Эксперимент Хаммара

Эксперимент Хаммара был разработан и проведен Густавом Вильгельмом Хаммаром (1935) для проверки гипотезы сопротивления эфира . Его отрицательный результат опроверг некоторые конкретные модели сопротивления эфира и подтвердил специальную теорию относительности .

Обзор

Такие эксперименты, как эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года (и более поздние эксперименты, такие как эксперимент Траутона-Нобла в 1903 году или эксперимент Траутона-Рэнкина в 1908 году), представили доказательства против теории среды для распространения света, известной как светоносный эфир ; теории, которая была устоявшейся частью науки в течение почти ста лет в то время. Эти результаты поставили под сомнение то, что тогда было очень центральным предположением современной науки, и позже привели к развитию специальной теории относительности .

В попытке объяснить результаты эксперимента Майкельсона–Морли в контексте предполагаемой среды, эфира, было рассмотрено много новых гипотез. Одно из предложений состояло в том, что вместо прохождения через статический и неподвижный эфир, массивные объекты, такие как Земля, могут увлекать за собой часть эфира, делая невозможным обнаружение «ветра». Оливер Лодж (1893–1897) был одним из первых, кто провел проверку этой теории, используя вращающиеся и массивные свинцовые блоки в эксперименте, который пытался вызвать асимметричный эфирный ветер. Его тесты не дали заметных результатов, отличающихся от предыдущих тестов для эфирного ветра. ^{[1] [2]}

В 1920-х годах Дейтон Миллер провел повторения экспериментов Майкельсона–Морли. В конечном итоге он сконструировал аппарат таким образом, чтобы минимизировать массу вдоль пути эксперимента, проводя его на вершине высокого холма в здании, которое было сделано из легких материалов. Он провел измерения, показывающие суточную дисперсию, предполагающую обнаружение «ветра», который он приписал отсутствию создания массы, в то время как предыдущие эксперименты проводились со значительной массой вокруг их аппарата. ^{[3] [4] [5] [6]}

Эксперимент

Чтобы проверить утверждение Миллера, Хаммар провел следующий эксперимент с использованием интерферометра с общим путем в 1935 году. ^{[7] [8]}

Используя полупосеребренное зеркало A, он разделил луч белого света на два полулуча. Один полулуч был отправлен в поперечном направлении в толстостенную стальную трубу, заканчивающуюся свинцовыми заглушками. В этой трубе луч отражался зеркалом D и отправлялся в продольном направлении к другому зеркалу C на другом конце трубы. Там он отражался и отправлялся в поперечном направлении к зеркалу B снаружи трубы. Из B он возвращался обратно в A в продольном направлении. Другой полулуч проходил тот же путь в противоположном направлении.

Топология светового пути была как у интерферометра Саньяка с нечетным числом отражений. Интерферометры Саньяка обеспечивают превосходный контраст и стабильность полос, ^[9] а конфигурация с нечетным числом отражений лишь немного менее стабильна, чем конфигурация с четным числом отражений. (При нечетном числе отражений противоположно идущие лучи боком инвертированы относительно друг друга на протяжении большей части светового пути, так что топология немного отклоняется от строго общего пути. ^[10] ) Относительная устойчивость его аппарата к вибрации, механическим нагрузкам и температурным эффектам позволила Хаммару обнаружить смещения полос всего лишь на 1/10 полосы, несмотря на использование интерферометра на открытом воздухе в открытой среде без контроля температуры.

Подобно эксперименту Лоджа, аппарат Хаммара должен был вызвать асимметрию в любом предложенном эфирном ветре. Ожидания Хаммара относительно результатов были следующими: При установке аппарата перпендикулярно эфирному ветру оба длинных плеча будут одинаково затронуты эфирным захватом . При установке аппарата параллельно эфирному ветру один плечо будет больше затронут эфирным захватом, чем другой. Робертсон /Нунаном были даны следующие ожидаемые времена распространения для встречных лучей : ^[8]

${\displaystyle t_{1}={\frac {AB}{c+v}}+{\frac {BC+DA}{\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}+{\frac {CD}{c-v+\Delta v}}}$

${\displaystyle t_{2}={\frac {AB}{c-v}}+{\frac {BC+DA}{\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}+{\frac {CD}{c+v-\Delta v}}}$

где - скорость увлекаемого эфира. Это дает ожидаемую разницу во времени: ${\displaystyle \Delta v}$

${\displaystyle \Delta t\simeq {\frac {2l\Delta v}{c^{2}}}}$

1 сентября 1934 года Хаммар установил аппарат на вершине высокого холма в двух милях к югу от Москвы, штат Айдахо , и провел множество наблюдений с аппаратом, повернутым во всех направлениях азимута в дневные часы 1, 2 и 3 сентября. Он не увидел смещения интерференционных полос, что соответствует верхнему пределу км/с. ^[7] Эти результаты считаются доказательством против гипотезы увлечения эфиром, предложенной Миллером. ^[8] ${\displaystyle \Delta v<0.074}$

Последствия для гипотезы увлечения эфиром

Поскольку существовали различные идеи «эфирного сопротивления», интерпретация всех экспериментов по эфирному сопротивлению может быть сделана в контексте каждой версии гипотезы.

1. Никакого или частичного увлечения любым объектом с массой. Это обсуждалось такими учеными, как Огюстен-Жан Френель и Франсуа Араго . Это было опровергнуто экспериментом Майкельсона-Морли .
2. Полное увлечение внутри или вблизи всех масс. Оно было опровергнуто Аберрацией света , эффектом Саньяка , экспериментами Оливера Лоджа и экспериментом Хаммара.
3. Полное увлечение внутри или вблизи только очень больших масс, таких как Земля. Это было опровергнуто Аберрацией света , экспериментом Майкельсона–Гейла–Пирсона .

Ссылки

1. 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 .
2. 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 .
3. Дейтон С. Миллер, «Эксперименты по эфирному ветру в солнечной обсерватории Маунт-Вильсон», Physical Review (серия II) , т. 19, № 4, стр. 407–408 (апрель 1922 г.).
4. Дейтон С. Миллер, «Значение экспериментов по эфирному ветру 1925 года на горе Вильсон», Обращение президента, Американское физическое общество, Science , V63, стр. 433–443 (1926). Статья на премию AAAS.
5. Дейтон С. Миллер, «Эксперименты по эфирному ветру на горе Вильсон в феврале 1926 г.», Национальная академия наук , Вашингтон (апрель 1926 г.) {«Протоколы Вашингтонского заседания 23 и 24 апреля 1926 г.», Physical Review (серия II), т. 27, № 6, стр. 812 (июнь 1926 г.)}.
6. Дейтон С. Миллер, «Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли», Rev. Mod. Phys. , т. 5, № 3, стр. 203–242 (июль 1933 г.).
7. 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.
8. HP Robertson и Thomas W. Noonan (1968). «Эксперимент Хаммара». Относительность и космология . Филадельфия: Saunders. стр. 36–38.
9. "Интерферометр Саньяка" (PDF) . Колледж оптических наук Аризонского университета . Получено 30 марта 2012 г.^{[ мертвая ссылка ]}
10. Харихаран, П. (2007). Основы интерферометрии, 2-е издание . Elsevier. стр. 19. ISBN 978-0-12-373589-8.