Татьяна Тихоплав - Физика веры

Таким образом, в зависимости от разности хода лучей освещенность в точке их встречи будет меняться. Зная длину волны света (от 0,4 микрона до 0,7), можно рассчитать, какую величину изменения скорости света можно измерить. Расчеты показали, что можно сделать установку, позволяющую определить изменение скорости света на одну стомиллионную долю, что даже лучше, чем требуется.

Такую установку впервые изготовил, а затем осуществил на ней уникальный опыт в 1851 году известный французский физик А. И. Физо.

В установке Физо луч от источника света с помощью полупрозрачной пластины разделялся на два луча, один из которых, отражаясь от зеркала, проходил через текущую воду по направлению ее движения, а второй — против движения. Скорость движения воды изменялась от 0 до 7 м/с. Оба луча направлялись далее в интерферометр, где наблюдалась интерференционная картина. По смещению интерференционных полос определялась разность времени прохождения лучей света в движущейся воде (по течению и против течения, 18, с, 818).

Результаты опыта оказались неожиданными: сложение скорости света в воде со скоростью движения воды не соответствовало требованию классической физики:

W = V + U.

Опыт показал, что сложение скоростей происходит по соотношению

W= U + V(1 -1/n),

где n — показатель преломления воды; n = 1,33.

Многократно проверенный опыт давал все время один и тот же результат. Он показывал, что скорость света не подчиняется правилу сложения скоростей. Напрашивался вывод, что классическая физика при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, неверна.

Чтобы спасти классическую физику, ученые приняли гипотезу о движении света в эфире, находящемся между частицами воды и воздуха. Если предположить, что эфир не увлекается частицами вещества при их движении или увлекается частично в зависимости от величины показателя преломления, то становится понятным объяснение опыта Физо с позиций классической физики: скорость движения частиц вещества не передается полностью находящемуся между частицами эфиру и поэтому не складывается со скоростью света в эфире в соответствии с правилом сложения скоростей, и для среды с показателем преломления, близким к единице, эфир остается неподвижным.

Таким образом была принята гипотеза существования неподвижного мирового эфира, согласно которой все тела Вселенной движутся в неподвижном мировом эфире. Такая гипотеза объясняла опыт Физо и спасала классическую физику.

Забегая вперед, укажем допущенную этой гипотезой роковую ошибку. Опыт Физо, проводившийся на Земле, свидетельствует о том, что движущееся на Земле вещество не увлекает околоземной эфир. Достаточно было предположить, что только околоземный эфир неподвижен относительно Земли, а не выдвигать гипотезу о неподвижности всего мирового эфира.

Но поскольку гипотеза была принята, перед учеными возник вопрос о ее экспериментальном подтверждении, Известно, что Земля в своем движении вокруг Солнца имеет скорость V = 30 км/с- Поэтому, если поставить опыт по обнаружению этой скорости движения Земли в мировом неподвижном эфире, то тем самым можно будет подтвердить справедливость гипотезы. Технически такой опыт осуществить трудно, и лишь спустя 30 лет после опыта Физо, то есть в 1881 году, впервые этот уникальный опыт был осуществлен американским ученым А. Майкельсоном.

2.1.3. Опыт Майкельсона

Опыт Майкельсона — величайший из всех отрицательных, опытов в истории науки.

Ученые рассчитывали на то, что исключительно высокая скорость света в сочетании с необычайной миниатюрностью его носителя — фотонов позволит уловить ничтожное влияние заполняющего все пространство эфира. Приняв неподвижный и невесомый эфир за реальную сущность, ученые полагали, что скорость Земли относительно этой субстанции можно определить следующим образом. Поскольку Земля движется в пространстве, на что указывает ее вращение вокруг Солнца, постольку она перемещается в эфире. Если находящийся на Земле наблюдатель сумет измерить скорость луча света, движущегося в направлений, совпадающем с направлением движения Земли (по течению в эфире), а также скорость встречного луча света (против течения в эфире), то он легко сможет убедиться в различии этих скоростей.

Хитроумно приспособив для такого рода измерений высокочувствительный интерферометр, американский физик А. Майкельсон произвел свой знаменитый опыт, на основании которого рассчитывал получить различие скоростей в виде интерференционной картины. Каково же было удивление, когда никакого наложения оптических волн в зрительной трубе не получилось! Оказалось, что фотонам совершенно безразлично, куда лететь — по течению, против течения или же куда-то вбок (21,с.27).

Вывод напрашивался один: движения Земли через эфир нет, а, следовательно, гипотеза неподвижного мирового эфира, на которую классическая физика возлагала большие надежды, неверна.

Для спасения гипотезы неподвижного мирового эфира голландский ученый Лоренц (одновременно с американским ученым Фицджеральдом) предложил гипотезу сокращения размеров тела в направлении движения, Достаточно было предположить, что предметы, двигающиеся против течения эфира, изменяют свои размеры, сокращаются по мере приближения их скорости к скорости света. Считается, что в опыте Майкельсона действительно происходит "лоренцево” сокращение размеров тел, что, якобы, является экспериментальным подтверждением преобразований Лоренца, из которых математически следует это сокращение (20, с. 35).

Правда, Гендрика Лоренца с его высокой научной щепетильностью очень смущало, что его идея была придумана, как принято говорить, по случаю, специально для объяснения конкретного эксперимента. Он писал: “Подобному введению особых гипотез для каждого нового опыта присуща... некоторая искусственностью (69, с. 53). Иными словами, Лоренц ощущал разрыв между своей гипотезой и построениями всей предыдущей физики. А гипотезу все-таки выдвинул! Причем, как оказалось, она верно описывала факты, но неверно их объясняла.

Из преобразований Лоренца была получена также основная черта релятивистской кинематики — независимость скорости света от движения источника (18, с. 510).

Последствия эксперимента Майкельсона оказались судьбоносными практически для всех научных идей XX века.

2.1.4. Изгнание эфира

Но история наука не ограничивается перечислением успешных, исследований. Она должна сказать нам и о безуспешных исследованиях и объяснить, почему некоторые из самых способных людей не смогли найти ключа знания и как репутация других дала лишь большую опору ошибкам, в которые они впали.

Для дальнейшего развития теоретической физики нужна была теория, которая могла бы разрешить очередной сложившийся кризис. Долгое время попытки ученых в этом вопросе были тщетны, И лишь спустя почти четверть века после первого опыта Майкельсона выход из создавшегося положения в 1905 году предложил молодой Альберт Эйнштейн, опубликовав свою первую работу по теории относительности “К электродинамике движущихся тел”.

Анализируя результаты опытов Физо и Майкельсона, Эйнштейн в своей работе приходит к выводу, что следует отказаться от введения понятия эфира, так как предположение о том, что эфир покоится одновременно в двух системах (в системе, связанной с Землей, в опыте Майкельсона и в неподвижной системе в опыте Физо), является абсурдным.

В свое время опыт Физо был объяснен наличием мирового неподвижного эфира, в котором движутся все тела. Опыт Майкельсона опроверг эту гипотезу: скорость света относительна Земли всегда имела одно и то же значение независимо от того. движется ли Земля в направлении движения луча света или навстречу лучу. Это можно было бы объяснить движением Земли вместе с околоземным эфиром, в котором распространяется луч света- О возможности такого объяснения говорит и Эйнштейн, но тогда становится непонятным опыт Физо, показавший, что тело не движется вместе с эфиром.

Как было установлено наукой много позднее, перемещающееся на Земле тело в опыте Физо действительно не движется вместе с эфиром внутри тела, так как этот эфир удерживается силой гравитации Земли.

Однако Эйнштейн приходит к отказу от эфира не только на основании анализа опытов Физо и Майкельсона, но и в результате анализа всей истории развития физики, показанной в великолепно написанной книге “Эволюция физики”.

Не найдя механического объяснения эфира, Эйнштейн выносит смертельный приговор эфиру: “Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем” (20,с. 34).