „дефекта“ на фаталния за физиката на ХХ-ти век експеримент на Майкелсън-Морли, който експеримент продължава да се поддържа от съвременната физика.
7.2. Първият опит на Майкелсън
Алберт Майкелсън проектира конструкция, по-късно известна като „интерферометър на Майкелсън“, и прави своя първи експеримент през 1881 година, за да определи промяната на скоростта на светлината, дължаща се на движението на Земята по орбитата ѝ около Слънцето през „стационарния луминофорен (светоносен) етер“ (виж Fig. 7.1).
Очакванията на Майкелсън.
Очакванията на Майкелсън също са били, че ако съществува стационарен луминофорен етер, движението на Земята през етера ще доведе до въздействие на „етерния вятър“ върху скоростта на светлинен лъч (сноп). По-горе, векторната проекция на сумарния вектор „етерен вятър“ върху направлението на светлинния лъч бе обозначен като „насрещен етерен вятър“ (виж Fig. 7.2).
С други думи, Майкелсън също е очаквал, че скоростта на светлинния лъч да бъде различна:
● първо, в зависимост от посоката на светлинния лъч (сноп);
● второ, скоростта на светлинния сноп (в случай на фиксирана посока по отношение на земната повърхност), се очаквало да бъде различна през нощта и през деня, когато посоката на „насрещния етерен вятър“ предизвикан от движението на Земята в орбитата й около Слънцето, е противоположна по отношение на посоката на фиксиран светлинен лъч (виж по-долу Fig. 7.3).
На тази основа, Майкелсън прави своя първи опит през 1881 година с конструирания от него интерферометър – виж схемата на интерферометъра на Fig. 7.4 . Майкелсън използва монохроматичен (с прецизна честота) светлинен лъч, разцепен на два съгласувани (кохерентни) лъча (за да бъдат двата светлинни лъча съвършено еднакви), в две взаимно перпендикулярни посоки. Двата светлинни лъча се разпространяват по две взаимно перпендикулярни рамене, като всеки лъч се отразява в обратна посока от огледало. След обединяването отново на двата отразени лъча в мястото на разцепването, Майкелсън очаквал:
изместване на интерферентните линии, което да е в съответствие с очакваната разлика в скоростта на светлината в двете перпендикулярни посоки, предизвикана от „етерния вятър“ при движението на Земята по орбитата си около Слънцето.
Впоследствие, при експеримента „Майкелсън-Морли“, конструкцията е подобрена ‒ лъчите се отразяват многократно, но се използва отново същата концепция. А тя е използване на два лъча (единият отразен) по едно и също рамо, което означава, че всеки от тях изминава точно едно и също разстояние но в противоположни посоки – от разделителя на монохроматичния лъч до огледалото и обратно.
Това обаче означава, че ако скоростта на движещите се в противоположни посоки два лъча се променя, то промяната ще е противоположна, и разликата напълно ще се компенсира, защото пътят на двата лъча е перфектно еднакъв!
Така, въз основа на скоростта на Земята в орбитата й около Слънцето, която е приблизително 30 km/s, очакванията на Майкелсън са били, че изместването на интерферентните линии ще бъде различно през нощта и през деня и ще са съответстващи на направените изчисления.
Fig. 7.4 е схематично представяне на противоположните посоки на очаквания „етерен вятър“ през нощта и през деня, дължащ се на движението на Земята по траекторията около Слънцето.
Жълтите стрелки показват посоката на движение на повърхността на Земята, където е разположен интерферометърът. Съгласно представеното изображение, посоката на движение на повърхността през деня е в посока на хипотетичния „етерен вятър“, а през нощта – обратно на „етерния вятър“. Фигурата изобразява поглед над траекторията, при който Земята се движи по посока на часовниковата стрелка.
Бележка: Експериментите са били извършвани в кратък интервал от време (експериментът „Майкелсън-Морли“ е осъществен от 8 юли до 12 юли). Това означава, че Земята се е намирала в приблизително на едно и също място от траекторията си около Слънцето. Ето защо, разликата на скоростта на светлината породена от „етерния вятър“ в различни точки от траектория на Земята около Слънцето (което е индикация за скоростта на движение на Слънчевата система в Млечния път с около 220 км/сек. – виж Fig. 7.1), не е била калкулирана от Майкелсън.
Интерферометърът на Майкелсън
Проектираното от Майкелсън устройство за експеримента (интерферометър), илюстриран по-долу на Фигура 7.4, използва двупосочен път на разпространение на светлина от монохроматичен светлинен източник (с точна честота) върху две перпендикулярни рамена. Интерферометърът се състои от монохроматичен източник на светлина; полупосребрено огледало, разделящо монохроматичния лъч от източника по двете перпендикулярни рамена; две огледала (А и В), отразяващи кохерентните светлинни лъчи по всяко от раменете; и детектор, изобразяващ интерферентните линии след обединяването на двата светлинни лъча. Всички те са разположени хоризонтално (т.е. при еднакъв гравитационен потенциал).
Както беше посочено, очакваната промяна на посоката на „етерния вятър“ през деня и през нощта, спрямо фиксираните по посока рамене на интерферометъра спрямо земната повърхност, е трябвало да доведе до различна промяна между скоростите на двата светлинни лъча, което би трябвало да бъде регистрирано като различно изместване на интерферентните линии. Използвайки дължина на вълната от около 600 nm, Майкелсън очаквал, че ще има изместване на интерферентните линии от около 0,04 от разстоянието между интерферентните линии. Очакваната разлика в изместването на интерферентните линии през деня и през нощта е била търсена при различни направления на двете перпендикулярни рамена на интерферометъра.
Очакваното преместване на интерферентните линии обаче не е било установено.
Докладваните резултати от Майкелсън:
„Малките измествания от порядъка -0.004 до -0.015 са просто грешки при експеримента.“ (Michelson, 1881).
Изводът на Майкелсън е:
„Интерпретацията на тези резултати е, че няма преместване на интерферентните линии … Така резултатът за хипотезата за стационарен етер показва че е отрицателен, и следва, че хипотезата е неправилна.“ (Michelson, 1881).
6.3. Известният експеримент „Майкелсън-Морли“
Известният експеримент „Майкелсън-Морли“ е изпълнен през 1887 година. Алберт Майкелсън, със съдействието на Едуард Морли, конструира нов усъвършенстван интерферометър. Както при първия експеримент, подобреният интерферометър използва двупосочен път на разпространение на два светлинни лъча върху две перпендикулярни рамена. Но с помощта на множество огледала, дължината на пътя на двата светлинни лъча е вече около 10 пъти по-дълга. Светлината многократно се отразява напред-назад по раменете на интерферометъра, като дължината на пътеката е увеличена до 11 метра. Така, според изчисленията, е имало повече от достатъчно точност, за да се долови движението на Земята в хипотетичния етер. При дължината на пътеката от 11 метра очакваното преместване на интерферентните линии се е очаквало да е около 0,4 от разстоянието между интерферентните линии. За да се елиминират топлинните и вибрационни ефекти, апаратурата на интерферометъра на Майкелсън и Морли е сглобена върху голям блок от пясъчен камък (споена седиментна скала), с дебелина около един фут, който е поставен да плува в басейн с живак.
Резултатите
Резултатът от експеримента е бил изцяло неочакван и необясним – скоростта на Земята през хипотетичния етер се оказва практически нула по всяко време на деня или през нощта, по всяко време на годината в различни точки на орбитата на Земята. Докладваният резултат даден от Майкелсън е:
„Изглежда е справедливо да се заключи, че ако има някакво изместване поради относителното движение на земята и светлинния етер, това не може да бъде по-голямо от 0,01 от разстоянието между интерферентните линии.“ (Michelson & Morley, 1887).
6.4. Заключение
Както се оказва , при еднопосочно измерване на скоростта на светлина между две точки на една и съща географска ширина (виж анализа на експериментите):
● измерената скорост на светлината в посока „Запад-Изток“ в от-правната система свързана с повърхността на Земята е (c-V),
● измерената скорост на светлината в посока „Изток-Запад“ в от-правната система свързана с повърхността на Земята е (c+V),
, където c е скаларът „скорост на светлината във вакуум“, а V е линейната скорост на земната повърхност на съответната географска ширина.
С доказателствата, представени в разгледаните по-горе експерименти „еднопосочно измерване на скоростта на светлина“ и „Майкелсън-Гейл-Пиърсън“, категорично се установява влиянието на въртенето на Земята около оста си върху измерваната скорост на светлината. Те демонстрират с голяма точност валидността на трансформациите на Галилей (които са факт в нашата локална физическа реалност).
При експеримента „Майкелсън-Морли“, обаче, не може да се открие никакъв ефект върху скоростта на светлината в резултат на въртенето на Земята около оста си. Причината се крие в неподходящия концептуален дизайн, заложен в конструкцията на интерферометъра. Както беше обосновано при използването на „двупосочно измерване на скоростта на светлината“, промяната на скоростта на двата светлинни лъча за двете противоположни посоки за всяко рамо на интерферометъра в отправната система свързана с повърхността на Земята, напълно се компенсира! Ако резултантната скорост за светлинния лъч в посока „от полу-посребреното огледало до отразяващото огледало (било то А или В)“ е (c+V), то за светлинния лъч в обратна посока ще бъде точно (c-V), където с е скоростта на светлината във вакуум, а V е скаларната проекция на линейната скорост на въртене на земната повърхност върху рамото на интерферометъра (т.е. върху направлението на разпространение на светлинния лъч). Пътят на светлинния лъч в двете посоки за всяко рамо е точно еднакъв, а посоката и дължината на рамото са без значение, защото при каквато и да е стойността на V , то тази скорост напълно ще се компенсира. Така резултантната скорост (измерена за двете посоки на светлинния лъч в което и да е рамо), ще бъде винаги равна на с:
Това означава, че интерферентните линии никога няма да се изместят, защото скоростта на всеки светлинен лъч за двете посоки на съответното рамо винаги ще е точно равна на с, независимо от дължината на рамото, независимо от направлението на рамото!
Така че, при експериментите „еднопосочно измерване на скоростта на светлина“ и при „експеримента на Майкелсън-Гейл-Пиърсън“, промяна на скоростта на светлината в резултат на въртенето на Земята в отправната система свързана с повърхността на Земята се регистрира, но при използване на неподходящият концептуален дизайн на конструкцията на интерферометъра на Майкелсън – това е невъзможно!
Заключението е:
„Всъщност, дори „етерният вятър“ да съществува (причинен от движението на Земята през стационарен светоносен етер) ‒ то разликата в скоростта на светлината между двата светлинни лъча, движеща се в две противоположни посоки на едно и също рамо, е напълно компенсирана. Това е вярно за всяко рамо на интерферометъра и за всяка посока на рамото! С други думи, ако проекцията на скоростта на „етерния вятър“ по посока на един от светлинните лъчи е (+V), тогава проекцията на скоростта на „етерния вятър“ по посоката на отразения светлина лъч (пътуващ точно в обратна посока) ще бъде точно (-V).“ (Sharlanov, 2016).
През последните 100 години много варианти на експеримента „Майкелсън-Морли“ се провеждат от много учени от известни университети и институти по теория на относителността и космология, с нарастващо усъвършенстване и нарастваща точност. Резултатът обаче не може да бъде друг – разликата в скоростта на светлината между двата светлинни лъча, движеща се в две противоположни посоки на едно и също рамо, е напълно компенсирана, ако се използва конструкцията на двупосочен интерферометър.
Един пример за тази продължаваща и в днешно време заблуда е и публикацията във „Physical Review Letters“, и отразена във “Physics World” (списание на Института по физика / Institute of Physics) – виж „Michelson-Morley experiment is best yet“ от 14.09.2009: https://physicsworld.com/a/michelson-morley-experiment-is-best-yet/
Обобщение:
Експериментът “ Майкелсън-Морли“ е всъщност основната коренна причина, първопричината за заблудата, че „скоростта на светлината е една и съща за всички инерционни отправни системи“, която (както ще видим при анализа на статията на Айнщайн „За електродинамиката на движещи се тела“, представяща специалната теория на относителността), е сърцевината на специалната теория на относителността.
=> към страницата “ПРОБЛЕМИТЕ ВЪВ ФИЗИКАТА”