Диплом / Ацюковский_Сборник_Эфирный_Ветер_2011_all

Ф.Г.Пис. 1930 г.

17. Ф.Г.Пис. Данные о движении эфира. 1930 г.

Ether drift data By F.G.Pease

Первоначальный эксперимент Майкельсона–Морли был прове- ден для выявления возможного движения относительно классиче- ского эфира. Результаты показали, что эфир переносится вместе с аппаратом.

Повторения этого эксперимента профессором Д. К. Миллером как будто продемонстрировали наличие относительного движения со скоростью от 5 до 10 км/с, изменяющегося со звездным време- нем.

Предметом экспериментов Майкельсона, Писа и Пирсона явля- лась проверка результатов Миллера чисто дифференциальным ме- тодом. Наблюдения были проведены в большой шлифовальной комнате оптической мастерской в обсерватории Маунт Вилсон в Пасадене в периоды, соответствующие максимальному и мини- мальному эффектам Миллера, а также, для контроля, в периоды между максимумом и минимумом.

Первый интерферометр 1926—1927 гг. был выполнен из обыч- ной конструкционной стали в форме креста, каждое плечо которого представляло собой прямоугольную коробчатую секцию, сквозь которую проходили лучи света. Рама была смонтирована горизон- тально сначала на шарикоподшипниковом основании, а затем на деревянном плоту, помещенном в баке со ртутью. Наблюдатель, находящийся над аппаратом, делал отсчеты десятых долей интер- ференционных линий. Были обнаружены большие температурные перепады, а кроме того, периодические погрешности, связанные с осью вращения.

Затем была создана подобная конструкция из стали с низким коэффициентом расширения, но из-за малого сечения металла не была достигнута необходимая жесткость. Для демпфирования виб- раций от примыкающей к обсерватории мастерской были предпри- няты попытки разместить аппаратуру на пневматических подуш- ках, на шарикоподшипниках, но эти попытки закончились неуда-

230

Глава 17. Данные о движении эфира

чей. Длина оптического пути в этих приборах составляла 55 футов (16 м). Они не дали доказательства существования эфирного ветра.

Рис. 17.1. Смонтированный интерферометр: 1 — микрометрический оку-

ляр: 2 — источник света; 3 — деревянные предохранители, установленные на по- лу; 4 — линза; 5 — камера с постоянной температурой; 6 — деревянное предохра- нительное кольцо, установленное на вращающемся столе; 7 — стальная конструк- ция, установленная на опорах вращающегося стола, окуляр и источник света; 8 — зеркала; 9 — основание; 10 — обшивка, центрирующая и защищающая плот; 11 — защитное кольцо; 12 — призма; 13 — плоскопараллельные стекла; 14 — угольники, установленные на опоре центрального пьедестала, поддерживающие внешнее защитное кольцо; 15 — плот; 16 — статор; 17 — ртуть; 18 — бак; 19 — пьедестал; 20 — ремень привода

В 1927–1928 гг. оптические части были смонтированы на чу- гунном основании шлифовальной машины весом 7000 фунтов (3175 кг), используемой для 100-дюймового зеркала (рис. 17.1). Основание покоилось на кольцеобразном металлическом плоту, помещенном в бак со ртутью. Кольцо из уголкового железа диа- метром 10 футов (3 м) было установлено на перекладинах, высту- пающих за обойму шарикоподшипника, которая располагалось в

231

Ф.Г.Пис. 1930 г.

центре под основанием, но нигде его не касалась. Затем кольцо и основание были соединены, образовав решетку, после того, как были тщательно отцентрированы. Небольшого дешевого двигателя было достаточно для приведения интерферометра в движение. Длина оптического пути опять составляла 55 футов. В центре ши- рокого основания была размещена решетчатая стальная рама и на верхнем ее конце был помещен источник света — обычная лампа накаливания — и наблюдательный телескоп. Зеркало в его основа- нии отражало свет в интерферометрическую систему. Оптический путь от воздушных потоков закрывали деревянные коробки. Ин- терферометр был помещен в деревянную камеру в шлифовальной комнате оптической мастерской. Наблюдатель, сидя в удобном кресле с подставками для удержания рук на раме вокруг вращаю- щейся башни, устанавливал микрометр на интерференционных ли- ниях. Использовались как светлые, так и темные полосы, а поло- жение наблюдателя менялось для исключения влияния наклонов при проведении отсчетов. Отсчеты выполнялись для положений С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, 3 и СЗ: прибор совершал один оборот в мину- ту.

Вначале интерферометр вращался в одном направлении и пока- зывал синусоидальную кривую большой амплитуды (рис. 17.2). Изменив направление движения на противоположное, получили подобную кривую, примерно той же амплитуды, но с обратными знаками. Помещая лампу на различных расстояниях от прибора и на различных азимутах, было установлено, что амплитуда легко могла быть увеличена и что форма синусоиды искажалась, но ам- плитуда не могла быть сокращена ни в малейшей степени. Было замечено, что очень гладкие кривые со стабильным сдвигом были получены в тихие туманные дни, а в дни, когда облака проходили мимо Солнца, отмечались переменный подъем и падение темпера- турного дрейфа. Из этих экспериментов было сделано заключение о том, что одни лишь температурные эффекты не были причиной синусоидальности кривой отсчетов.

Плот в ртути и резервуар были сделаны из стальных сварных листов и имели лишь приблизительно круглую форму; при враще- нии толщина ртути изменялась. Можно полагать, что основание прибора находится в более или менее сжатом состоянии, но если бы было больше времени для растекания ртути, то это сжатие было бы меньшим. Уменьшив частоту вращения в 6 раз до 1 об. за 6 мин,

232

Глава 17. Данные о движении эфира

немедленно уменьшили амплитуду, что дало практически одинако- вую кривую для обратного хода. В таблицах, приведенных ниже, сделанные при таких данных отсчеты обозначены как серия 1.

Рис. 17.2. Результаты испытаний интерферометра

Чугунный резервуар и желоб, обработанные с точностью до 1/1000 дюйма, заменили старые, более грубые установки, интерфе- рометр был размещен в камере ниже пола оптической мастерской. Оптическая система осталась прежней, за исключением длины оп- тического пути, которая была увеличена до 85 футов (26 м). Эти окончательные изменения снизили амплитуду вариаций наполови- ну и возможную погрешность серий с 0,0024 до 0,0014 полосы. Ин- терферометр постоянно вращался, и источник света был включен все время. Интерференционная картинка смещалась при повороте микрометрического винта на величину от 1/2 до 1 оборота на поло- су, в среднем на 8/10. Полосы постоянно оставались в поле зрения в течение многих дней, и время от времени они выверялись при помощи перемещения одного из зеркал. Отсчеты делались во время

233

Ф.Г.Пис. 1930 г.

5 оборотов прибора по часовой стрелке и 5 оборотов против часо- вой стрелки. Наблюдатели меняли свое положение таким образом, чтобы полностью переместиться вокруг телескопа. Эксперименты показали, что применение обращающей призмы для удержания по- лос в фиксированном положении преимуществ не создает.

Для удобства данные были сгруппированы в четыре серии на- блюдений. Серия 1 была выполнена одним Писом с прибором, рас- положенным над землей; серии II, III, IV были выполнены Писом и Пирсоном с помощью прибора, расположенного ниже уровня зем- ли. Серии I, II и III проводились при времени, соответствующем максимуму и минимуму миллеровского эффекта, соответственно в 5 ч. 30 мин. и 17 ч. 30 мин. звездного времени. Серия IV — в 11 ч. 30 мин. и в 23 ч. 30 мин. звездного времени — между максимумом и минимумом. Для серии I разность в амплитудах при допущении, что относительная скорость составляет 10 км/с согласно Миллеру, должна составить 0,021 полосы, для серий II и III эта разность со- ставит 0,035 полосы. Для серии IV разность составит 0. В табл. 1 приведены данные наблюдений и вероятные значения погрешно- стей для серий

Группа отсчетов состоит из 10 оборотов аппарата, 5 по часовой стрелке, 5 — против часовой стрелки, средние значения для группы берутся в качестве наблюденного значения. В табл. 2 представлены действительные разности для соседних серий наблюдений.

Таблица 1. Перечень наблюдений и вероятных погрешностей

Единица = 0,001 полосы.

234

Глава 17. Данные о движении эфира

Таблица 2. Разности в сериях.

Единица = 0,001 полосы.

В первой колонке табл. 2 даны комбинации серий; амплитуды при различной ориентации интерферометра приведены во второй, третьей, четвертой и пятой колонках; вероятная погрешность раз- ностей дана в шестой колонке, длина оптического пути приведена в седьмой колонке, а ожидаемая амплитуда по Миллеру — в послед- ней.

Для комбинации максимум — минимум разности не проявляют выраженной регулярности в знаках и имеют значения того же по- рядка, что и их вероятные погрешности.

Нейтральные серии, которые не должны проявлять какой-либо разности, дают значения тою же порядка, что и для максимума — минимума. Интерферометр теперь был установлен на полом осно- вании 100-дюймового телескопа на Маунт Вилсон, где он будет находиться при постоянной температуре. Непрерывная запись сдвига полос будет регистрироваться на пленке с движущимися кадрами в течение нескольких дней каждую неделю в продолжение года. Отметки азимута, направления вращения и время будут также регистрироваться автоматически.

Предполагается, что после того, как эти эксперименты будут проведены в закрытой камере 100-дюймового телескопа, они затем будут проведены на открытом воздухе. Поскольку этого нельзя сделать с нашим действующим аппаратом из-за ветра, изменений температуры ит.п., это может быть сделано в доме со стеклянными стенами, который будет оптически прозрачным. Второй экспери- мент, в котором будет использована более плотная среда в оптиче- ском пути, даст варианты методов эксперимента. Для дальнейшего изучения экспериментальных эффектов д-р Сен-Джон предложил неподвижно закрепить основание и оптические части и вращать резервуар со ртутью. Г-н Пирсон уверен, что некоторые преимуще- ства могут быть получены при периодических сдвигах емкости со

235

Ф.Г.Пис. 1930 г.

ртутью или даже при медленном ее вращении во время регулярных экспериментов.

Институт Карнеги, Вашингтон, обсерватория Маунт Вилсон, июль 1930.

Publications of the Astronomical Society of the Pacific. San Francisco, California, August, 1930. Vol. XLII N 248. P. 197—202.

236

Глава 18. Эксперимент по эфирному ветру …

18. Д.К.Миллер. Экс- перимент по эфирному ветру и определение

абсолютного движения Земли, 1933 г.

Дейтон Кларенс Миллер, Кейсовская школа прикладной науки.

Исторические 1878 –1881 гг

В обычно принятой теории свет рассматривается как волновое движение светоносного эфира, и это сделало необходимым опреде- ление основных свойств эфира, которые дают ему возможность передавать волны света и обеспечивать в целом оптические явле- ния. Теории эфира подразумевают тесную связь с теориями струк- туры вещества и находятся в числе наиболее фундаментальных во всей области физической науки. Предположительно эфир заполня- ет все пространство, даже то, которое занято материальными тела- ми, и еще он позволяет всем телам двигаться сквозь него совер- шенно свободно, это очевидно. Вопрос о том, каким образом эфир переносится такими телами, как Земля, вдоль направления их дви- жения, рассматривался наукой еще на ранней стадии развития вол- новой теории. Открытие аберрации света в 1728 г. было вскоре объявлено общепринятой корпускулярной теорией света. Эффект был определен как простое сложение скорости света со скоростью орбитального движения Земли. Френель предложил объяснение, которое было принято благосклонно, основанное на волновой тео- рии и предполагавшее, во-первых, что эфир покоится в свободном пространстве, а во-вторых, что «плотность эфира» различна в Раз-

237

Д.К.Миллер. 1933 г.

личном веществе и что скорость распространения света в любых веществах обратно пропорциональна квадрату плотности эфира. Эти две гипотезы дали полное и достаточное объяснение аберра- ции; вторая обсуждалась для того, чтобы проверить ее в экспери- ментах Физо, а также Майкельсона и Морли; первая гипотеза о том, что эфир неподвижен в пространстве, всегда вызывали сомне- ние.

Первое предложение метода измерения относительного движе- ния Земли и эфира с помощью оптического эксперимента было сделано Джеймсом Клерком Максвеллом в его статье «Эфир», ко- торая была опубликована в VIII томе 9 издания Британской энцик- лопедии в 1878 г. Предполагалось что эфир находится в покое, что световые волны распространяются в свободном эфире в некотором направлении и всегда с одинаковой скоростью по отношению к эфиру и что Земля в своем движении в пространстве свободно про- ходит сквозь эфир, не захватывая его. Эксперимент основывался на том соображении, что кажущаяся скорость света должна быть раз- лична в зависимости от того, переносится ли наблюдатель Землей вдоль линии распространения света или под прямым углом к этой линии. Таким образом, появляется возможность определить ско- рость относительного движения между движущейся Землей и не- подвижным эфиром, что должно наблюдаться как «эфирный ветер» или «эфирный дрейф». Орбитальное движение Земли имеет ско- рость 30 км/с, в то время как скорость света в десять тысяч раз больше и составляет 300.000 км/с. Если бы было возможно изме- рить прямое влияние орбитального движения Земли на кажущуюся скорость света, то скорость, измеренная вдоль линии движения, отличалась бы от скорости света, распространяемого под прямым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1/10.000. Это был бы «эф- фект первого порядка». Максвелл объяснил, что поскольку все практические методы требуют, чтобы свет распространялся от од- ного пункта к другому и возвращался назад к первому пункту, положительный эффект от движения Земли будет нейтрализован негативным эффектом от возвращения луча, однако благодаря движению наблюдателя во время перемещения света нейтрализа- ция не будет совершенно полной, и можно наблюдать «эффект вто- рого порядка», пропорциональный квадрату отношения скорости Земли к скорости света. Максвелл сделал в статье следующее за-

ключение: «Изменение во времени распространения света из-за

238

Глава 18. Эксперимент по эфирному ветру …

наличия относительной скорости эфира таково, что движение Земли по своей орбите создаст только одну стомиллионную долю полного времени распространения и поэтому будет совершенно

незаметно».

Покойный проф. Альберт А.Майкельсон принял максвеллов- ский вызов, и когда он находился в Берлинском университете в 1880–1881 гг., он придумал замечательный инструмент, повсемест- но известный как интерферометр Майкельсона, который был спе- циально приспособлен для экспериментов с эфирным ветром52. В интерферометре луч света буквально расщеплялся на два посереб- ренным полупрозрачным зеркалом, и оба луча могут быть пропу- щены под прямым углом друг к другу. В конце заданного пути ка- ждый луч отражается назад, и оба идут к тому месту, где они были разделены. Если два пути, лежащих под прямым углом, были опти- чески эквивалентны, воссоединенные лучи света согласованно сложат свои волны. Если, однако, пути света в интерферометре раз- личны по своим длинам или по оптическим свойствам среды, через которую свет пропускается, различие в фазе приведет к результату, который может наблюдаться как смещение «интерференционных

ния проводятся в долях длин волн света.

Майкельсон сам применил свой интерферометр для отыскания относительного движения Земли и эфира, как предлагал Максвелл. Александр Грэхэм Белл разработал конструкцию нового прибора

52A.A.Michelson // Phil.Mag. 1882. Vol.13. N 5. P. 236; Am.J.Sci. 1882. Vol. 3. P. 395; H.A.Lorentz//Astrophys.J. 1928. Vol.68.P.345;Thos.Preston. Theory of Light, 5th ed. 1928. Vol. 279. P.566; R.W.Wood // Physical Optics. 2nd ed. 1911. Vol.265. P.672.

239