Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер icon

Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер



НазваниеЗначение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер
Дата конвертации28.08.2012
Размер283.38 Kb.
ТипДокументы

11. Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г. на горе Маунт Вилсон [1] Д.К.Миллер

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

Общее положение теории о том, что свет является волновым движением в светопередающем эфире, приводит к необходимости определения основных свойств эфира, которые должны обеспечивать распространение волн света и объяснять другие оптические явления. Вначале предполагалось, что эфир заполняет все пространство, даже то, которое занято телами, и что он допускает движение всех тел сквозь него практически совершенно свободно.

Вопрос о том, увлекается ли эфир движением Земли, обсуждался, начиная с первых дней волновой теории. Теория эфира тесно связана с теориями структуры материи, и это находится в числе наиболее фундаментальных основ физической науки.

Открытие аберрации света в 1728 г. ранее объяснялось через принятую тогда корпускулярную теорию света. Эффект приписывался простому сложению скорости света со скоростью орбитального движения Земли. Другое объяснение, основанное на волновой теории, каза-

71


лось столь же простым, как и первое, но оно оказалось не соответствующим обнаруженному позднее экспериментальному факту, заключающемуся в том, что аберрация не изменялась, если наблюдения производились телескопом, заполненным водой.

Френель предложил теорию, в которой предполагалось, что, во-первых, эфир неподвижен в пустом пространстве, а, во-вторых, внутри движущихся прозрачных тел он движется со скоростью,


меньшей, чем скорость движения тела (п - показатель преломления). Эти две гипотезы давали полное и удовлетворительное объяснение аберрации; вторую предполагалось проверить опытами Физо и Майкельсона - Морли по скорости света в движущихся средах: первая гипотеза о том, что эфир покоится в пространстве и в непрозрачных телах, всегда вызывала сомнение.

Некоторые физики пытались подтвердить существование стационарного эфира прямыми экспериментами. Наиболее фундаментальная из этих попыток была сделана профессором А.А.Майкельсоном в 1881 г., она основана на идее, что эфир в целом неподвижен и что волны света распространяются в любом направлении с той же самой скоростью по отношению к эфиру. Предполагалось также, что Земля в своем орбитальном движении вокруг Солнца проходит свободно через этот эфир, как если бы он был абсолютно стационарным в пространстве. Эксперимент ориентировался на обнаружение относительного движения между Землей и эфиром, это относительное движение часто рассматривалось как "эфирный ветер".
Эксперимент основывался на том, что кажущаяся скорость света будет различной в зависимости от того, движется ли наблюдатель вместе с Землей вдоль луча света или перпендикулярно к нему. Скорость света равна 300.000 км/с, а скорость Земли на ее орбите составляет 1/10.000 часть этого, т.е. 30 км/с.

Истинное движение Земли есть сумма орбитального движения, изменяющегося по направлению вдоль орбиты и имеющего скорость 30 км/с, и равномерного движения Солнца вместе со всей Солнечной системой в неизвестном направлении и с неизвестной скоростью. Поэтому истинное движение Земли относительно эфира остается неизвестным, оно может быть намного меньше 30 км/с или гораздо больше.

Если допустить, что истинное движение Земли совпадает с ее орбитальным движением, и если бы оказалось возможным измерить прямое влияние этого движения на кажущуюся скорость света, то

72

тогда скорость света, измеренная вдоль направления движения, должна отличаться от кажущейся скорости, измеренной под прямым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1/10.000. Это и есть то, что называлось "эффектом первого порядка", но, к несчастью, нет метода для измерения скоростей в столь простых условиях.

Все методы требуют, чтобы свет распространялся до отдаленной точки и вернулся обратно в точку излучения и при этом положительное воздействие движения Земли на луч, направленный вперед, оказывается нейтрализованным негативным эффектом в возвращающемся луче. Однако показано, что для движущегося наблюдателя эта компенсация оказывается не абсолютно полной: кажущаяся скорость луча, уходящего и возвращающегося вдоль направления движения Земли, будет отличаться от кажущейся скорости луча, уходящего и возвращающегося в перпендикулярном направлении, на величину, пропорциональную квадрату отношения скорости Земли к скорости света, т.е. на 1/100.000.000. Таким образом, единственный эффект, который может быть экспериментально обнаружен, есть ничтожный "эффект второго порядка".

Замечательный инструмент, известный как "интерферометр", изобретенный профессором Майкельсоном, способен обнаружить это малое изменение скорости света, связанное с эфирным ветром. В этом эксперименте луч света расщепляется на два луча с помощью тонкой пленки серебра, которую называют "полупрозрачным зеркалом", серебряное покрытие достаточно тонкое и позволяет половине светового потока пройти прямо, в то время как другая половина отражается в обычном понимании этого слова.

Эти два луча могут быть направлены во взаимно перпендикулярных направлениях. На конце отрезка желаемой длины каждый луч отражается с помощью зеркал, так что оба луча возвращаются обратно и соединяются там, где они были расщеплены. Если оба пути оптически эквивалентны, т.е. если количество волн в обоих путях одинаково, то соединившиеся лучи смещаются при совпадении фаз обеих волн. Если же, напротив, один из путей будет на половину волны длиннее другого, то волны соединяются в противофазе, так что "гребень" одной волны совпадает с "желобом" другой. Эти и промежуточные фазовые соотношения создадут эффект, называемый "интерференционными узорами", наблюдение которых позволяет определить малые относительные изменения скорости света обоих световых путей в интерферометре.

В 1887 году в Школе прикладных наук в Кливленде проф. Майкельсон в содружестве с ныне покойным проф. Эдвардом В.Морли из Западного

73

Резервного института проделал некоторые важные усовершенствования метода и приборов и использовал интерферометр для знаменитого теперь "эксперимента Майкельсона-Морли" с целью определись, создает ли движение Земли в пространстве эффект, предсказанный теорией относительно скорости света.

К несчастью мы не знаем, в каком абсолютном направлении движется Земля, и, следовательно, невозможно ориентировать интерферометр в этом направлении. Поэтому весь аппарат был смонтирован на основании, плавающем в ртути так, что он мог быть повернут в горизонтальной плоскости на любой азимут. Вращение Земли вокруг своей оси приводило к движению плоскости интерферометра так, как если бы эта плоскость была касательной к поверхности конуса вращения, ось которого совпадает с осью вращения Земли, что создавало различные ориентации плоскости интерферометра в пространстве. Поэтому кажущиеся азимут и дрейф эфира должны меняться в зависимости от времени наблюдения.

Значение экспериментов 1925 г. по обнаружению эфирного ветра может быть оценено только в свете интерпретации, данной прежним экспериментам. Поэтому необходимо сделать исторический обзор этих экспериментов.

В июле 1887 г. Майкельсон и Морли сделали шесть серий экспериментальных наблюдений эфирного ветра - в полдень и в 6 часов вечера в дни 8, 9 и 11 июля. Это и есть все наблюдения, сделанные Майкельсоном и Морли. В ноябре 1887 года они опубликовали следую­щее заключение:

"... с учетом только движения Земли по орбите... наблюдения показали, что относительное движение Земли и эфира, вероятно, меньше, чем 1/6 орбитальной скорости Земли, и наверняка меньше, чем 1/4. [2].

Это значит, меньше, чем 7,5 км/с.

Следует подчеркнуть, что эксперименты были поставлены и проведены только для того, чтобы определить влияние орбитального движения Земли; это влияние должно быть различным для двух времен дня, выбранных для наблюдения, минимальное количество, которое могло быть измерено, составляло 1/4 ожидаемого эффекта.

В 1895 г. Лоренц и Фицжеральд предположили, что движения, связанные с перемещением твердого тела сквозь эфир, могут приводить к сокращению их размеров в направлении движения и увеличению размеров в перпендикулярном направлении; изменения пропорциональны квадрату отношения скорости перемещения и света, так что они "обнуляют" эффект эфирного ветра в интерферометре

74

Майкельсона-Морли. Оптические размеры инструмента определялись физическими свойствами песчаника, из которого состояла база интерферометра. Если бы сокращения размеров зависели от физических свойств твердого тела, то можно было бы предполагать, что сосновая балка испытает большее сокращение, чем песчаник, а сталь сократится в меньшей степени.

Если сокращение "обнуляет" эффект в одном аппарате, то в другом будет возникать эффект, отличающийся от нуля и, возможно, имеющий другой знак.

Автор в сотрудничестве с профессором Морли сконструировал интерферометр, в четыре раза более чувствительный, чем тот, который был использован в первом эксперименте; он имел длину 214 футов, что эквивалентно 130.000.000 длин волн. В этом инструменте относительная скорость Земли и эфира, равная скорости орбитального движения Земли, должна индицироваться смещением интерференционного узора на 1,4 интерференционной полосы. Это - размеры инструмента, который использовался до настоящего времени. Оптические пути были полностью обновлены, и от первого аппарата не было использовано ничего, кроме ртутной ванны и деревянного поплавка.

Такой инструмент с базой из сосновых бревен использовался в Кливленде в 1902,1903 и 1904 гг. в целях прямой проверки эффекта Лоренца-Фицжеральда, но изменения в деревянной раме от изменений влажности и температуры делали получение точных наблюдений затруднительным. Профессором Ф.Г.Неффом из отделения Гражданского инженерного строительства Школы прикладных наук Кейса была разработана новая рама. Цель разработки заключалась в обеспечении симметрии и жесткости. Эта рама была выполнена из структурной стали и имела такую конструкцию, что оптический размер мог зависеть и от деревянного стержня, и от стальной рамы как таковой.

Наблюдения с использованием этого инструмента проводились в 1904 г. Программа опыта ориентировалась на ожидание эффекта от комбинаций суточного и годового движения Земли вместе с движением Солнечной системы в целом в направлении созвездия Геркулеса со скоростью 17,7 км/с. В выбранные для наблюдения дни было два периода, когда результирующая скорость находилась в плоскости интерферометра, - около 11 ч 30 мин до полудня и около 9 ч 00 мин после полудня. Рассчитанные азимуты движения были различными для этих двух периодов. Поэтому наблюдения в эти периоды строились так, чтобы ожидаемый азимут утреннего наблюдения совпадал с вечерним. Наблюдения для обоих периодов давали результаты с положительной

75

амплитудой, но с приблизительно противоположными фазами. Когда эти результаты совмещались, итог был близок к нулю. Поэтому полученный результат противоречил прежним теориям, предсказывавшим эфирный ветер. Однако в соответствии с идеями, которые будут изложены ниже, теперь кажется, что суперпозиция двух групп наблюдений с различными фазами базировалась на ошибочной гипотезе и что полученный тогда положительный результат оказывается в согласии с новой гипотезой движения Солнца. Наш отчет об этом эксперименте, опублико­ванный в "Philosophical Magazine" за май 1905 г. заканчивался следующим утверждением.

"Можно предположить, что эфир в подвальном помещении перемещается вместе с ним (т.е. полностью увлекается - перевод.). Поэтому мы собираемся разместить аппарат на холме и посмотреть, нельзя ли обнаружить эффект в таком положении." [3 ].

Осенью 1905 г. Морли и Миллер переместили интерферометр из подвала лаборатории на участок на Евклидовых высотах в Кливленде, расположенный на высоте 300 футов над уровнем озера Эри и 870 футов над уровнем моря. На этом участке помехи от зданий не сказывались на показаниях прибора. В 1905-1906 гг. было проведено пять групп наблюдений, которые дали определенно положительный результат, составляющий около 1/10 ожидаемого тогда "эфирного ветра". Возникали подозрения, что это вызывалось температурными эффектами, хотя прямых свидетельств тому не было. Планировалось проверить это предположение после летних каникул. Мы установили интерферометр на земле, принадлежащей нашему другу. Но за время нашего отсутствия во время каникул земля была продана, и новый владелец потребовал немедленного удаления интерферометра. Проф. Морли отошел от активной деятельности в 1906 г., и это возложило на меня обязанности по продолжению экспериментов. Следующие эксперименты хотелось провести на значительно большей высоте, но возобновлению наблюдений препятствовали многочисленные причины.

Это было время, когда Эйнштейном стали интересоваться, и в ноябре 1905 г. он опубликовал статью "Электродинамика движущихся тел" [4]. Эта статья была первой из длинного ряда статей и исследований Эйнштейна и других авторов, которые развились в современную теорию относительности. В этой статье Эйнштейн ввел принцип постоянства скорости света, постулировав, что для наблюдателя, находящегося на движущейся Земле, измеренная скорость света должна быть неизменной, не зависящей от направления и скорости движения Земли. Вся теория была отнесена к физическим явлениям и в наибольшей

76

степени - к предположению, что опыты Майкельсона и Морли по обнаружению эфирного ветра дают определенный и точно нулевой результат.

Предсказанное теорией относительности отклонение света звездами и Солнцем было проверено во время солнечного затмения в 1919 г. Было широко признано, что результаты подтверждают теорию. Это возобновило интерес автора к экспериментам по эфирному ветру, интерпретация результатов которого никогда не была приемлемой для него.

Для дальнейших исследований показалась подходящей территория обсерватории Маунт Вилсон вблизи Пассадены, Калифорния, на высоте около 6000 футов. Была тщательно отработана программа эксперимента и найдены фонды, вполне достаточные для того, чтобы покрыть весьма значительную стоимость выполнения программы; фонды были очень любезно предоставлены мистером Экштеином Кейсом из Кливленда. Президент и опекун Кейсовской Школы прикладных наук оказал всю возможную помощь, разрешив автору отсутствовать столько времени, сколько нужно для проведения экспериментов и выделив ассистента для выполнения очень объемной работы по вычислениям и обработке наблюдений. Благодаря любезности президента Мерриама из Института Карпеджи в Вашингтоне и директоров Хейла и Адамса эксперименты по эфирному ветру могли проводиться в обсерватории Маунт Вилсон в течение прошедших пяти лет.

Наблюдения начались в марте 1921 г. с использованием аппаратуры и методики, разработанной Морли и Миллером в 1904, 1905 и 1906 гг. с некоторыми модификациями и улучшениями в деталях. Самые первые опыты дали положительный эффект, который соответствовал истинному эфирному ветру при относительности скорости эфира и Земли, равной 10 км/с. Но прежде, чем сообщить о таком результате, надо было изучить все возможные причины, которые могли дать смещение интерференционных полос, эквивалентное тому, которое должен был создать эфирный ветер. Среди причин предполагались магнитострикция и лучевое прогревание. Чтобы проверить последнее предположение, все металлические части интерферометра были покрыты слоем пробки толщиной 1 дюйм, после чего было проведено 50 групп наблюдений, показавших, что периодическое смещение полос осталось таким же. Это показало, что радиационный нагрев не является причиной наблюдаемого эффекта.

Летом 1921 г. стальная рама интерферометра была демонтирована и вместо нее стали использовать монолитную базу из цемента с медной

77

арматурой. База была размещена в ртутной ванне. Все металлические части были сделаны из алюминия или меди, так что весь аппарат был освобожден от магнитных эффектов, а возможные тепловые эффекты были существенно уменьшены. В декабре 1921 г. были проведены 42 группы наблюдений с немагнитным интерферометром. Они дали положительный эффект, причем эфирный ветер полностью соответствовал наблюдениям апреля 1921 г. В этот период были проверены многочисленные вариации случайных воздействий. Наблюдения проводились при вращении интерферометра по часовой стрелке и против ее, при быстром и медленном вращении, при наклоне интерферометра, создаваемом нагружением поплавка с одной стороны. Было испробовано множество вариантов процедур наблюдений и регистрации. Результаты наблюдений не зависели от этих вариантов [5].

После завершения экспериментов аппарат был возвращен в лабораторию в Кливленд. В течение 1922 и 1923 гг. было проведено множество испытаний при различных условиях, которые контролировались, и с многими модификациями конструкции аппарата. Устройство призм и зеркал было сделано таким, чтобы источник света мог быть размещен вне помещения, в котором проводились наблюдения, а последующая доработка зеркал была выполнена так, чтобы можно было наблюдать интерференционные полосы с помощью стационарного телескопа. Были испробованы методы кинематографической регистрации. Применялись различные источники света, в том числе электрическая дуга и солнечный свет. В конце концов, устройство было усовершенствовано так, что наблюдения могли проводиться с помощью астрономического телескопа с пятидюймовой апертурой и 50-кратным увеличением. В качестве источника света использовалась большая ацетиленовая лампа, обычно применяемая в автомобильных фарах. Была проведена расширенная серия экспериментов для обнаружения влияния температурных неоднородностей или лучевого нагрева, опробованы многие различные теплоизолирующие материалы для базы интерферометра и его оптически лучей. Эти эксперименты подтвердили, что в условиях действительных наблюдений периодическое смещение интерференционных линий не могло быть вызвано температурными эффектами. Расширенные лабораторные эксперименты показали, что полнопериодный эффект, упоминавшийся в предварительном сообщении о наблюдениях в Маунт-Вилсоновской обсерватории, является непременным геометрическим следствием такого расположения зеркал, при котором используются интерференционные полосы конеч-

78

ной ширины, как это и предполагалось в простейшей теории эксперимента.

В июле 1924 г. интерферометр снова был доставлен на Маунт Вилсон и смонтирован на новой площадке, где температурные условия были лучше, чем в экспериментах 1921 г. Дом, в котором находился интерферометр, также был установлен с иной ориентацией. Снова наблюдения показали реальное периодическое смещение интерференционных полос, такое же, как и в наблюдениях, сделанных ранее на Маунт Вилсон и в Кливленде.

Несмотря на многочисленные попытки, оказалось невозможным считать эти эффекты эффектами земного происхождения или следствием погрешности эксперимента. Были проведены весьма обширные вычисления с целью попытаться согласовать наблюдаемый эффект с имеющимися теориями эфира и с предполагаемым движением Земли. Наблюдения повторялись в различные времена года с тем, чтобы проверить одну за другой выдвигаемые гипотезы. В конце 1924 г., когда решение казалось уже невозможным, был сделан полный расчет ожидаемого эффекта для каждого месяца. Расчет показал, что смещение полос должно быть максимальным в апреле и что азимут максимума смещения должен в горизонтальной плоскости совершать полный оборот за сутки. В марте и апреле 1925 г. были проведены наблюдения с целью подтвердить эти предположения. Полученное смещение полос было по амплитуде эквивалентно наибольшему из ранее наблюдавшихся, но оно не было удовлетворительно ориентировано по всем направлениям компаса, т.е. оно не изменяло направления по азимуту на 90° на интервалах по б ч и не изменяло ориентацию на противоположную на интервалах в 12 ч (как предполагалось - В.А). Вместо этого направление лишь колебалось на угле в 60°, оставаясь в общем в северо-западной ориентации. До 1925 г. эксперимент Майкельсона-Морли всегда был направлен на проверку научной гипотезы. Единственная теория эфира, которая подвергалась проверке, была связана с абсолютно неподвижным, стационарным эфиром, сквозь который Земля двигалась, не возмущая его. По отношению к этой гипотезе эксперимент дал отрицательный ответ. Эксперимент был направлен на проверку только вполне специфического предположения о характере движения Земли: осевого и орбитального движения вместе с движением Солнечной системы по направлениям к созвездию Геркулеса со скоростью около 19 км/с. Результаты эксперимента не совпали с этим предполагаемым движением. Эксперимент был также ориентирован на проверку гипотезы Лоренца-Фицжеральда о

79

сокращении размеров тел при движении сквозь эфир, проверялись также магнитострикционные деформации рамы интерферометра. На протяжении всех этих наблюдений, занимавших годы, ответ на различные вопросы всегда был "нет", но в то же время всегда присутствовал постоянный и устойчивый малый эффект, который не мог быть объяснен.

Эфирно-ветровой интерферометр - это инструмент, который как общепризнано, предназначен для определения относительного движе­ния Земли и эфира, т.е. он способен показать направление и скорость абсолютного движения Земли и Солнечной системы в пространстве. Если наблюдения проводились для определения такого абсолютного движения, чем же является результат, не зависящий от ожидаемого эффекта? Для ответа на этот главный вопрос было решено провести более расширенные наблюдения в другие времена 1925 г., и это было сделано в июле, августе и сентябре.

Можно спросить, почему это не было сделано раньше? Ответом явля­ется, в частности, то„что мы были озабочены проверкой определенных предсказаний так называемой классической теории, и отчасти то, что нелегко создать новую гипотезу, хотя бы простейшую, в отсутствие прямых наблюдений. Возможно, что существенной причиной этого недо­статка была трудность осуществления наблюдений в любое время дня и в любой сезон. С моей стороны не слишком самоуверенно считать, что во всех научных работах, в которых я участвовал, наблюдения эфирного ветра более утомительны и изнуряющи, чем физическое и нервное напряжение. Однако настройка интерферометра на ин­терференционные линии в белом свете и поддержание этой настройки, когда путь света равен 214 футам (65 м)и состоит из 16 различных участков и когда это осуществляется на открытом воздухе, требует терпения, крепких нервов и твердой руки. Профессор Морли однажды сказал: "Терпеливость - это качество, без которого нельзя приступать к наблюдениям этого типа".

Наблюдения должны проводиться в темноте: в дневное время по­мещение, в котором находился интерферометр, затемнялось черной бумагой; наблюдения должны проводиться при точном совпадении температуры в помещении и снаружи; наблюдатели должны ходить по кругу диаметром 20 футов (6 м), держа глаза у движущегося объектива телескопа, прикрепленного к интерферометру, который плавает в ртутной ванне и равномерно вращается с частотой около одного оборота в минуту; наблюдатель ни в коем случае не должен прикасаться к телескопу и в то же время не должен терять из виду интерференционные

80

полосы, которые видны только через малое отверстие объектива телескопа, примерно 1/4 дюйма (около 6,5 мм) в диаметре; наблюдатель делает 60 отсчетов положения интерференционных линий за каждый оборот в моменты, отмечаемые электрическими щелчками, эта операция должна продолжаться без перерыва в течение 15-20 минут и повторяться многократно за несколько часов работы.

Когда проводятся наблюдения, интерферометр с укрепленным на нем телескопом вращается на ртутной ванне, так что телескоп направляется поочередно на все деления компаса, т.е. на все азимуты. Относительное движение Земли и эфира должно вызывать периодическое смещение интерференционных линий: они сначала должны сместиться в одну сторону, а затем в противоположную по отношению к некоторой средней точке в поле зрения, с двумя полными периодами за каждый оборот. Положения линий отмечались в 60 эквидистантных точках, начиная с направления на север. Азимут оси зрения, при котором смещение максимально, отмечался в два различных периода времени дня, что позволяет наиболее просто вычислить истинное восхождение и склонение или "апекс" предполагаемого "абсолютного" движения Земли в пространстве. Определение направления движения связано с направлением ориентации телескопа, когда смещение интерференционных полос максимально; оно ни в какой степени не зависит от согласования полос с какой-либо частной "нулевой" позицией.

Поскольку отсчеты берутся с интервалом около 3 с, положение максимума определяется наблюдениями, перекрывающими интервал около 10с. Весь период смещения занимает около 25 с. Поэтому определение направления абсолютного движения в большой степени независимо от обычных температурных колебаний. Наблюдения носят дифференциальный характер и могут быть выполнены с высокой степенью достоверности при всех условиях. Комплекс отсчетов обычно содержит около 20 поворотов интерферометра, сделанных за период около 50 мин, это дает около 40 определений периодически повторяющегося эффекта. Эти 40 значений усредняются, что и считается одним "наблюдением". Никакие температурные эффекты или другие виды искажений, если они не обладают периодом в 20 с на интервале в 50 мин, не учитываются за счет усреднения.

Остающийся периодический эффект окончательного усреднения должен быть реальным.

Положение системы интерференционных полос определяется в десятых долях ширины полосы. Действительная скорость движения эфира определяется амплитудой периодического смещения, которое

81

пропорционально квадрату относительной скорости Земли и эфира и длине светового пути. Относительное движение со скоростью в 30 км/с, равное орбитальной скорости Земли, должно было бы создать смещение полос от одного экстремума до другого, равное 1,1 полосы. Возмущения, связанные с температурой или другими причинами, длящиеся несколько секунд или минут, могут повлиять на смещение, наблюдаемое в действительности, что может сделать ненадежным наблюдаемое значение скорости относительного движения, но положение максимума при этом не будет искажено. Поэтому ожидалось, что наблюдения скорости движения будут не столь точными, как наблюдения за направлением движения. Два параметра - скорость и азимут относительного движения - практически взаимно независимы.

Желательно иметь наблюдения, равномерно распределенные на все 24 часа суток. Поскольку одна группа наблюдений занимает около 15 мин, то правильно распределенных 96 групп оказывается достаточно. Проведение такой серии занимало обычно период в 10 дней. В конце наблюдения сводились в одну группу, средняя дата рассматривалась как дата всей серии наблюдений. Наблюдения на Маунт Вилсон в 1925 году соответствовали трем таким датам: 1 апреля, 1 августа и 15 сентября, они были более, чем вдвое, обширными по количеству наблюдений, чем все предыдущие наблюдения, начиная с 1881 г. Общее число наблюдений в Кливленде содержало около 1000 оборотов интерферометра, а наблюдения, проведенные на Маунт Вилсон до 1925 г., содержали 1200 оборотов. Наблюдения же 1925 г. содержали 4400 оборотов, в течение которых было сделано более 100.000 отсчетов. Группа из 8 отсчетов давала величину и направление эфирного ветра, так что было получено 12.500 элементарных определений. Для этого наблюдатель должен был в темноте в малом помещении пройти общую дистанцию в 100 миль, делая отсчеты. Условия проведения всех этих испытаний были довольно хорошими. В некоторые периоды был туман, который хорошо выравнивал температуру. На наружных стенах дома висели четыре прецизионных термометра. Экстремальная вариация температуры часто не превышала 0,1°, а обычно не превышала 0,4°. Такие вариации не могли влиять на периодическое смещение полос. Надо добавить, что во время проведения отсчетов ни наблюдатель, ни регистрирующий сотрудник не имели ни малейшего представления о том, если ли периодичность, какова она и какова ее ориентация.

82

100.000 отсчетов были соединены в группы по 20, усреднены и затем нанесены на графики. Затем графики исследовались механическим гармоническим анализатором с тем, чтобы определить азимут и амплитуду эфирного дрейфа. В работе использовались все наблюдения в оригинале - без пропусков, без назначения "весов" и вообще без каких-либо коррекций. Результаты анализа были нанесены на графики таким образом, чтобы показать вариации азимута на протяжении полных суток для каждой даты наблюдений; вариации амплитуды были нанесены на графики аналогичным образом. Наблюдения 1925 г., таким образом, дали шесть графиков: три из них показывали вариации азимута в различные дни и три - вариации скорости. Графики показаны на рис. 11.1 и 11.2. Точки, соединенные тонкой линией, представляют отдельные наблюдения, каждое из которых усреднено на основании отсчетов, сделанных на 20 оборотах интерферометра за время около 15 мин. Толстая линия представляет собой усреднение наблюдений для всей серии. На рис. 11.1 абсцисса содержит 24 ч гражданских суток, она пересекает ординату в точке, соответствующей направлению на север, положительные значения ординат соответствуют восточным азимутам, а отрицательные - западным. На рис. 11.2 абсцисса также соответствует 24 ч гражданских суток, в то время как по ординате отложено значение скорости эфирного ветра, т.е. скорость относительного движения эфира.

Здесь очевидно, что в наблюдениях содержится реальный эффект: каждая кривая имеет определенную и характерную форму. Результаты определенно не нулевые и не являются случайными ошибками наблюдений. Азимут наблюдавшегося эффекта рис. 11.1 варьируется периодически в течение суток; среднее значение его равно 45°, т.е. северо-западное;, время наибольшей западной девиации варьируется в зависимости от времени года. На рис. 2 показано, что амплитуда эффекта так же варьируется периодически при максимуме всего около 10 км/с, который реализуется в различные периоды дня и различные времена года.

Невозможно представить какие-либо эффекты, связанные с температурой, радиационным нагревом, магнетизмом, гравитацией и другими причинами, которые могли бы создать систематические вариации, определенные для различных моментов времени. Поэтому можно утверждать, что полученный эффект является следствием движения Земли и всей Солнечной системы сквозь эфир, т.е. следствием реального "эфирного ветра".

83



^ Рис. 11.1, Вариации азимута эфирного ветра:

а-1 апреля 1925г.; б-1августа 1925г.; в-15сентября 1925г.

Были проведены многочисленные графические вычислительные определения апекса и скорости такого движения. Эти решения получались с помощью параллелограммного механического аппарата, а также методом наименьших квадратов. Было установлено, что если спроектировать направление в точку в созвездии Дракона, имеющую прямое восхождение 262° и наклонение в 65° - на плоскости интерферометра во все часы дня в периоды наблюдения азимут будет варьироваться так, как показано плавной толстой линией на рис. 11.3. Однако азимут на самом деле должен варьироваться симметрично по отношению к направлению на север, так что кривая должна

84



Рис. 11.2. Вариации скорости эфирного ветра:

а-1 апреля 1925 г.; б-1 aвгycтa 1925 г.; в-15 сентября 1925г.


85

расположиться частично над и частично под абсциссой. На рис. 11.3 кривая была произвольно смещена вниз - в сторону западных азимутов, чтобы согласовать ее с ломаной линией, изображающей истинные результаты наблюдений, взятые из рис. 11.1. Если движение направлено к созвездию Дракона со скоростью 10 км/с и остается неизменным в течение года, то его проекция на плоскость интерферометра должна изменяться по амплитуде в течение суток, для трех таких наблюдений это показано плавной кривой на рис. 11.4. Ломаная линия показывает вариации амплитуды наблюдаемого эффекта, усредненные по отношению к показанным на рис. 11.2.

Кривые, рассмотренные выше, были отнесены к местному гражданскому времени обсерватории Маунт Вилсон. Если направление и скорость движения постоянны в течение года, то графики суточных вариаций могут быть более точно привязаны к сидерическому времени; на рис. 11.5 они именно так и привязаны, при этом жирная линия представляет среднее из всех наблюдений 1925 г. Здесь видно примечательное совпадение кривых для различных времен года, если они привязаны к сидерическому, т.е. к звездному времени. Из графиков видно, что совпадение кривых для направления движения лучшее, чем для амплитуды.

На рис. 11.6 приводится окончательное усреднение относительных данных рис. 11.5 в виде ломаной линии, а рассчитанные значения азимута и скорости эфирного ветра показаны плавной линией. Кривые для азимута вычерчены в масштабе, удвоенном по сравнению с предыдущими рисунками, чтобы лучше представить замечательное совпадение кривых.

Когда наблюдаемые величины представляются в виде указанных двух графиков, они оказываются взаимно независимыми: одна дает прямое восхождение, а другая - склонение абсолютного движения Земли. Прямое восхождение выражается через сидерическое время прохождения азимута с востока на запад через север, это соответствует точке, в которой график пересекает истинную абсциссу, перемещаясь от максимума к минимуму. Пунктирная линия на рис. 11.6 показывает, что это происходит в 17 ч 30 мин, что и является прямым восхождением апекса; в угловой мере это эквивалентно 262°. Склонение апекса может быть определено по амплитуде графика с учетом широты обсерватории;

значение склонения, полученное таким образом, равно +65°. Наблюдаемая скорость движения Земли в проекции на плоскость интерферометра должна показать вариации амплитуды как результат вращения Земли вокруг своей оси. Эта магнитуда должна достигать

86



^ Рис. 11.3. Совмещение теоретической кривой азимута эфирного ветра (плавная кривая) с результатами наблюдений (ломаная ):

а-1 апреля 1925 г.; 6-1 августа 1925 г.; в -15 сентября 1925 г.

минимального значения в сидерическое время, равное прямому восхождению апекса и максимального значения спустя 12 ч. Учитывая широту Маунт Вилсон, равную 31°14', и наклонение апекса, полученное из азимутов наблюдений, получаем, что в момент максимума плоскость интерферометра образует угол менее 8° с направлением движения Земли. Поэтому проекция скорости не сильно отличается от полного значения скорости в это время, которое поэтому может считаться близкой к 10 км/с

87



Рис. 11.4. Совмещение теоретической кривой относительно скорости эфирного ветра (плавная кривая) с результатами наблюдений (ломаная): а-1 апреля 1925г.; б-1 августа 1925 г.; в- 15сентября 1925 г.

88



Рис. 11.5. Отнесение результатов наблюдений эфирного ветра, проведенных в различное время суток, к сидерическому звездному времени:

-1 апреля 1925 г.; о-1 августа 1925 г. ;х-15 сентября 1925г.; -среднее

Наклонение апекса может быть определено как из наблюдений магнитуды, так и из наблюдений азимута, поскольку они определяют отношение между максимальным и минимальным значениями скорости для заданной широты. Совпадение значений прямого восхождения, полученных из этих независимых кривых, показано на рис. 11.6 с помощью ломаной линии. Вместе с хорошим совпадением для наклонения эти данные подтверждают, что наблюдаемый эффект и ожидаемое движение непосредственно связаны. Изучение числовых значений

89


Рис. 11.6. Совмещение усредненных измеренных и теоретических значений азимута и относительной скорости эфирного ветра для 1925 года



результатов показывает, что вероятная погрешность определения азимута эффекта равна ±2°, а вероятная погрешность определения наблюдаемой скорости по отношению к значению 10 км/с равна ±0,6 км/с.

То обстоятельство, что направление и магнитуда эфирного ветра не зависят от местного времени и постоянны по отношению к сидерическому времени, показывает, что эффект независим от орбитального движения Земли. Эффекты орбитального движения не были обнаружены в наблюдениях 1925 г.; это прямо совпадает с результатами, полученными Майкельсоном и Морли в 1887 г. и Морли и Миллером в 1905 г. Чтобы объяснить этот эффект, предположили, что движение Земли в пространстве имеет скорость более 200 км/с, но вследствие неизвестной причины относительное движение Земли и эфира в интерферометре на Маунт Вилсон уменьшается до 10 км/с. При этом предположении компонента, характеризующая орбитальное движение Земли, создает эффект, находящийся в пределах чувствительности метода. По этой причине предполагается, что движение Солнечной системы имеет скорость как минимум 200 км/с, а возможно - значительно большую. Тот факт, что наблюдаемый феномен зависит от сидерического времени и не зависит от суточных и сезонных изменений температуры и от других земных причин, показывает, что это - космический феномен.

90

Предыдущие наблюдения на Маунт Вильсон сопоставимы с последними наблюдениями несмотря на то, что они были недостаточными по объему. На рис. 11.7 сравниваются результаты наблюдений 15 апреля 1921 г. с кривой, рассчитанной по наблюдениям в 1925 г.; как видно, совпадение очень хорошее.

Полное изучение эксперимента по эфирному ветру в 1925 г. на Маунт Вилсон приводит к выводу о существовании систематического смещения интерференционных полос, совпадающих с постоянным относительным движением Земли и эфира в районе обсерватории, равным 10 км/с, и о том, что вариации направления и магнитуды индицируемого движения в точности такие же, какие могли быть созданы постоянным, равномерным движением солнечной системы в пространстве со скоростью 200 км/с или более, апексом в созвездии Дракона около полюса эклиптики с прямым восхождением в 262° и наклонением в 65°. Чтобы истолковать этот эффект как эфирный ветер, необходимо предположить, что Земля увлекает эфир, так что кажущееся относительное движение в районе обсерватории уменьшается от 200 км/с или более до 10 км/с, и что увеличение эфира также смещает кажущийся азимут движения примерно на 45° севере- за паду (разрядка моя - В.А.).


Рис. 11.7. Совмещение усредненных измеренных и теоретических значений азимута и относительной скорости эфирного ветра для 1925 г. (плавная кривая) и 1921 г. (ломаная)



91

Очевидно, что настоящие эксперименты не лучше совпадают с прежними теориями неподвижного эфира, чем эксперименты Майкельсона и Морли в 1887 г. и Морли и Миллера в 1905 г.; настоящая работа ни в коей мере не противоречит им, а наоборот, подтверждает и расширяет их результаты. То, что серия из шести кривых, полученных из полностью независимых наблюдений, проведенных во времена года с существенно различающимися погодными условиями, так хорошо совпадает с кривыми предполагаемого движения, как это показано на рис. 11.5 и 11.6, ведет к бесспорному заключению о том, что наблюдаемый эффект вызывается предполагаемой причиной. Это заставляет обсудить вопрос о том, возможно ли согласование теории эфира с меньшим значением скорости и с другими экспериментальными результатами.

Значения величин, определяющих абсолютное движение Солнечной системы, полученное из вышеизложенных наблюдений эфирного ветра, находится в хорошем согласии с результатами, полученными другими методами. Так, новейшие исследования собственного движения звезд, проведенные Р.Вильсоном в обсерватории Дадли, и радиального движения звезд, проделанные Кемпбеллом и Муром в обсерватории Лик, привели к выводу, что апекс движения Солнца находится в созвездии Геркулеса с прямым восхождением 270° и наклонением около +30° при скорости около 90 км/с. Д-р Штремберг на обсерватории Маунт Вилсон из наблюдения звездных скоплений и спиральных галактик установил, что Солнечная система движется к точке с прямым восхождением 307° и наклонением 56° со скоростью 300 км/с. Различные определения движения Солнечной системы показывают одно и то же направление с разбросом в пределах конуса с углом 20. Предположенная нами скорость 200 км/с есть просто-напросто нижний предел, она может быть и 300, и 400 км/с. Поэтому это предположение не вызывает принципиальных трудностей. Расположение апекса по наблюдениям эфирного ветра в созвездии Дракона с прямым восхождением 262° и наклонением +65° отличается на 6° от направления на полюс эклиптики, а значит, индицированное движение Солнечной системы практически перпендикулярно эклиптике. Ось вращения Солнца отклонена на 12° от данного апекса. Неудивительно, если окажется, что имеются какие-то динамические объяснения этого факта. Предположение о том, что здесь происходит увлечение эфира Землей, требует значительного пересмотра прежних теорий эфира, а также модификации принятых объяснений аберрации.

Комментируя предварительный отчет о настоящей работе, представленный в Национальную академию наук в апреле 1925 г. д-р

92

И.Зильберштейн сказал: "С точки зрения теории эфира – эти результаты, так же, как и предшествующие, легко объясняются с помощью концепции эфира Стокса, модифицированной Планком и Лоренцем и обсуждавшейся автором Зильберштейном в "Philosophical s Magazine" [6 ].

Теория Стокса может быть описана с помощью нижеследующей цитаты из труда сэра Иозефа Лармора "Эфир и материя" (с. 10, 13, 35 и З6):

"Поскольку сэр Джордж Стокс не согласен с тем, что эфир может свободно проходить через материальные тела в том виде, как это представляется Френелем, и поскольку любая другая теория его движения, согласующаяся с наблюдаемой астрономической аберрацией, требует безроторного потока, объяснение ограничений в этом потоке, разъяснял он, должно быть найдено. Эта цепь аргументов, - что движение тел возмущает эфир и что аберрация требует, чтобы возмущения были безроторными, - может быть объяснена только через дисперсию зарождающихся роторных возмущений в поперечные волны и, тем, что излучение само по себе представляет поперечные волны, и это он рассматривает как взаимозависимое отдельное доказательство, проливающее свет на структуру эфира..."

Возникает вопрос, как далеко подобное объяснение может быть распространено на случай, когда эфир увлекается материей, движущейся сквозь него. Здесь должно быть привлечено внимание к рассуждениям сэра Джорджа Стокса, которые могут вызвать предположения о том, что светоносная способность сама по себе противоречит возникновению любых вращательных движений в эфире. В самом деле, несложно видеть, что энергия натяжения твердой несжимаемой среды типа обычной материи может быть истолкована как объемный интеграл, учитывающий только дифференциальное скручивание (вращение), вместе с поверхностным интегралом, определяющим граничные условия, а отсюда следует, что местные возникновения вращательного движения в упругом эфире должны немедленно преобразоваться в поперечные волны, так что, если жесткость достаточно велика, никаких следов вращательного движения в среде не сохраняется.

Существуют систематические различия в так называемой стандартной аберрации и в стандартных положениях звезд для различных обсерваторий, которые могут быть объяснены с помощью гипотезы о вариациях эфирного ветра, связанных с разницей в локальном коэффициенте увлечения. Увлечение для каждой данной станции зависит в большей или меньшей степени от высоты местного рельефа и

93


распределения больших масс, таких, как горные хребты. Эксперименты по определению эфирного ветра никогда не производились на уровне моря и вообще нигде, кроме Маунт Вилсон при удовлетворительном объеме, достаточном для точного измерения эффекта. Имеющиеся результаты показывают, что эфирный ветер на Маунт Вилсон не слишком сильно отличается от наблюдавшегося в Кливленде и что на уровне моря он будет примерно тем же.

Снижение измеренной скорости с 200 км/с или большей до наблюдавшегося значения 10 км/с может быть объяснено также и теорией сокращения длин, выдвинутой Лоренцем и Фицджеральдом, без предположения о дрейфе эфира. Сокращение может зависеть или не зависеть от физических свойств тела и может быть или не быть в точности пропорциональным квадрату относительной скорости Земли и эфира. Весьма малое отклонение сокращения от количества, вычисленного Лоренцем, может объяснить наблюдавшийся эффект. В настоящее время пересмотр результатов эксперимента Морли-Миллера 1902-1904 гг. в свете эффекта Лоренца-Фицжеральда показал, что интерпретация этого эффекта может быть модифицирована в связи с учетом большой скорости Солнечной системы, определенной в 1925 г.

Необходимо твердо указать, что определение абсолютного движения Солнечной системы из интерферометрических наблюдений - одно из чрезвычайно сложных. Я очень обязан проф. Дж.Дж.Нассау из отдела математики и астрономии Кейсовской Школы прикладных наук и д-ру Дж. Штрембергу из руководства обсерваторией Маунт Вилсон, которые оказали огромную помощь в анализе и математической обработке различных частей проблемы.

Примечание. Пока подготавливалась эта работа, на Маунт Вилсон 8 февраля 1926 г. была проведена весьма обширная серия наблюдений, состоящая из 2000 оборотов интерферометра. Общее заключение: эти наблюдения вполне совпадают с вышеизложенным отчетом, хотя возможно, что будут небольшие модификации в количественных результатах, когда все наблюдения будут обобщены. Подробные вычисления займут несколько месяцев.

Дэйтон К.Миллер. Кейсовская Школа прикладных наук.

94

Список литературы

1. Address of the president of the American Physical Society, read at Kansas City, December 29,1925.

2. Michelson and Morley. Relative Motion of the Earth and the Lumioiferous Ether.// An. Л. of Sd. 1887. Vol. 34. P.333; Phil. Mag. 1887. Vol. 24. P. 449; Jl. de Phys. 1888. Vol. 7. P. 444.

3. Morley and Miller. An Experiment to detect the Fitz-Gerald-Lorentz Effect.// Phil. Mac. 1905. Vol. 9. P. 680: On the Theory of Experiments to detect Aberrations of the Second Degree. // Phil. Mag. 1905. Vol. 9. P. 669.

4. Einstein. Zur electrodynamik bewegter Korper. // Ann. der Physik. 1905. В. 17. S. 891.

5. Milter. Ether-drift Experiments at MoimtWilson Observatory. // Phys. Rev. 1922. Vol. 19. P. 407; Science. 1922. Vol. 55. p. 496.

6. Phil. mag. February. 1920. Vol. 39. P. 161.

Science. 1926. Vol. LXIII, No. 1635. April 30.

95




Похожие:

Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер iconRe: Эксперимент по обнаружению эфирного ветра – эксперимент с зеркалом и лазерной указкой. Ответ #244
Эксперимент по обнаружению эфирного ветра – эксперимент с зеркалом и лазерной указкой
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер icon14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г
Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля...
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер icon"Измерение скорости эфирного ветра и кинематической вязкости эфира в диапазоне оптических волн" Галаев Ю. М
Измерение скорости эфирного ветра и кинематической вязкости эфира в диапазоне оптических волн
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер iconВозможно, Майкельсон ошибся…
Майкельсон (Michelson) Альберт Абрахам (1852 – 1931) с помощью, изобретенного им, интерферометра в 1881 году предпринял попытку обнаружения...
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер iconEther-drift experiments at Mount Wilson
Эксперимент Майкельсона–Морли по определению относительного движения Земли и светоносного эфира — «эфирного ветра» — был впервые...
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер icon4. Отчет об эксперименте по обнаружению эффекта Фицжеральда- лоренца Эдвард В. Морли, Дэйтон К. Миллер
После этого Фицжсральд и Лоренц выдвинули предположение, что при движении сквозь эфир размеры аппаратуры могут изменяться. Если такие...
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер icon© 2001 г. О. В. X левню к советская экономическая политика на рубеже 1940-1950-х годов и "дело госплана"
Например, Дж. Миллер считает, что "послевоенные годы были годами консерватизма, но не экспериментов. Это был период в течение которого...
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер iconКелли Л. Росс
Из этой теории потом можно было вынести идеи по поводу “эфирного ветра” и о том, как можно измерить скорость движения Земли сквозь...
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер iconОпределение учебной самостоятельности выпускников начальной школы Показатели: Способность к обнаружению учебной задачи
Тест Способность к обнаружению учебной задачи Прочитай текст и подчеркни слова, которые являются формулировкой учебной задачи
Значение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер iconУрок географии в 6 классе: «Ветер. Причина образования и значение ветра». Технология поэтапного формирования умственных действий в усвоении географических понятий
Цели и задачи: сформировать понятия “ветер”, “бриз”, “муссон”, причины их образования
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов