Гипотеза увлечения эфиром

Ранняя попытка объяснить постоянную скорость света

В XIX веке широко обсуждалась теория светоносного эфира как гипотетической среды для распространения световых волн. Гипотеза эфира возникла потому, что физики той эпохи не могли представить себе распространение световых волн без физической среды, в которой это можно было бы сделать. Когда эксперименты не смогли обнаружить гипотетический светоносный эфир, физики придумали объяснения неудач экспериментов, которые сохранили существование гипотетического эфира.

Гипотеза увлечения эфиром предполагала, что светоносный эфир увлекается или вовлекается движущейся материей. Согласно одной из версий этой гипотезы, между Землей и эфиром не существует относительного движения. Согласно другой версии, Земля движется относительно эфира, и измеренная скорость света должна зависеть от скорости этого движения («эфирного ветра»), которая должна быть измерена приборами, покоящимися на поверхности Земли. В 1818 году Огюстен Жан Френель предположил, что эфир частично увлекается материей. В 1845 году Джордж Стокс предположил, что эфир полностью увлекается материей или находится вблизи нее.

Хотя почти стационарная теория Френеля была, по-видимому, подтверждена экспериментом Физо (1851), теория Стокса была, по-видимому, подтверждена экспериментом Майкельсона–Морли (1881, 1887). Хендрик Лоренц разрешил эту противоречивую ситуацию в своей собственной теории эфира , которая изгнала любую форму увлечения эфира. Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна ( 1905) исключает эфир как механическую среду. ^{[1] [2] [3]}

Частичное увлечение эфиром

В 1810 году Франсуа Араго понял, что изменения в показателе преломления вещества, предсказанные корпускулярной теорией, дадут полезный метод измерения скорости света. Эти предсказания возникли потому, что показатель преломления вещества, такого как стекло, зависит от соотношения скоростей света в воздухе и в стекле. Араго попытался измерить степень, в которой корпускулы света будут преломляться стеклянной призмой в передней части телескопа. Он ожидал, что будет существовать диапазон различных углов преломления из-за разнообразия различных скоростей звезд и движения Земли в разное время дня и года. Вопреки этому ожиданию, он обнаружил, что не было никакой разницы в преломлении между звездами, между временами дня или между сезонами. Все, что наблюдал Араго, было обычной звездной аберрацией . ^[4]

В 1818 году Огюстен Жан Френель исследовал результаты Араго, используя волновую теорию света. Он понял, что даже если бы свет передавался в виде волн, показатель преломления на границе раздела стекло-воздух должен был бы меняться по мере того, как стекло двигалось через эфир, чтобы ударять входящие волны с разной скоростью, когда Земля вращалась и менялись времена года. Френель предположил, что стеклянная призма будет нести часть эфира вместе с собой, так что «...эфир находится в избытке внутри призмы». ^[5] Он понял, что скорость распространения волн зависит от плотности среды, и поэтому предположил, что скорость света в призме должна быть скорректирована с помощью величины «сопротивления». Скорость света в стекле без какой-либо корректировки определяется по формуле: ${\displaystyle v_{n}}$

${\displaystyle v_{n}={\frac {c}{n}}}$

Регулировка сопротивления определяется по формуле: ${\displaystyle v_{d}}$

${\displaystyle v_{d}=v\left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}$

Где - плотность эфира в окружающей среде, - плотность эфира в стекле, - скорость призмы относительно эфира. ${\displaystyle \rho _{e}}$ ${\displaystyle \rho _{g}}$ ${\displaystyle v}$

Фактор можно записать как , поскольку показатель преломления n будет зависеть от плотности эфира. Это известно как коэффициент сопротивления Френеля . Скорость света в стекле тогда определяется как: ${\displaystyle \left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}$ ${\displaystyle \left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

${\displaystyle V={\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

Эта поправка успешно объяснила нулевой результат эксперимента Араго. Она вводит концепцию в значительной степени неподвижного эфира, который увлекается такими веществами, как стекло, но не воздухом. Ее успех благоприятствовал волновой теории света по сравнению с предыдущей корпускулярной теорией.

Проблемы частичного увлечения эфира

Коэффициент увлечения Френеля был напрямую подтвержден экспериментом Физо и его повторениями. В общем, с помощью этого коэффициента можно объяснить отрицательный результат всех экспериментов по оптическому эфирному дрейфу, достаточно чувствительных для обнаружения эффектов первого порядка (таких как эксперименты Араго, Физо, Хука, Эйри, Маскара ). Понятие (почти) стационарного эфира также согласуется со звездной аберрацией . Однако эта теория считается опровергнутой по следующим причинам: ^{[1] [2] [3]}

• Еще в XIX веке было известно, что частичное увлечение эфиром требует, чтобы относительная скорость эфира и материи была разной для света разных цветов, что, очевидно, не соответствует действительности.
• Теория Френеля о (почти) стационарном эфире предсказывает положительные результаты экспериментов, которые достаточно чувствительны для обнаружения эффектов второго порядка. Однако такие эксперименты, как эксперимент Майкельсона–Морли и эксперимент Траутона–Нобла , дали отрицательные результаты в пределах своей погрешности и поэтому считаются опровержениями эфира Френеля.
• В эксперименте Хаммара , проведенном Густавом Вильгельмом Хаммаром в 1935 году, использовался интерферометр с общим путем . Массивные свинцовые блоки были установлены по обе стороны только одной ножки интерферометра. Такое расположение должно было вызывать разное количество эфирного сопротивления и, следовательно, давать положительный результат. Однако результат снова оказался отрицательным. ^[6]

Полное увлечение эфиром

Для Джорджа Стокса (1845) модель эфира, который полностью или частично не подвержен влиянию движущейся материи, была неестественной и неубедительной, поэтому он предположил, что эфир полностью увлекается внутри и вблизи материи, частично увлекается на больших расстояниях и остается в покое в свободном пространстве. ^{[7] [8] [9] [10]} Также Генрих Рудольф Герц (1890) включил полную модель увлечения эфира в свою разработку теории электромагнетизма Максвелла, чтобы привести ее в соответствие с принципом относительности Галилея . То есть, если предположить, что эфир покоится внутри материи в одной системе отсчета, преобразование Галилея дает результат, что материя и (увлекаемый) эфир движутся с одинаковой скоростью в другой системе отсчета. ^[1]

Проблемы полного увлечения эфира

Эфирная машина Лоджа. Свет от чувствительного интерферометра общего пути направлялся между быстро вращающимися дисками.

Полное увлечение эфиром может объяснить отрицательный результат всех экспериментов по эфирному дрейфу (например, эксперимент Майкельсона–Морли). Однако эта теория считается неверной по следующим причинам: ^{[1] [11]}

• Эксперимент Физо (1851) показал лишь частичное увлечение света.
• Эффект Саньяка показывает, что двум лучам света, исходящим из одного и того же источника света в разных направлениях на вращающейся платформе, требуется разное время, чтобы вернуться к источнику света. Однако, если эфир полностью увлекается платформой, этот эффект вообще не должен возникать.
• Оливер Лодж проводил эксперименты в 1890-х годах, пытаясь найти доказательства того, что на распространение света влияет нахождение вблизи больших вращающихся масс, и не обнаружил такого влияния. ^{[12] [13]}

Полное увлечение эфиром несовместимо с явлением звездной аберрации. На этой иллюстрации представьте, что звезды находятся на бесконечном расстоянии. Аберрация возникает, когда скорость наблюдателя имеет компонент, перпендикулярный линии, пройденной светом, исходящим от звезды. Как видно на анимации слева, телескоп должен быть наклонен, прежде чем звезда появится в центре окуляра. Как видно на анимации справа, если эфир увлекается в непосредственной близости от Земли, то телескоп должен быть направлен прямо на звезду, чтобы звезда появилась в центре окуляра.

• Это не согласуется с явлением звездной аберрации . При звездной аберрации положение звезды при наблюдении в телескоп отклоняется в каждую сторону от центрального положения примерно на 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Такая величина отклонения является ожидаемой величиной при учете скорости движения Земли по своей орбите. В 1871 году Эйри продемонстрировал, что звездная аберрация возникает даже тогда, когда телескоп заполнен водой. Кажется, что если бы гипотеза об эфирном сопротивлении была верна, то звездная аберрация не возникала бы, потому что свет путешествовал бы в эфире, который двигался бы вместе с телескопом. Представьте себе ведро в поезде, который собирается въехать в туннель, и капля воды капает из входа в туннель в ведро в самом центре. Капля не попадет в центр на дне ведра. Ведро аналогично трубе телескопа, капля — это фотон, а поезд — это Земля. Если эфир увлекается, то капля будет двигаться вместе с поездом, когда она падает, и попадет в центр ведра на дне. Величина звездной аберрации, , определяется по формуле: ${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v\delta t}{c\delta t}}.}$Так: ${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v}{c}}}$

Скорость, с которой Земля вращается вокруг Солнца, v = 30 км/с, а скорость света равна c = 299 792 458 м/с, что дает = 20,5 угловых секунд каждые шесть месяцев. Такое количество аберраций наблюдается, и это противоречит гипотезе полного увлечения эфиром. ${\displaystyle \alpha }$

Ответы Стокса на эти проблемы

Стокс уже в 1845 году ввел некоторые дополнительные предположения, чтобы привести свою теорию в соответствие с экспериментальными результатами. Чтобы объяснить аберрацию, он предположил, что его несжимаемый эфир также является безвихревым, что дало бы, в связи с его конкретной моделью сопротивления эфира, правильный закон аберрации. ^[7] Чтобы воспроизвести коэффициент сопротивления Френеля (и, следовательно, объяснить эксперимент Физо), он утверждал, что эфир полностью увлекается в среде – т. е. эфир уплотняется, когда он входит в среду, и разрежается, когда он снова покидает ее, что изменяет скорость эфира, а также скорость света и приводит к тому же выражению, что и у Френеля. ^[8]

Хотя теория аберрации Стокса некоторое время считалась жизнеспособной, от нее пришлось отказаться, поскольку в 1886 году Лоренц утверждал, что когда эфир несжимаем, как в теории Стокса, и если эфир имеет ту же нормальную составляющую скорости, что и Земля, он не будет иметь ту же тангенциальную составляющую скорости, поэтому все условия, поставленные Стоксом, не могут быть выполнены одновременно. ^[14]

Гравитационное сопротивление эфира

Другая версия модели Стокса была предложена Теодором де Кудром и Вильгельмом Вином (1900). Они предположили, что увлечение эфира пропорционально гравитационной массе. То есть, эфир полностью увлекается Землей и лишь частично увлекается более мелкими объектами на Земле. ^[15] И чтобы спасти объяснение аберрации Стокса, Макс Планк (1899) утверждал в письме Лоренцу, что эфир может быть не несжимаемым, а уплотненным гравитацией вблизи Земли, и это дало бы условия, необходимые для теории Стокса («теория Стокса-Планка»). При сравнении с экспериментами выше, эта модель может объяснить положительные результаты экспериментов Физо и Саньяка, потому что малая масса этих приборов может только частично (или вообще не) увлекать эфир, и по той же причине она объясняет отрицательный результат экспериментов Лоджа. Это также совместимо с экспериментом Хаммара и Майкельсона-Морли, поскольку эфир полностью увлекается большой массой Земли.

Однако эта теория была прямо опровергнута экспериментом Майкельсона-Гейла-Пирсона (1925). Большое отличие этого эксперимента от обычных экспериментов Саньяка заключается в том, что измерялось вращение самой Земли. Если эфир полностью увлекается гравитационным полем Земли, то следует ожидать отрицательного результата, но результат был положительным. ^[11]

А с теоретической стороны было отмечено Хендриком Антоном Лоренцом , что гипотеза Стокса-Планка требует, чтобы скорость света не зависела от увеличения плотности эфира в 50 000 раз. Поэтому Лоренц и сам Планк отвергли эту гипотезу как невероятную. ^{[1] [16]}

Лоренц и Эйнштейн

Поскольку Лоренц был вынужден отказаться от гипотезы Стокса, он выбрал модель Френеля в качестве отправной точки. ^{[ необходима цитата ]} Он смог воспроизвести коэффициент увлечения Френеля в 1892 году, хотя в теории Лоренца он представляет собой модификацию распространения световых волн, а не результат какого-либо увлечения эфиром. Следовательно, эфир Лоренца полностью стационарен или неподвижен. Однако это приводит к той же проблеме, которая уже поразила модель Френеля: она противоречила эксперименту Майкельсона-Морли. Поэтому Джордж Фрэнсис Фицджеральд (1889) и Лоренц (1892) ввели сокращение длины , то есть все тела сокращаются по линии движения на коэффициент . Кроме того, в теории Лоренца преобразование Галилея было заменено преобразованием Лоренца . ^[17] ${\displaystyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Однако накопление гипотез для спасения концепции стационарного эфира считалось весьма искусственным. Так, именно Альберт Эйнштейн (1905) признал, что для разработки специальной теории относительности и выведения полного преобразования Лоренца достаточно лишь предположить принцип относительности и постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета . Все это было сделано без использования концепции стационарного эфира. ^[18]

Как показал Макс фон Лауэ (1907), специальная теория относительности предсказывает результат эксперимента Физо из теоремы о сложении скоростей без какой-либо необходимости в эфире. Если — скорость света относительно аппарата Физо, — скорость света относительно воды, — скорость воды: ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle v}$

${\displaystyle U={\frac {c}{n}}}$

${\displaystyle V={\frac {c/n+v}{1+v/nc}}}$

которое, если v/c мало, можно разложить с помощью биномиального разложения и получить:

${\displaystyle V\approx {\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

Это идентично уравнению Френеля . ^[19]

Гипотеза эфира Алле

В 1959 году Морис Алле предложил гипотезу эфира, предполагающую скорость ветра около 8 км/с, что намного ниже стандартного значения в 30 км/с, поддержанного учеными девятнадцатого века, и совместимого с экспериментами Майкельсона-Морли и Дейтона-Миллера ^[20] , а также с его собственными экспериментами относительно противоречивого эффекта Алле , непредсказуемого общей теорией относительности. ^{[21] [22]} Несмотря на то, что он отстаивал необходимость еще одной теории гравитации , ^[23] его гипотеза не получила значительной поддержки среди традиционных ученых.

Краткое содержание

В современной физике (основанной на теории относительности и квантовой механике ) эфир как «материальная субстанция» с «состоянием движения» больше не играет никакой роли. Поэтому вопросы, касающиеся возможного «эфирного сопротивления», больше не считаются научным сообществом значимыми. Однако, увлечение системы отсчета , предсказанное общей теорией относительности , в которой вращающиеся массы искажают метрику пространства-времени , вызывая прецессию орбиты близлежащих частиц, действительно существует. Но этот эффект на порядки слабее любого «эфирного сопротивления», обсуждаемого в этой статье.

Смотрите также

• История специальной теории относительности
• Тесты специальной теории относительности
• Тесты общей теории относительности
• Перетаскивание кадров

Библиография и ссылки

1. Уиттекер, Эдмунд Тейлор (1910), История теорий эфира и электричества (1-е изд.), Дублин: Longman, Green and Co.
2. Jannsen, Michel; Stachel, John (2008), Оптика и электродинамика движущихся тел (PDF)
3. Rafael Ferraro; Daniel M Sforza (2005), "Arago (1810): первый экспериментальный результат против эфира", Eur. J. Phys. , 26 (1): 195–204, arXiv : physics/0412055 , Bibcode :2005EJPh...26..195F, doi :10.1088/0143-0807/26/1/020, S2CID  119528074
4. Араго, А. (1810–1853), «Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la prémière classe de l'Institut, le 10 decembre 1810», Comptes Rendus de l'Académie des Sciences , 36 : 38–49
5. Френель, А. (1818), «Lettre de M. Fresnel à M. Arago sur l'influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d'optique», Annales de Chimie et de Physique , 9 : 57–66 (сентябрь 1818 г.) ), 286–7 (ноябрь 1818 г.); перепечатано в книгах Х. де Сенармона, Э. Верде и Л. Френеля (ред.), Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel , vol. 2 (1868), стр. 627–36; переведено как «Письмо Огюстена Френеля Франсуа Араго о влиянии движения Земли на некоторые явления оптики» в К. Ф. Шаффнере, « Теории эфира девятнадцатого века » , Пергам, 1972 ( doi :10.1016/C2013-0-02335- 3), стр. 125–35; также переведено (с несколькими ошибками) Р. Р. Трейлом как «Письмо Огюстена Френеля Франсуа Араго относительно влияния движения Земли на несколько оптических явлений», General Science Journal , 23 января 2006 г. (PDF, 8 стр.).
6. GW Hammar (1935), «Скорость света внутри массивного корпуса», Physical Review , 48 (5): 462–463, Bibcode : 1935PhRv...48..462H, doi : 10.1103/PhysRev.48.462.2
7. Stokes, George Gabriel (1845), «Об аберрации света»  , Philosophical Magazine , 27 (177): 9–15, doi :10.1080/14786444508645215
8. Stokes, George Gabriel (1846), «О теории аберрации света Френеля»  , Philosophical Magazine , 28 (185): 76–81, doi :10.1080/14786444608645365
9. Стоукс, Джордж Гэбриел (1846), «О строении светоносного эфира, рассматриваемого в связи с явлением аберрации света»  , Philosophical Magazine , 29 (191): 6–10, doi :10.1080/14786444608562589
10. Стокс, Джордж Гэбриел (1848), «О строении светоносного эфира»  , Philosophical Magazine , 32 : 343–349, doi :10.1080/14786444808645996
11. Георг Йоос : Lehrbuch der theoretischen Physik. 12. издание, 1959 г., стр. 448.
12. Лодж, Оливер Дж. (1893), «Проблемы аберрации», Philosophical Transactions of the Royal Society A , 184 : 727–804, Bibcode : 1893RSPTA.184..727L, doi : 10.1098/rsta.1893.0015
13. Лодж, Оливер Дж. (1897), «Эксперименты по отсутствию механической связи между эфиром и материей»  , Philosophical Transactions of the Royal Society A , 189 : 149–166, Bibcode : 1897RSPTA.189..149L, doi : 10.1098/rsta.1897.0006
14. Лоренц, Хендрик Антун (1886), «De l'influence du mouvement de la terre sur les phénomènes lumineux», Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles , 21 : 103–176
15. Вена, Вильгельм (1898), «Über die Fragen, welche die Translationische Bewegung des Lichtäthers betreffen (Referat für die 70. Versammlung deutsche Naturforscher und Aerzte в Дюссельдорфе, 1898)»  , Annalen der Physik , 301 (3): I – XVIII.
16. Лоренц, HA (1899), «Теория аберрации Стокса в предположении переменной плотности эфира», Труды Королевского общества , 1 : 443–448, Bibcode : 1898KNAB....1..443L, архивировано из оригинала 2008-04-04
17. Лоренц, Хендрик Антон (1904), «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 6 : 809–831
18. Эйнштейн, Альберт (1905), «Об электродинамике движущихся тел», Annalen der Physik , 322 (10): 891–921, Bibcode : 1905AnP...322..891E, doi : 10.1002/andp.19053221004.
19. Лауэ, Макс фон (1907), «Die Mitführung des Lichtes durch bewegte Körper nach dem Relativitätsprinzip» [Увлечение света движущимися телами в соответствии с принципом относительности], Annalen der Physik (на немецком языке), 23 (10) : 989–990, Бибкод : 1907AnP...328..989L, doi : 10.1002/andp.19073281015
20. Миллер, Дейтон К. (июль 1933 г.). «Эксперимент с эфирным ветром и определение абсолютного движения Земли» (PDF) . Reviews of Modern Physics . 5 (3): 203–254. Bibcode : 1933RvMP....5..203M. doi : 10.1103/RevModPhys.5.203. S2CID  4119615.
21. Алле, М. (сентябрь 1959 г.). «Следует ли пересмотреть законы гравитации? Часть I – Аномалии движения параконического маятника на анизотропной опоре» (PDF) . Аэрокосмическая техника : 46–52. Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2015 г. . Получено 30 марта 2017 г. .
22. Алле, М. (октябрь 1959 г.). «Следует ли пересмотреть законы гравитации? Часть II – Эксперименты в связи с аномалиями, отмеченными в движении параконического маятника с анизотропной опорой» (PDF) . Аэрокосмическая техника : 51–55. Архивировано из оригинала (PDF) 22-06-2016 . Получено 30-03-2017 .
23. Делоли, Жан-Бернар. «Пересмотр интерферометрических наблюдений Миллера и наблюдений Эсклагона». Фонд Мориса Алле .

• Wikibooks: Специальная теория относительности
• Резник, Роберт, Основные концепции теории относительности и ранней квантовой теории , 1972, John Wiley and Sons Inc.

Внешние ссылки

• Mathpages: Ошибка Стокса