14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г icon

14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г



Название14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г
страница1/4
Дата конвертации28.08.2012
Размер0.69 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4

14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г.

Conference on the Michelson-Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5,1927

Присутствие проф. А.А.Майкельсона и проф. Г.А.Лоренца в Пасадене в первых месяцах 1927 г. оказалось исключительно своевременным для проведения конференции по теоретическому и практическому аспектам эксперимента Майкельсона-Морли. Поскольку проф. Майкельсон планировал совместно с обсерваторией Маунт Вилсон повторить эксперимент, проведение этой конференции было особенно желательно. Большую инициативу в этом отношении проявил доктор Чарльз Э. Ст. Джон. Экспериментальная часть была представлена доктором Р.С.Кеннеди. Проф. Э.Р.Гедрик представил математический расчет светового пути, выполненный им совместно с проф. Л.Ингольдом, присутствовавший проф. П.С.Эпштейн привел расчет эксперимента Троутона-Нобеля, недавно повторенного Чейсом в Калифорнийском технологическом институте, а также другими экспериментаторами. После основных представленных докладов состоялась дискуссия. Доктором Фрицем Цвики и Гленом Х.Пальмером из Калифорнийского института были представлены короткие заметки.

Выступления проф. Майкельсона и Лоренца были посвящены детальному изложению результатов, полученных Д.К.Миллером, который, к счастью, также смог присутствовать.

ДОКЛАДЫ

1. Профессор А.А.Майкельсон, Чикагский университет

В 1880 году я задумался над возможностью измерения оптическим способом скорости w движения Земли в Солнечной системе. Ранние попытки обнаружить эффекты первого порядка основывались на идее движения системы сквозь стационарный эфир. Эффекты первого порядка пропорциональны w/c, где с - скорость света. Исходя из представлений о любимом старом эфире (который теперь заброшен, хотя я лично еще его придерживался), ожидалась одна возможность, а именно, что аберрация света должна быть различной для телескопов,

112



Рис. 14.1. Схема устройства с двумя световыми лучами; один из лучей проходит через трубу с водой

заполненных воздухом или водой. Однако, эксперименты показали вопреки существующей теории, что такой разницы не существует.

Теория Френеля первая объяснила этот результат. Френель предположил, что вещество захватывает эфир, частично (увлечение эфира), придавая ему скорость w, так что

w' =ρw.

Он определил ρ - коэффициент Френеля через показатель рефракции μ:



Этот коэффициент легко получается из отрицательного результата следующего эксперимента.
Два световых луча пропускаются вдоль одного пути (рис. 14.1:0,1,2,3,4,5) в противоположных направлениях и создают интерференционную картину. I - это труба, заполненная водой. Если теперь вся система движется со скоростью w сквозь эфир, при перемещении трубы из положения I в положение II должно ожидаться смещение интерференционных полос. Смещение же не наблюдалось. Из этого эксперимента при учете частичного увлечения эфира может быть определен коэффициент Френеля ρ. Он может быть также очень просто и непосредственно выведен из преобразований Лоренца.

Результат Френеля считался универсальным исследователями, включая Максвелла, который подчеркнул, что хотя не может существовать эффектов первого порядка, возможно, могут существовать эффекты второго порядка, пропорциональные w22. Тогда при w = 30 км/с для орбитального движения Земли w/c = 10-4 и w2/c2 = 10 -8, значение слишком малое для измерения, по мнению Максвелла.

113



Рис. 14.2. Схема первого аппарата для обнаружения эффектов второго порядка

Мне показалось, однако, что, используя световые волны, можно придумать соответствующее приспособление для измерения такого эффекта второго порядка. Продуман аппарат, включающий в себя зеркала, движущийся со скоростью w сквозь эфир, в аппарате два световых луча проходят взад и вперед, один параллельно к w, а другой - под прямым углом к w. В соответствии с классической теорией изменения в световом пути, вызванные w, должны быть различными для обоих лучей и это должно производить ощутимое смещение интерференционных полос. Первая схема, в которой реализована попытка обнаружения эффектов второго порядка, изображена на рис. 14.2. При реализации ее, однако, натолкнулись на очень большие трудности и от нее вскоре отказались, и к счастью, потому что это привело к созданию конструкции интерферометра, который доказал свою ценность во многих экспериментах.

Интерферометр (рис. 14.3) известен всем вам. При наложении двух лучей, пропущенных соответственно от источника к стеклянной пластинке и затем к зеркалам 1 и 2 и обратно, получается ряд интерференционных полос. Если применен белый свет, то центральные полосы будут белыми, а края полос - цветными. При движении аппарата со скоростью w сквозь эфир должен возникать такой же эффект в свете, что и при движении лодки, стремящейся плыть вниз или вверх по течению или вперед и назад поперек течения. Время, требуемое для преодоления дистанции вперед или назад, будет различным для обоих случаев. Это легко видеть из того, что какова бы ни была скорость течения, лодка всегда должна вернуться к тому месту, из которого она стартовала, если она движется поперек течения, в то время как, если

114

она движется вдоль течения, она может оказаться неспособной вернуться обратно против течения.

Я попытался провести эксперимент в лаборатории Гельмгольца в Берлине, но вибрации городских магистралей не позволили стабилизировать положение интерференционных полос. Аппаратура была перенесена в лабораторию в Потсдаме. Я забыл имя директора (думаю, что это был Фогель), но вспоминаю с удовольствием, что он немедленно проявил интерес к моему эксперименту. И хотя он никогда не видел меня раньше, он предоставил всю лабораторию вместе с ее штатом в мое распоряжение. В Потсдаме я получил нулевой результат. Точность была не очень высока, потому что длина оптического пути составляла около 1 м. Тем не менее, интересно отметить, что результат был вполне хорошим. Когда я вернулся в Америку, мне посчастливилось в Кливленде вступить в сотрудничество с проф. Морли. В аппаратуре был применен все тот же принцип, что и в аппаратуре, использованной в Берлине, хотя длина светового пути была увеличена за счет введения некоторого числа отражений вместо единственного прохождения луча фактически длина пути составила 10-11 м, что должно было за счет орбитального движения в эфире дать смещение в половину полосы. Однако ожидаемого смещения обнаружено не было. Смещение полос было определено меньше, чем 1/20 или даже 1/40 от предсказанного теорией. Этот результат может быть истолкован так, что Земля захва-



Рис. 14.3. Интерферометр Майкельсона

115

тывает собой эфир почти полностью, так что относительная скорость эфира и Земли на ее поверхности равна нулю или очень мала. Это предположение однако весьма сомнительно, потому что противоречит другому важному теоретическому условию. Лоренцем было предложено иное объяснение (Лоренцово сокращение), которое в окончательной форме выведено как результат знаменитых преобразований Лоренца. Они составляют сущность всей теории относительности. Эксперимент Майкельсона-Морли был предложен Морли и Миллером, которые снова получили отрицательный результат. Миллер затем продолжил работы самостоятельно, и, похоже, теперь, что получен определенный положительный эффект. Этот эффект, однако, не может быть получен за счет орбитального движения Земли. Похоже, что он возникает вследствие движения Солнечной системы относительно звездного пространства, скорость которого может быть много большей орбитальной скорости Земли.

Наблюдения г-на Миллера вызывают новый интерес к проблеме. Превосходная часть работы уже выполнена господином Кеннеди, чей доклад вы услышите. Я сам намерен вернуться к этому эксперименту, но может пройти несколько месяцев, прежде чем я смогу изложить мои результаты, которые, как я надеюсь, смогут пролить свет на этот предмет.

Ц. Профессор Г.А.Лоренц, Лейден, Голландия

Движение Земли сквозь гипотетический эфир (называемый так в соответствии с исторической терминологией) может оказывать влияние на различные явления. Первым, относящимся сюда явлением, обнаруженным экспериментально, была аберрация света. Она обсуждалась на основе волновой теории света в форме, предложенной Френелем. Точку зрения Френеля мы можем выразить следующим образом: мы строим наши диаграммы в системе координат, связанных с Землей. В этой системе вся весомая материя покоится. Но эфир может двигаться сквозь нее. Допустим, скорость эфира есть w. Если эфир не движется, то скорость света, проходящего сквозь вещество, будет равна и = с/μ, где μ - показатель преломления, а с- скорость света в вакууме. Теперь сформируем вокруг Р элементарную волну. Через время dt она образует сферу радиусом udt. Центр О этой волны не будет, однако, совпадать с Р, а будет смещен на расстояние kwdt, где (1-k) есть коэф-

116

фициент Френеля 1-1/μ2 = ρ. Таким образом, k=1/μ 2.PQ есть пуп» света. (Мы обозначим через v скорость луча света.)

Из рис. 14.4, на котором PQ = vdt ; PO = kwdt и OQ = udt, мы получим соотношение:

PQ: РО : OQ = v: kw: и и, следовательно,



Вывод этой формулы основан на принципе Гюйгенса и увлечении Френеля. Принцип Гюйгенса может быть использован в любом случае. Он просто отражает распространение элементарной волны и образование волнового фронта. Относительно коэффициента увлечения я напоминаю, что Френель нашел его сначала на механической основе, исходя из упругой теории света. Это было для того времени весьма значительное преобразование.

Если мы пренебрежем членами с w2 , мы найдем



Направление луча света между данными точками определяется из условия (принцип Ферма):





так, как если бы не было движения эфира. Таким образом, мы заключаем, что направление луча не изменяется при движении эфира.

Рассуждения, приведенные выше, включают также случаи отражения и преломления.

Теперь рассмотрим два пути (индексы 1 и 2 на рис. 14.5) для луча света, проходящего из заданной точки ^ Р к другой заданной точке Р́. Время, требуемое для прохождения света между ними, для пути 1 составляет






Последние члены выражений равны. Поэтому разность между двумя интервалами времени не меняется при движении эфира. Это движение, следовательно, не оказывает влияния как на интерференцию, так и на дифракцию.

Можно заметить, что разность между интервалами времени, которая обсуждалась, должна зависеть от движения эфира, если это движение не безвихревое. Изменение создано разностью двух интегралов



взятых для двух путей между Р и Р́ . Для этой разности можно написать линейный интеграл скорости w, взятый по замкнутой цепи, сформированной двумя траекториями.

Рассмотрим два примера вращения Земли. Если эфир стационарен, его движение относительно Земли будет вращением в противоположном направлении. Если теперь зафиксировать относительно Земли широкий контур прямоугольной формы и в нем пропустить в противоположных направлениях два луча света, то относительное движение эфира даст изменение в положении полос интерференционной картины, образованной этими двумя лучами. Этот эффект наблюдался проф. Майкельсоном и Гелем.

В нижеследующем не должно возникать вопроса о вращении Земли, а только должна учитываться годичная аберрация. Для пояснения этого приведенных рассуждений достаточно. Если в точке, находящейся на некотором расстоянии от Земли, направление луча, проходящего

119

от звезды, задано в той системе координат, в которой движется Земля, то оно может быть сведено к такому направлению луча в системе координат, фиксированной относительно Земли, что направления этих относительных лучей определятся обычными законами оптики.

Мы провели обсуждение некоторых специальных теорий. В теории Френеля эфир предполагается неподвижным; его движение относительно Земли может быть истолковано как постоянное смещение, которое, конечно, безвихревое. Необходимо вводить коэффициент увлечения, потому что при наблюдениях эфир движется сквозь весомые тела (линзы), содержащиеся в нашем приборе.

Стокс предложил теорию, в которой эфир обладает безвихревым движением, так что во всех точках земной поверхности его скорость равна скорости Земли. С помощью этого последнего предположения он смог избежать ввода френелевского коэффициента.

Как бы то ни было, наконец, когда эфир предполагался несжимаемым, допущения Стокса пригодны для любого эфира. Если сфера движется с постоянной скоростью в несжимаемой среде, движение среды полностью определяется условием отсутствия в ней вихрей и тем, что в направлении, нормальном к поверхности, точки сферы и примыкающей к ней среды имеют одинаковую скорость. В тангенциальном же направлении две скорости будут непременно различны.

Пока дело касается аберрации, модификация теории Френеля допустима. Когда же мы добавляем коэффициент увлечения, мы можем принять существование некоторого движения эфира, допуская, что он безвихревой. Фактически это обязательное его состояние. Предположим для примера, что на верхней части поверхности Земли, которая может рассматриваться как плоскость, эфир течет в горизонтальном направлении х со скоростью w, и его скорость увеличивается с высотой у над поверхностью Земли. Это движение может и не быть безвихревым и может не приводить к наблюдаемой аберрации. Поскольку существование скоростного потенциала требует равенства производных dwx/dy и dwy/dx, наблюдаемая аберрация может существовать только тогда, когда в дополнение к предполагаемому движению в горизонтальной плоскости имеется некоторая вертикальная скорость эфира, меняющаяся от одной точки поверхности к другой.

Пока стоял вопрос только об эффектах первого порядка, то есть об эффектах, которые должны быть пропорциональны первой степени отношения скорости Земли к скорости света. Сюда относятся почти все случаи, в которых астрономы и физики пытаются выделить составляющую движения Земли в оптических и электрических явлениях, толь-

120

ко эффекты этого порядка величины могли бы наблюдаться. Тот факт, что все эти попытки оказались бесплодными и что это могло быть объяснено при теоретическом рассмотрении типа приведенного, вновь и вновь вело к признанию того, что движение Земли никогда не сможет быть обнаружено с помощью эффектов первого порядка. В этом мнении значительно утвердились, когда Эйнштейн развил свою теорию относительности и просто постулировал, что результаты всех экспериментов, которые мы проводим в наших лабораториях, должны быть независимы от движения Земли, каковы бы ни были точности наших измерений и порядок эффектов, которых мы могли бы достичь. К экспериментальным свидетельствам, которые мы всегда имели, добавилось обаяние красивой и самосогласующейся теории.

Я могу добавить, что исторически до развития теории относительности ситуация была несколько похожа на ту, которая сейчас характерна для квантовой механики. Конечно, имелось не так много людей, работающих в области физических полей, как сейчас. И все же мы часто живо обсуждали этот предмет. Я особенно запомнил собрание Германского общества естественных наук в Дюссельдорфе в 1898 г., на котором присутствовали немецкие физики Планк, В.Вин, Друде и многие другие. Было представлено несколько приборов, с помощью которых можно было бы наблюдать эффект, но, насколько мне известно, ни одна из этих попыток не была даже предпринята. Убеждение в том, что эффекты первого порядка не могут быть обнаружены, слишком сильно. Мы даже привыкли, в конце концов, рассматривать только аннотации экспериментальных статей, которые подтверждали это положение. В случае, когда результат оказался отрицательным, мы чувствовали полное удовлетворение.

Что касается эффекта второго порядка, то здесь ситуация была значительно сложнее. Экспериментальные результаты могли быть объяснены известным способом - путем преобразования координат из одной системы в другую. Было также необходимо преобразование времени. Так я ввел концепцию местного времени, которое различно для различных систем отсчета, движущихся друг относительно друга. Но я никогда не думал, что это относится как-то к реальному времени. Реальное время для меня было по-прежнему представлено старым классическим понятием как абсолютное время, которое не зависит от каких бы то ни было специальных систем отсчета. Там существует, по моему мнению, только это одно истинное время. Я рассматриваю мои преобразования времени только в качестве эвристической рабочей гипотезы. Подобным же образом теория относительности есть реально

121

работа исключительно Эйнштейна. И можно не сомневаться, что он понимает это, даже если бы работа всех его предшественников и не была выполнена. Его работа в этом отношении не зависит от предшествующих теорий.

Я немного скажу о теории эксперимента Майкельсона-Морли, который с начала и всегда имел отношение к эффектам второго порядка. Результат снова должен быть отрицательным, если мы следуем теории относительности. Если же вместо этого мы учтем в эксперименте наш старый стационарный эфир, то мы должны с большой тщательностью продумать пути интерферирующих лучей и время, за которое свет проходит вдоль каждого из них от источника до точки, где возникает интерференция.

Для этой цели мы должны снова применить фундаментальное уравнение (1). Ограничивая себя распространением в эфире, мы можем положить и = с, k = 1, так что уравнение приобретает вид



Теперь рассмотрим два пути 1 и 2, вдоль которых свет может идти от точки Р до точки Р΄ (см. рис. 14.5). Для каждого из них время, требуемое для распространения, будет определяться выражением в форме



и мы сможем рассчитывать оба времени, если мы знаем траектории, вдоль которых берем интегралы. Допустим, что траектории l1 и l2 изображают пути двух лучей такими, какими они должны быть, если эфир не движется сквозь диаграмму. Как показано, эти траектории не меняются при движении до тех пор, пока мы учитываем лишь члены порядка w/c. Они могут, однако, меняться, если, как теперь предлагается, принять во внимание члены второго порядка. Мы получим тогда, в частности, пунктирные линии l 1́ и l2́, отстоящее от

122

l1 и l2 на расстояние по нормали к этим линиям на величину второго порядка. Мы должны теперь рассчитать время распространения для путей l1́, 'и 12́ , обозначаемое через Тl1́ и Тl2́ . Поскольку, однако, Т минимально для l1 и сравнивается с рядом лежащей траекторией и поскольку смещение от l1 до l1' есть величина второго порядка, различие между Тl1 и Тl1́ будет четвертого порядка. Этим можно пренебречь, когда мы отыскиваем величины второго порядка. Подобным же образом мы сместим Тl2́́, от Tl2. Это означает, что в определении фазовых разностей мы можем использовать величины из (3) для лучей, так что они будут соответствовать обычным законам оптики при отсутствии движения Земли.

Таким образом, мы пришли к обычной теории эксперимента, который должен дать надежду на смещение интерференционных полос, отсутствие которого объясняется хорошо известным гипотетическим сокращением (Лоренцово сокращение).

Если меня спросят, рассматриваю ли я это сокращение как реальность, я отвечу "да". Она такая же реальность, как все, что мы наблюдаем.

^ Ш. Профессор Дэйтон К.Миллер, Кейсовская школа прикладных наук

Эксперименты, о которых я буду докладывать сегодня, похоже, приводят к заключению, которое противоречит обычной интерпретации эксперимента Майкельсона-Морли. Для того чтобы изложить историю полнее, я начну с заключения по экспериментам, которые были проведены Майкельсоном и Морли в 1887 г. в Кливленде; эти эксперименты были истолкованы как показавшие отсутствие эфирного ветра. Д-р Лоренц в 1895 г. предложил первое объяснение этому неожиданному результату, предположив, что движение твердого тела сквозь эфир может сопровождаться сокращением размера этого тела в направлении движения с одновременным вытягиванием его в поперечном направлении, сокращение и растяжение пропорциональны квадрату отношения скоростей перемещения и света, их значения таковы, что уничтожают эффект эфирного ветра в интерферометре Майкельсона-Морли. Оптические размеры этого ин-

123

терферометра были определены базой из песчаника, на которой были размещены зеркала. Если сокращение размеров зависит от физических свойств твердого тела, то можно предположить, что сосновые балки будут испытывать большее сокращение, чем песчаник, в то время как сталь может сократиться в меньших пределах. Если сокращение размеров нивелирует ожидаемое смещение полос в одном аппарате, то оно же может в другом аппарате дать смещение, отличное от нуля, возможно, даже противоположного знака.

На Международном конгрессе по физике, состоявшемся в 1900 г. в Париже, Лорд Кельвин произнес речь, в которой он изложил теорию эфира. Он заметил, что "... только единственным облаком в ясном небе теории был нулевой результат эксперимента Майкельсона-Морли". Профессор Морли и автор присутствовали при этом, и в разговоре Лорд Кельвин сказал, что эксперимент должен быть повторен с более чувствительным прибором. Автор в содружестве с профессором Морли сконструировал интерферометр примерно в четыре раза более чувствительный, чем примененный в первом эксперименте, с длиной оптического пути 214 футов (65,3 м), эквивалентной, примерно, 130 млн. длин волн. В этом приборе относительная скорость Земли и эфира, равная орбитальной скорости Земли, должна быть выявлена смещением интерференционных полос на 1,1 полосы. Такое смещение определяется размером прибора, который с тех пор и применялся. Оптическая часть была сделана заново, из первоначального аппарата использовали только бак с ртутью и деревянный поплавок.

Такой прибор с основой из сосновых досок был применен в Кливленде в 1902, 1903 и 1904 гг. для непосредственной проверки эффекта Лоренца-Фицжеральда, но изменения параметров деревянной рамы, вызванные изменениями влажности и температуры, затрудняли получение точных наблюдений. Проф. Ф.Х.Нефф из отделения гражданской техники Кейсовской школы прикладных наук рассчитал новый опорный каркас в целях обеспечения как симметрии, так и жесткости. Этот каркас или основа был сделан из структурной стали и был так сконструирован, что оптические размеры могли быть зависимыми лишь от длины кусков дерева или же самого стального каркаса. Наблюдения с этим аппаратом были выполнены в 1904 г. Вся методология была основана на ожидании эффекта, вызванного комбинацией суточного и годичного движения Земли совместно с предполагаемым движением Солнечной системы со скоростью в19км/с в направлении созвездия Геркулеса. Для наблюдений было выбрано два момента времени, когда результирующая этих движений лежала в плоскости ин-

124

терферометра: около 11 ч 30 мин (до полудня) и в 9 ч (после полудня). Рассчитанный азимут движения должен быть для этих двух моментов времени различен. Наблюдения для этих двух моментов времени были поэтому сконструированы таким образом, чтобы ожидаемый азимут для утреннего времени совпадал с азимутом для вечернего времени. Наблюдения для этих двух моментов времени суток дали результаты, имеющие положительную амплитуду, но почти противоположные фазы; когда они были сложены, результат был почти нулевым. Таким образом, результат оказался противоположным ранее обсуждавшейся теории, но согласуется с идеями, которые появились позже и изложены в настоящем докладе; теперь видно, что совмещение двух серий наблюдений с различными фазами основано на ошибочной гипотезе и что положительные результаты, полученные тогда, находятся в согласии с новой гипотезой солнечного движения. Наш доклад об этих экспериментах, опубликованный в Philosophical Magazine в мае 1905 г., заканчивается следующим соображением: "Можно полагать, что эксперимент лишь показал, что эфир в конкретной подвальной комнате' увлекается в продольном направлении вместе с ней. Мы собираемся поэтому переместить аппарат на холм, чтобы посмотреть, не обнаружится ли там эффект".

Как о важном факторе я могу упомянуть о наших представлениях, при которых мы выполняли эксперимент. Было желательно получить определенный эффект, чтобы подтвердить конкретную теорию. Мы представляли, что должна получаться определенная картина. Мы рассчитали амплитуду и азимут эффекта из теории и обсуждали наши экспериментальные результаты в связи с этими специфическими ожиданиями. В каждом случае мы устанавливали, что результат был отрицателен, как и ожидалось. Но никогда не было числового нуля, даже в первоначальном эксперименте Майкельсона-Морли. Это был нуль лишь по отношению к орбитальному движению Земли. Полученный же эффект, однако, был более чем достаточным, чтобы быть измеренным. Эксперименты были призваны доказать, что это происходит не только не благодаря магнитным деформациям формы прибора, но и не вследствие температурных возмущений, тем более, что смещения полос были систематическими. Высказывалось предположение, что эфир может увлекаться внешней и внутренними сторонами каменного строения различно.

Осенью 1905 г. Морли и Миллер возвратили интерферометр из подвального помещения лаборатории на место на Евклидовых высотах в Кливленде, свободное от нагромождения зданий и находящееся на

125

высоте около 300 футов (90 м) над озером Эри и около 870 футов (265 м) выше уровня моря. Дом был построен из очень легких конструкций и его стеклянные окна были расположены в направлении ожидаемого эфирного ветра. В 1905 -1906 гг. было сделано пять серий наблюдений, которые дали определенный положительный эффект - около 1/10 ожидаемого дрейфа. Проф. Морли устранился от активной работы в 1906 г., и продолжение эксперимента легло на плечи автора настоящего доклада. Было весьма желательно, чтобы дальнейшие наблюдения были вынесены на большую высоту, но многочисленные причины препятствовали проведению наблюдений.

Во время солнечного затмения 1919 г. было проведено измерение отклонения света звезд Солнцем, подтвердившее теорию относительности. Полученные результаты были широко восприняты как подтверждение этой теории. Это вновь возбудило интерес автора к экспериментам по эфирному ветру, интерпретация которых никогда для него не была приемлема. Благодаря любезности президента Мерриама и директоров Хале и Адамса было предоставлено место в обсерватории Маунт Вилсон на вершине горы Маунт Вилсон, имеющей высоту около 6000 футов (1860 м). Интерферометр для исследования эфирного ветра был установлен на место в феврале 1921 г., и наблюдения продолжались в течение пяти лет.

Наблюдения были начаты в марте 1921 г., аппарат и методика, использованные Морли и Миллером в 1904,1905 и 1906 гг., претерпели некоторые изменения и были дополнены в деталях. Первое же наблюдение дало положительный эффект, такой, какой и должен был бы быть произведен реальным эфирным ветром, соответствующим движению Земли относительно эфира со скоростью 10 км/с. Однако прежде чем объявлять этот результат, показалось необходимым изучить каждую возможную причину, которая способна вызвать смещение интерференционных полос, подобное тому, что вызывается эфирным ветром; среди причин наиважнейшими были магнитострикция и тепловое излучение. Для исследования последнего металлические части интерферометра были полностью закрыты пробкой толщиной 1 дюйм; было проведено 50 серий наблюдений, обнаруживших такое же периодическое смещение интерференционных полос, как и в первых наблюдениях, и таким образом показавших, что тепловое излучение не является причиной наблюдаемого эффекта.

Летом 1921 г. стальной каркас интерферометра был демонтирован, и база из цельного куска бетона, усиленного латунью, была помещена на чан с ртутью. Все металлические части были сделаны из алюминия

126

или латуни; таким образом, весь аппарат был освобожден от магнитных влияний, а возможные эффекты, зависящие от тепла, были сильно уменьшены. В декабре 1921 г. были проведены 42 серии наблюдений с немагнитным интерферометром. Они показали положительный эффект, такой, как от воздействия эфирного ветра, который полностью соответствовал наблюдениям в апреле 1921 г. В этот период было испытано множество вариаций случайных воздействий. Наблюдения проводили с вращением интерферометра по часовой и против часовой стрелки с быстрым и очень медленным вращением, с интерферометром, крайне наклоненным благодаря нагрузке на одну сторону поплавка. Результаты наблюдений не зависели ни от одного из этих изменений.

Весь аппарат был возвращен в лабораторию в Кливленд. За период 1922 и 1923 гг. было проведено множество испытаний, при различных условиях, которые контролировались, с множеством модификаций и переделками частей аппарата. Были переделаны призмы и зеркала, так что источник света можно было расположить вне помещения для наблюдения, далее потребовалось усложнение зеркал для наблюдения интерференционных полос в стационарный телескоп. Были опробованы методы фотографической регистрации с помощью кинокамеры. Были опробованы различные источники света, включая Солнце и электрическую фару. Наконец, подготовка был признана удовлетворительной для того, чтобы проводить наблюдения с астрономическим телескопом, имеющим объектив с 5-дюймовой апертурой (127 мм) и увеличением в 50 раз. Источником света служила яркая ацетиленовая лампа типа тех, которые применяются в автомобилях в качестве головных фар. Для определения влияния неравномерности температуры и теплового излучения была проведена обширная серия экспериментов, в которой были опробованы различные изолирующие покрытия для основы интерферометра и его оптических путей. Эти эксперименты доказали, что в условиях реальных экспериментов периодические смещения не могут быть вызваны температурными, эффектами. Расширенные исследования, проведенные в лаборатории, показали, что полнопериодическое смещение полос, упоминавшееся в предварительном докладе о наблюдениях на Маунт Вилсон, обязательно проявляется в результате геометрической регулировки зеркал, когда используются интерференционные полосы конечной ширины, и что это смещение исчезает только для полос неопределенной ширины, что и предполагается простой теорией эксперимента.

В июле 1924 г. интерферометр был вновь перенесен на Маунт Вилсон и смонтирован на новом месте, где температурные условия

127

были более благоприятные, чем в 1921 г. Домик для интерферометра был также смонтирован с иной ориентацией. Снова наблюдения показали периодическое смещение интерференционных полос, как и во всех наблюдениях, предварительно выполненных на Маунт Вилсон и в Кливленде.

Несмотря на многочисленные попытки, оказалось невозможным объяснить эти эффекты как результат каких-либо земных причин или ошибками эксперимента. Были проделаны обширные вычисления с целью попытаться примирить теорию эфира с вероятным движением Земли в пространстве. Для того чтобы последовательно исследовать одну за другой предлагаемые гипотезы, наблюдения для определенных эпох были повторены. В конце 1924 г., когда объяснение получаемых результатов казалось уже невозможным, для начала каждого месяца года были проведены полные вычисления ожидаемого эффекта. Они показали, что смещение полос должно быть максимальным около 1 апреля и что направление максимального смещения полос должно вращаться вокруг горизонта в течение 24 часов в сутки. Для проверки этого предположения были проведены наблюдения в марте и апреле 1925 г. Смещение полос оказалось максимальным из всех ранее наблюдавшихся, но его направление не проходило последовательно все направления компаса и не давало направления 90° в сторону через интервал в шесть часов. Вместо этого направление максимума смещения полос только колебалось вперед и назад на угле около 60°, имея в основном северо-западное направление.

До 1925г. эксперимент Майкельсона-Морли всегда использовался для проверки определенной гипотезы. Рассматривалась только та теория эфира, которая предполагала, что это абсолютно стационарный эфир, через который Земля движется, совершенно не возмущая его. Применительно к этой гипотезе эксперимент дал отрицательный ответ. Этот эксперимент был предназначен только для проверки вопроса с учетом особенностей известных движений Земли, называемых осевым и орбитальным, сложенных с постоянным движением Солнечной системы по направлению к созвездию Геркулеса со скоростью около 19 км/с. Результаты эксперимента оказались не согласованными с такими предполагаемыми движениями. Эксперимент был годен и для проверки гипотезы Лоренца-Фицжеральда, предполагавшей, что размеры тел изменяются при их движении сквозь эфир; были проведены проверки эффектов магнитострикции, теплового излучения и гравитационной деформации каркаса интерферометра. И хотя все эти наблюдения, продолжавшиеся годами, на различные вопросы давали отрицательный

128

ответ, неизменно присутствовал постоянный и устойчивый небольшой эффект, который не был объяснен.

Интерферометр для измерения эфирного ветра - это инструмент, который обычно приспособлен для определения относительного движения Земли и эфира; следовательно, он способен указать направление и скорость абсолютного движения Земли и Солнечной системы в пространстве. Если наблюдения были проведены для определения такого абсолютного движения, то каков же должен быть результат, независимый от каких бы то ни было ожиданий? Для ответа на этот главный вопрос было решено провести более обширные наблюдения в другие периоды 1925 г., что и было сделано в июле, августе и сентябре.

Можно задать вопрос: почему к этому не пришли раньше? Ответ частично заключается в том, что наше внимание было сконцентрировано на проверке определенной, так называемой "классической" теории, а частично в том, что не так-то легко разработать новые гипотезы, если для этого нет особых причин. Возможно, что существенной причиной неудач является значительная сложность выполнения наблюдений во все время суток в течение каждого периода времени. Я не думаю, что я самоуверен, я просто устанавливаю факт, когда отмечаю, что наблюдения эфирного ветра наиболее утомительны и изнурительны, требуют наибольшего физического, умственного и нервного напряжения из любых научных работ, с которыми я соприкасался. Простое регулирование интерферометра для интерференционных полос белого света и сохранение их в этом отрегулированном состоянии при длине светового пути в 214 футов (65 м) содержало более 60 различных операций, когда он находился на открытом воздухе; это требует как крепких нервов, так и твердой руки. Проф. Морли однажды сказал: "Терпение есть самообладание, без которого нельзя начинать наблюдения подобного рода". Наблюдения должны проводиться в темноте, в дневное время интерферометр должен затеняться экраном из черной бумаги; наблюдения должны проводиться при температуре точно такой же, что и на открытом воздухе; наблюдатель должен ходить по кругу диаметром около 20 футов (6 м); наблюдатель не должен касаться интерферометра во время этого хождения и в то же время он не должен терять из виду интерференционные полосы, которые видны только через маленький зрачок в окуляре телескопа, имеющий диаметр 1/4 дюйма (6,5 мм); наблюдатель должен удерживать глаз на движущемся окуляре телескопа, укрепленного на интерферометре, который плавает в ртути и равномерно поворачивается на своей оси со скоростью около одного оборота в минуту; наблюдатель делает 60 считываний положе-

129

иия интерференционных полос за каждый оборот, иногда сопровождая их электрическим щелчком. Эти операции должны продолжаться без перерыва во всей серии наблюдений, которая длится обычно 15-20 мин, и это повторяется непрерывно в течение нескольких часов рабочего цикла.

Когда наблюдения проходят успешно, интерферометр, к которому прикреплен наблюдательный телескоп, заставляют вращаться в ртутной ванне, так что отсчетные точки телескопа последовательно проходят все румбы или, что то же самое, точки всех азимутов. Относительное движение Земли и эфира должно служить причиной периодического смещения интерференционных полос, полосы движутся сначала в одну сторону, а затем в другую по отношению к исходному состоянию в поле зрения с двумя полными периодами в каждом обороте прибора. Начальная точка отсчета телескопа - север, положение интерференционных полос отмечается на 60 равноотстоящих в горизонтальной плоскости точках. Когда смещение максимально, что бывает 2 раза в сутки, отмечается азимут линии зрения, после чего несложно рассчитать прямое восхождение и склонение или "апекс" предполагаемого "абсолютного" движения Земли в пространстве. Определение направления движения Земли зависит только от направления, в котором находится отсчетная отметка телескопа при наблюдении максимального смещения полос, и не зависит от самого смещения или от смещения полос по отношению к некоторому частному положению нуля отсчета. Поскольку считывание проводится в интервале времени около 3 с, положение максимума зависит от наблюдений, перекрывающих интервал времени менее, чем 10 с. Полный же период смещения растягивается на время порядка 25 с. Кроме того, наблюдения для определения направления абсолютного движения существенно зависят от обычных температурных возмущений. Однако наблюдения являются дифференциальными и могут быть сделаны со значительной определенностью при всех условиях. Серия отсчетов обычно состоит из 20 поворотов интерферометра, сделанных, примерно, за 15 мин, это дает 40 определенных периодических эффектов. Эти 40 величин составляют одно "наблюдение". Любые температурные эффекты и другие причины возмущений, которые не являются регулярно периодическими в каждые 20 с на интервал в 15 мин будут гарантированно исключены в процессе усреднения. Периодический же эффект сохраняется в окончательном среднем, которое и должно быть реальным.

Положение системы интерференционных полос исчисляется в десятых долях ширины полос. Действительная скорость земного движе-

130

ния определяется амплитудой периодического смещения, которая пропорциональна квадрату относительной скорости Земли и эфира и длине оптического пути в интерферометре. Относительная скорость 30 км/с, равная орбитальной скорости Земли, будет производить смещение полос от одного экстремума до другого, равное 1,1 полосы. Возмущения из-за изменений температуры или из-за других причин, продолжительностью в несколько секунд или в несколько минут могут исказить действительное значение наблюдаемого смещения и, таким образом, дать менее достоверное значение скорости относительного движения, однако в то же время положение максимума смещения не изменится. Значит, следует ожидать, что наблюдения для определения скорости движения не будут столь точными, как наблюдения за направлением движения. Обе величины - амплитуда и азимут наблюдаемого относительного движения совершенно не зависят одна от другой.

Желательно проводить наблюдения, равномерно распределенные во 24 часам суток; поскольку одна серия требует около 15 мин времени, то 96 правильно распределенных серий будет достаточно. Чтобы провести такую серию, обычно нужно затратить 10 дней. Наблюдения окончательно сводятся к одной группе, и средняя дата принимается за дату всей серии наблюдений. Наблюдениям, выполненным на Маунт Вилсон, соответствуют три даты -1 апреля, 1 августа и 15 сентября; их более чем вдвое больше, чем всех других наблюдений эфирного ветра, выполненных начиная с 1881 г. Общее число наблюдений, выполненных в Кливленде, потребовало около тысячи оборотов интерферометра, в то время как для всех наблюдений, выполненных на Маунт Вилсон до 1925 года, понадобилось 1200 оборотов. Наблюдения же 1925 года состоят из 4400 оборотов интерферометра, за время которых было сделано более 100.000 отсчетов. Группа из восьми отсчетов дает значения скорости и направления эфирного течения, так что было получено 12.500 отдельных измерений ветра. Это потребовало, чтобы наблюдатель прошел пешком в темноте по малой окружности 100 миль, произведя при этом отсчеты. В течение этих наблюдений условия были особенно хорошими. Все время был туман, который поддерживал температуру весьма стабильной. На внешних окнах дома были повешены четыре прецизионных термометра; часто максимальные изменения температуры не превышали 0,1°, а обычно они были менее 0,4°. Такие вариации не влияли на периодическое смещение интерференционных полос. Можно добавить, что во время отсчетов не только наблюдатель, но и записывающий показания не могли иметь даже смутного представления о том, какой из двух


131

периодов они наблюдают, и еще менее, каковы направление и величина какого бы то ни было периодического эффекта.

Сто тысяч отсчетов, сложенные в группы по двадцать и усредненные, затем изображены в виде кривых. Эти кривые подвергнуты механическому гармоническому анализу в целях определения азимута и скорости эфирного ветра. В этой работе использованы все первичные наблюдения без каких-либо пропусков и без придания весовых коэффициентов; к тому же наблюдаемые величины никак не корректировались. Результаты анализа окончательно картированы таким образом, чтобы показать изменения азимута ветра за полные сутки для каждой эпохи; вариации амплитуды были картированы подобным же образом.

Наблюдения 1925 г. были описаны, а детали результатов были показаны с помощью световых слайдовых диаграмм. Подобный доклад, переданный в адрес президента Американского физического общества, прочитан в Канзас-Сити 29 октября 1925 г. Эта речь полностью отпечатана в Science, т. 63, С.433-443, 30 апреля 1926 г.

Вычисления, основанные только на наблюдениях 1925 г., были выполнены для того, чтобы определить абсолютное движение Земли. Результат этого, как было доложено на совещании в Канзас-Сити, показал, что Солнечная система движется вперед со скоростью, превышающей 200 км/с. Для того чтобы подкрепить доложенное в Канзас-Сити, на Маунт Вилсон была выполнена серия наблюдений, составляющая 2020 оборотов интерферометра и соответствующая дате 10 февраля 1926 г. Полные вычисления, которые были теперь проделаны, включают наблюдения как 1925, так и 1926 г., из них вытекает следующее заключение: эксперименты по эфирному ветру на Маунт Вилсон показали, во-первых, что имеется систематическое смещение интерференционных полос в интерферометре, соответствующее относительному движению Земли и эфира в этой обсерватории со скоростью 10 км/с с вероятной погрешностью 0,5 км/с; во-вторых, что вариации в направлении и скорости указанного движения именно такие, как если бы происходило постоянное движение Солнечной системы в пространстве со скоростью 200 км/с или более по направлению к апексу в созвездии Дракона, около полюса эклиптики, который имеет прямое восхождение в 255° (17 часов) и склонение +68°; и, в-третьих, что ось, вокруг которой флуктуирует наблюдаемый азимут эфирного ветра, указывает в северо-западном направлении, тогда как простая теория показывает, что эта ось должна совпадать с северным и южным меридианом.

132

Аргументы, на которых основаны эти заключения, могут быть проиллюстрированы с помощью рис. 14.6 и 14.7. На рис. 14.6,6 четыре кривые отражают средний азимут для четырех дат наблюдений, составленных применительно к местному или гражданскому времени Маунт Вилсон. Все кривые отражают величины по ординате на ноль часов, а полуденные величины - для 12 часов. Толстая кривая изображает среднее из 4 серий наблюдений, и ясно видна ее нерегулярность и близость величин к прямой. На рис. 14.6,а четыре азимутальные кривые, напротив, приведены к звездному времени. Толстая кривая отражает среднюю отчетливо видимую периодическую кривую. Если эффект возникает благодаря движению Земли сквозь пространство, то звездное время в том месте, где кривая пересекает временную ось, означает прямое восхождение апекса движения. Это время соответствует 17 часам. Склонение апекса, определяемое из амплитуды кривой и косинуса широты обсерватории, равно +680. На рис. 14.7 внизу показана средняя дневная вариация азимута (ломаная линия) сравнительно с теоретической вариацией, показанной плавной линией. В верхней части рис. 14.7 ломаной линией показана средняя дневная вариация наблюдаемой амплитуды смещения полос, а плавная линия показывает ее теоретическую вариацию. Если это проявление эфирного ветра, то звездное время минимального значения амплитуды есть прямое восхождение апекса. Это 17 часов, время, находящееся в соответствии с прямым восхождением, полученным из азимутальной кривой. Склонение апекса зависит от минимума и максимума эффекта и превышает широту обсерватории. Вычисленное значение близко к +69°, оно согласуется с тем, которое получено из азимутальной кривой. Как показали инструментальные исследования, азимут и амплитуда не зависят друг от друга; только в том случае, если на них оказала влияние одна и та же причина, появляется между ними некоторая связь. Согласование вычисленного и наблюдаемого эффектов как для амплитуды, так и для азимута, уверенно указывает на реальную космическую причину. Этот результат не может быть истолкован как "нулевой" эффект, он не может быть вызван инструментальными или локальными возмущениями.

Тот факт, что направление и амплитуда наблюдаемого эфирного ветра не зависят от местного времени и постоянны по отношению к звездному времени, предполагает, что в наблюдениях влияние орбитального движения Земли очень незначительно. Проведенные эксперименты не показали эффекта от действия орбитального движения и, следовательно, они не более согласуются со старой теорией непод-

133



Рис. 14.6. Данные наблюдений азимута эфирного ветра, приведенные к звездному времени (а) и к времени суток (б)

134



Рис. 14.7. Теоретические плавные кривые и экспериментальные ломаные кривые скорости (а) и азимуты эфирного ветра (б)

135

вижного эфира, чем эксперименты Майкельсона и Морли. Отсутствие орбитального эффекта позволяет считать, что постоянная скорость движения Земли в пространстве больше 200 км/с, но это не объясняет причин уменьшения скорости относительного движения Земли и эфира в интерферометре на Маунт Вилсон до 10 км/с; при этих условиях составляющая скорости, равная орбитальной скорости Земли, будет в результирующем значении вызывать эффект, который практически ниже наименьшего значения, которое может быть измерено данным интерферометром. Это и есть та причина, которая привела к выводу о том, что скорость движения Солнечной системы составляет самое меньшее 200 км/с, а может быть и много больше.

Некоторые критики полагают, что ранние кливлендские наблюдения дали реальный нулевой эффект и что положительный эффект на Маунт Вилсон достигнут благодаря большой высоте. Это неверно. Числовые значения положительного эффекта на Кливленде и на Маунт Вилсон столь близки, что эти наблюдения и теперь полезны, хотя на Кливленде число их было невелико, невозможно установить, что какой-либо эффект возник благодаря влиянию высоты. Если и есть некоторая доля влияния высоты, то она очень мала. Дальнейшие наблюдения в Кливленде дадут ответ на этот вопрос.

Чтобы объяснить эти эффекты результатом действия эфирного ветра, представляется необходимым учесть, что Земля захватывает эфир так, что относительное движение в точке наблюдения уменьшается с 200 км/с или более до 10 км/с и что этот захват, кроме того, смещает истинный азимут движения на 60° к западу от севера. Возможно, что западное отклонение определено влиянием направления хребта Маунт Вилсон, протянувшегося с юго-востока на северо-запад. Уменьшение указанной скорости с 200 км/с или более до наблюдаемого значения 10 км/с может быть объяснено теорией Лоренца-Фицжеральда сокращения тел без привлечения представлений о захвате эфира. Это сокращение может зависеть или не зависеть от физических свойств тела, и это может быть или не быть пропорциональным квадрату относительной скорости Земли и эфира. Очень слабое отклонение сокращения от значения, вычисленного Лоренцем, должно быть отнесено на счет наблюдаемого эффекта.

Числовые значения абсолютной скорости Солнечной системы, полученные из наблюдений эфирного ветра, вполне согласуются с результатами, полученными другими методами. Недавние исследования собственного движения звезд, выполненные Ральфом Вильсоном
  1   2   3   4




Похожие:

14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г icon12 февраля 2003 • Пасадена, Калифорния n a s a m e d I c a L t e c h n o L o g y s u m m I t Краткое содержание подлинника. Перевод Давыдова В. А
Все существующие методы или для линейных или для стационарных данных, или они принимают детерминированные процессы
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconЗначение экспериментов по обнаружению эфирного ветра в 1925 г на горе Маунт Вилсон [1] Д. К. Миллер

14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г icon13. Повторение эксперимента Майкельсона-Морли с использованием усовершенствования Кеннеди К. К. Иллингворт
Повторение эксперимента Майкельсона-Морли с использованием усовершенствования Кеннеди К. К. Иллингворт
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconИзмерение расстояний и опыт Майкельсона-Морли
Нижние индексы указывают объекты движения. Приняты положения постулата о постоянной скорости света относительно любых объектов
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconEther drift data
Первоначальный эксперимент Майкельсона-Морли был проведен для выявления возможного движения относительно классического эфира. Результаты...
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconEther-drift experiments at Mount Wilson
Эксперимент Майкельсона–Морли по определению относительного движения Земли и светоносного эфира — «эфирного ветра» — был впервые...
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconФ. Г. Пис и Ф. Пирсон Repetition of the Michelson-Morley experiment. By F. F. Michelson, F. G. Pease and F. Pearson Настоящее исследование
Повторение эксперимента Майкельсона-Морли. 1929 г. А. А. Майкельсон, Ф. Г. Пис и Ф. Пирсон
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г icon12. Усовершенствование эксперимента Майкельсона-Морли Рой Дж. Кеннеди, член Национального общества физических исследований
В своей статье в Science 30 апреля 1926 г он пытается восстановить заброшенную идею о том, что означенная скорость зависит от высоты...
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconМодернизированный интерферометр майкельсона чаварга Н. Н
Предложено схему модернизации интерферометра Майкельсона, предположительно способного зарегистрировать факт движения прибора относительно...
14. Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состояв­шаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г iconМодернизированный интерферометр майкельсона чаварга Н. Н
Предложено схему модернизации интерферометра Майкельсона, предположительно способного зарегистрировать факт движения прибора относительно...
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