Диплом / Ацюковский_Сборник_Эфирный_Ветер_2011_all

А.А.Майкельсон, Генри Г.Гель, 1925 г.

жением источника, а центральная полоса длинного светового пути должна быть посредине между прямым и отраженным изображе- ниями, если нет влияния вращения Земли.

Чтобы скорректировать любое несовпадение двух рядов лучей, наблюдательный телескоп (6-дюймовый ахроматический объектив и 2-дюймовый микрометрический окуляр) был сфокусирован на изображениях источника (дуги или щели), и очевидное смещение центральной полосы длинного светового пу- ти по отношению к цен- тральной полосе для короткого светового пути было скорректиро- вано на расстояние, равное разности в ос- новном положении двух изображений для двух световых путей. Полосы наиболее удобно на- блюдались в перекры- вающихся конусах света на расстоянии одного дюйма снаружи или

Рис. 8.2. Детальная схема угловой коробки внутри фокальной плос- и крепления в ней зеркал кости.

Около половины определений было получено при помощи ду- ги, расположенной прямо перед окном в точке А, и около половины

— при помощи конденсирующей линзы, щели и компенсирующей линзы. Вторая компоновка дала гораздо больше света, чем первая, но в измеряемых смещениях не было очевидной разницы.

Смещение, вычисленное из допущения стационарного эфира, а также и в соответствии с относительностью, есть

δ = 4Aω sin Φ

λV

где δ — смещение полос; A — площадь, км2; Ф — широта (41°46’); V — скорость света; ω — угловая скорость вращения Земли; λ —

80

Глава 8. Влияние вращения Земли на скорость света (часть II).

эффективная длина волны света. Измерения были сделаны в лабо- ратории; сравнивались полосы, произведенные той же системой зеркал и той же самой 20–амперной дугой переменного тока, с по- лосами, произведенными натриевым светом от кусочка стекла в кислородно–водородном пламени. Свет от дуги был уменьшен при- мерно до той же яркости, что и во время эксперимента в Клиринге, в процессе его передачи через довольно узкую щель во вращаю- щемся диске. Среднее значение 10 определений дает

λ = 5700±50Å.

Смещение полос за счет вращения Земли было измерено раз- личными наблюдателями в разные дни с полной перенастройкой зеркал; отраженное изображение иногда находилось справа, а ино- гда – слева от передаваемого изображения. Отклонения усредня- лись обычно в сериях по 20 и в том же порядке, в котором они бы- ли получены. Результирующие средние значения приведены в таб- лице.

* Наблюдения 1 и 2 скорректированы только для прямого изображения, 1- 6 без коллиматора, 7-13 с коллиматором

81

А.А.Майкельсон, Генри Г.Гель, 1925 г.

Полный набор 269 отсчетов и их распределение около среднего значения показаны графически на рис. 8.3. Окончательное откло- нение, выраженное в долях интерференционной линии, составляет:

наблюдаемое: 0,230 ± 0,005; вычисленное: 0,236 ± 0,002.

Рис. 8.3. Распределение наблюдений

Учитывая трудности наблюдений, следует констатировать, что наблюдаемый и вычисленный сдвиги согласуются в пределах по- грешности наблюдений.

Этот эксперимент был успешно завершен в значительной сте- пени благодаря дружескому сотрудничеству руководителей город- ского совета Чикаго, полковника А.А.Спрэйга, председателя Ко- миссии по общественным работам; господина X.Л. Лукаса, руково- дителя отделения водопроводной службы и господина Б.У. Кулле- на, руководителя южного района того же отделения; благодаря лю- безности промышленного отдела Клиринга в лице Г.Х. Портера; благодаря помощи Чикагской телефонной компании и сердечной поддержке и готовности помочь университета.

Мы выражаем особую благодарность президенту Буртону, г-ну Дж.К. Динсморе, г-ну Л.Р. Флуку и г-дам Томасу О'Доннелу, Джо- зефу Парди и Чарльзу Штейну.

Физическая лаборатория Риерзон, Университет Чикаго, март

1925 г.

The Astrophysical J. April 1925. Vol. LXI. № 5. P. 140–145.

82

Глава 8. Влияние вращения Земли на скорость света (часть II).

Физическая лаборатория Риерзон, Университет Чикаго

А.Майкельсон в Чикагском университете http://bit.ly/eB9wXj

83

Д.К.Миллер, 1925 г.

9. Д.К.Миллер. Эфирный ветер.

Доклад, прочитанный в Вашингтонской академии наук (1925)

Дейтон Кларенс Миллер, Кейсовская Школа прикладных наук

Significance of the ether-drift experiments of 1925 at Mount Wilson. Dayton C.Miller

существование эфира прямым экспериментом. Наиболее важный из проектов подобных опытов предложен А.А.Майкельсоном в 1881 г. и основан на представлении о том, что эфир как целое находится в покое и что световые волны распространяются в свободном эфире во всех направлениях и всегда с одной и той же скоростью по от- ношению к эфиру. Допускалось также, что Земля при своем дви- жении вокруг Солнца свободно проходит сквозь эфир, причем по- следний остается совершенно неподвижным в пространстве. Опыт, предложенный Майкельсоном, должен был открыть относительное движение Земли и эфира, которое часто называют «эфирным вет-

ром» (ether drift).

Этот опыт основан на том предположении, что кажущаяся скорость света изменяется в зависимости от того, перемещается ли наблюдатель вместе с Землей по линии распространения света или

84

Эфирный ветер. Доклад в Вашингтонской академии наук

перпендикулярно этой линии. Скорость света равняется 300000 км/с, а скорость Земли составляет одну десятитысячную скорости света и равна 30 км/с. Если орбитальная скорость Земли в данном случае действует непосредственно, то обе кажущиеся скорости должны различаться на 30 км/с или на одну десятитысячную. Од- нако не существует методов измерения скорости света при таких простых условиях. Во всех методах необходимо, чтобы луч света проходил до удаленной точки и возвращался обратно в исходную точку, причем положительный эффект движения Земли, сказы- вающийся на луче, идущем вперед, должен был нейтрализоваться на луче, идущем обратно. Однако для движущегося наблюдателя было показано, что нейтрализация не будет полной, кажущаяся скорость луча, идущего в ту и другую сторону по направлению движения Земли, должна отличаться от кажущейся скорости луча, идущего перпендикулярно в ту или другую сторону, в том же на- правлении, что и квадрат скорости Земли к квадрату скорости све-

та, т.е. (0,0001)2 или 0,00000001.

Ничтожные разности скоростей, обусловленные эфирным вет- ром, можно обнаружить замечательным инструментом, так назы- ваемым интерферометром, придуманным Майкельсоном. В этом приборе пучок света расщепляется на два при помощи так назы- ваемого «полупосеребренного» зеркала, в котором слой серебра настолько тонок, что приблизительно половина пучка проходит сквозь него, а остальная половина отражается обычным способом. Таким образом, эти два пучка проходят в направлении, перпенди- кулярном друг к другу. На конце пути каждого из этих пучков име- ется по зеркалу, от которых они отражаются и возвращаются в ис- ходную точку. Если пути обоих пучков равны, т.е. если на них ук- ладывается одно и то же число световых волн, то, воссоединяясь, они находятся в одинаковых фазах. Если же один путь длиннее другого на полволны, то волны соединяются в противоположных фазах, так что вершина одной из них совпадает с углублением дру- гой. В результате получаются так называемые «интерференцион- ные полосы», наблюдение которых позволяет открыть незначи- тельные изменения в скорости света на том и другом пути.

В 1887 г. Майкельсон в сотрудничестве с Эдвардом В.Морли существенно улучшил метод и приборы и использовал интерферо- метр с целью открыть, производит ли движение Земли в эфире предсказываемые теорией влияния. К сожалению, мы не знаем, в

85

Д.К.Миллер, 1925 г.

каком абсолютном направлении движется Земля в пространстве, и поэтому невозможно установить интерферометр точно в этом на- правлении. Поэтому весь аппарат был установлен на фундаменте, который плавал в ртути, так что прибор можно было поворачивать во всех азимутах горизонтальной плоскости наблюдений. Враще- ние Земли около оси заставляет плоскость интерферометра дви- гаться по поверхности конуса, осью которого служит ось Земли, и таким образом придает прибору различную ориентировку. Наблю- дению же доступна только та компонента действительного «эфир- ного ветра», которая лежит в горизонтальной плоскости интерфе- рометра. Поэтому кажущийся азимут и величина эфирного ветра должны изменяться в зависимости от времени наблюдения. Ветер, перпендикулярный к плоскости интерферометра, не должен вооб- ще вызывать эффекта, вполне возможно, что такие условия осуще- ствляются в известные времена года.

Я не могу сейчас излагать детали деталей этого эксперимента. Наблюдения состояли в рассматривании при помощи телескопа системы интерференционных полос, образованных двумя пучками света. При вращении интерферометра вокруг оси эфирный ветер должен вызывать колебания всей системы полос, которые движут- ся сначала в одну сторону, потом в другую, причем так, что период этого колебания составляет половину времени обращения интер- ферометра вокруг его вертикальной оси. Для относительной скоро- сти движения Земли и эфира, равной орбитальной скорости Земли, т.е. 30 км/с, смещение в первоначальном опыте Майкельсона и Морли должно было составлять 0,4 полосы.

В ноябре 1887 г. Майкельсон и Морли опубликовали заключе- ния, выведенные из наблюдений, сделанных в июле этого года. Эти заключения они сформулировали следующим образом:

«... если учитывать только движение Земли по ее орбите..., то наблюдение показывает, что относительное движение Земли и эфира, вероятно, меньше одной шестой орбитальной скорости

Земли и, наверное, меньше одной четверти ее»

(т.е. меньше 7,5 км/с). Этот результат, который был истолкован многими как нулевой результат, или, как часто говорят, отрица- тельный результат, возбудил у многих серьезные сомнения в спра- ведливости гипотезы светового эфира. Однако в отчете Майкель- сона и Морли имеется важное «добавление», которое начинается следующим замечанием:

86

Эфирный ветер. Доклад в Вашингтонской академии наук

«... но не представляется невозможным, что даже на уме- ренной высоте над уровнем моря, например, на вершине отдель- но стоящей горы, относительное движение может быть ощу-

тимым для аппарата, подобного использованному в наших опы- тах».

На международном конгрессе физиков в Париже в 1900 году лорд Кельвин произнес речь, в которой он рассматривал теорию эфира. Он заметил, что «единственное облако на ясном небосклоне

теории есть нулевой результат опытов Майкельсона и Морли».

Морли и автор присутствовали на конгрессе, и при разговоре на конгрессе последний выразил уверенность, что опыт будет повто- рен с более чувствительными приборами. Автор в сотрудничестве с Морли построил интерферометр, приблизительно в 4 раза более чувствительный, чем прибор, использованный в первом опыте, причем длина пути в последнем приборе составляла 250 футов, и на ней укладывалось приблизительно 150.000.000 волн. В этом приборе относительная скорость Земли должна сказываться в сме- щении интерференционных полос на 1,5 полосы. Именно такой прибор и употреблялся все время с тех пор. Оптические части его были совершенно новые, и вообще из первоначальной аппаратуры не было использовано ничего, за исключением резервуара с ртутью и деревянного поплавка.

Подобный прибор с фундаментом, сделанным из деревянных брусьев, употреблялся в 1902 и 1903 гг., но изменения в деревян- ной раме вследствие вариации влажности и температуры делали точные измерения невозможными. Инженер проф. Нэф сконструи- ровал новую опорную раму, отличающуюся жесткостью и симмет- рией. Эта рама, или фундамент, была построена из стали и уста- новлена в подвальном помещении физической лаборатории Школы прикладных знаний в Кливленде; наблюдения с ней производились в 1904–1905 гг. Результаты этих наблюдений опубликованы в Philosophical Magazine зимой 1905 г. Эти результаты были сформу- лированы следующим образом:

...« Поэтому мы можем утверждать, что эфир вблизи аппа- рата не двигается вместе с ним; разность скоростей меньше 3,5 км/с, если только дефекты постановки опыта не аннулируют влияние увлечения. Некоторые думают, что этот опыт показыва- ет только, что эфир в некоторых подвальных помещениях не дви- гается вместе с ними. Мы хотим поэтому расположить аппарат

87

Д.К.Миллер, 1925 г.

на вершине, чтобы посмотреть, не может ли быть там обнару-

жен эффект».

Именно в это время вопросом заинтересовался Эйнштейн, ко- торый опубликовал в 1905 г. работу под названием «Электродина- мика движущихся тел». Эта работа была первой в длинном ряду статей Эйнштейна и других, которые развили современную теорию относительности. В упомянутой первой работе Эйнштейн выстав- ляет принцип постоянства скорости света, утверждая, что для на- блюдателя на движущейся Земле измеренная скорость света долж- на быть постоянна, независимо от направления и скорости движе- ния Земли. Главным физическим фундаментом теории относитель- ности является допущение, что опыты с эфирным ветром дали оп-

ределенный результат. Однако истолкование этого опыта для автора было неприемлемо (курсив мой — В.А.), и для разрешения вопроса были предприняты дальнейшие наблюдения.

Осенью 1905 г. Морли и Миллер перенесли интерферометр из подвального помещения лаборатории на Евклидовы высоты близ Кливленда, на высоту приблизительно 300 футов над озером Эри, в место, свободное от всяких преград и построек. Было проделано пять серий наблюдений (1905–1906 гг.), которые дали определен- ный положительный эффект, равный приблизительно 1/10 ожидае- мого ветра. Существовало подозрение, что это могло быть вызвано влиянием температуры, однако прямых указаний на это не было. Предполагалось проверить это подозрение после летних отпусков. Но интерферометр был установлен на земле, принадлежащей на- шему другу, в течение нашего отсутствия летом земля была прода- на, и новый владелец потребовал, чтобы интерферометр немедлен- но был убран.

Проф. Морли отстранился от активной работы в 1906 г., и про- должение экспериментов перешло в руки автора этих строк. Пред- ставлялось желательным, чтобы дальнейшие наблюдения были проведены на большой высоте, но многочисленные препятствия мешали продолжению работы. Опубликование результатов наблю- дений солнечного затмения в 1919 г., которое было истолковано как подтверждение теории относительности, вновь пробудило ин- терес к опытам с эфирным ветром. Щедрый друг ассигновал доста- точные материальные средства для покрытия значительных издер- жек, связанных с повторением опытов. Обсерватория на Маунт Вилсон вблизи Пасадены в Калифорнии на высоте 6000 футов

88

Эфирный ветер. Доклад в Вашингтонской академии наук

представлялась желательным местом для дальнейшей работы. Бла- годаря любезности м-ра Мерриама, президента Института Карнеги в Вашингтоне, и директоров обсерватории Гэля и Адамса, опыты были возобновлены автором в марте и апреле 1921 г. в обсервато- рии на Маунт Вилсон. Аппарат в существенном был тот же самый, какой использовался Морли и Миллером в 1904, 1905 и 1906 гг. Наблюдения также проводились в конце 1921 г. и вновь в 1924 и 1925 гг.

Всего на Маунт Вилсон было произведено около 5000 отдель- ных измерений эфирного ветра в различные часы дня и ночи. Эти наблюдения были сведены в 204 различных серии, причем каждая серия относилась к одному часу времени. Наблюдения были сдела- ны в четыре различных времени года:

•15 апреля 1921 г. — 117 серий наблюдений;

•8 декабря 1921 г. — 42 серии;

•5 сентября 1924 г. — 10 серий;

•1 апреля 1925 г. — 35 серий;

I. Самые первые наблюдения, проделанные в марте 1921 г., да- ли положительный эффект, соответствующий реальному эфирному ветру, как если бы он был обусловлен относительным движением Земли и эфира со скоростью около 10 км/с. Однако, прежде чем опубликовать этот результат, представлялось необходимым изу- чить все возможные причины, которые могли бы вызвать эффект, подобный эфирному ветру. Эти возможные причины могли бы сводиться к магнитным деформациям стальной рамы интерферо- метра и влияниям теплоты излучения. В целях полного устранения влияния теплоты излучения металлические части интерферометра были совершенно закрыты слоем пробки толщиной около одного дюйма. Пятьдесят серий наблюдений, сделанных при этих услови- ях, обнаружили периодическое смещение полос, совпадающее с прежними наблюдениями.

II. Летом 1921 г. стальная рама интерферометра была разобра- на. На место ее на ртутном поплавке был установлен бетонный фундамент, укрепленный латунными стержнями. Для оптических частей были сделаны новые подставки из алюминия или латуни. Таким образом, аппарат был совершенно не подвержен магнитным влияниям, а возможные влияния нагревания значительно уменьша- лись.

89