Опыт Майкельсона-Морли

Известно, что свет проявляет себя в разных явлениях либо как частица, либо как волна (фраза о корпускулярно-волновом дуализме не имеет никакого отношения к рассматриваемому вопросу). Вначале предположим корпускулярную природу света. Тогда модель интерферометра Майкельсона-Морли может быть представлена в виде двух плеч с одним идеальным отражателем в центре установки и двумя отражателями на концах плеч (Рис. 3.1).

Рисунок 3.1: Корпускулярная модель опыта Майкельсона.

Пусть две частицы, движущиеся параллельно друг другу со скоростью ${\bf v_1}$ (относительно "мировой системы отсчета"), попадают в данную установку, которая сама движется со скоростью ${\bf V}$ (относительно той же самой системы), при этом $v_1 > V$. Тогда в точке $O_1$ скорость частиц относительно установки будет $v_1-V$. После отражения в центре установки частица 1 будет двигаться в перпендикулярном направлении с той же самой (по модулю) скоростью $v_1-V$ относительно установки. Частицы отразятся от концов плеч одновременно. Так же они достигнут одновременно как точки $O$, так и точки $O_1$. Никакой разности скоростей этих двух частиц для двух взаимно перпендикулярных направлений не будет наблюдаться, независимо от скоростей $v_1$ и $V$. Таким образом, если считать свет потоком частиц, то эксперименты Майкельсона-Морли (Кеннеди-Торндайка, Томашека, Бонч-Бруевича и Молчанова и другие) не могли дать никакого положительного результата.

Предположим теперь волновую природу света. В этом случае скорость света может зависеть только от свойств среды (эфира или вакуума) и/или внутренних характеристик самого распространяющегося света. Если принять гипотезу о существовании эфира, то скорость света зависит от свойств этой среды (по аналогии со звуком). Тогда очевидно, что скорость света не может складываться со скоростью движения источника (гул от сверхзвукового самолета распространяется с постоянной скоростью, фиксируемой средой и, в результате, самолет опережает звук). Также очевидно, что поскольку свет взаимодействует как с веществом (рассеивается или поглощается), так и с эфиром (распространяется в нем), то должно наблюдаться и взаимодействие эфира с веществом. А в релятивистской интерпретации опыта Майкельсона-Морли предполагалось невероятное: жесткая "привязка" света к эфиру вместе с полным отсутствием взаимодействия эфира с телами (без увлечения Землей, установкой). Естественно, в случае частичного увлечения эфира (а для ряда локальных опытов в узком погранслое увлечение может быть практически полным) теория усложняется. Однако это никак не опровергает гипотезу эфира (релятивисты же предлагают действовать как в анекдоте про пьяницу под фонарем: искать не там, где можно найти, а там, где легче искать). Мы кратко будем касаться эфирной концепции ниже, а пока будем опираться только на классический принцип относительности в вакууме, поскольку для всех парадоксов СТО и результатов данной книги не важно, вакуум у нас или эфир.

Если свет представляет собой волну, то скорость источника изменяет только частоту. Таким образом, для данной частоты $\omega$ скорость света $c(\omega)$ не зависит от скорости источника. Здесь имеется в виду следующее: световые волны одной частоты тождественны друг другу; и если мы воспринимаем свет частоты $\omega$, то совершенно безразлично, излучался ли он источником сразу с этой самой частотой или же излучался с частотой $\omega_1$, но вследствие движения источника частота изменилась $\omega_1\rightarrow\omega$ (эффект Допплера). В обоих случаях измеряемая величина $c(\omega)$ будет одной и той же.

Вернемся теперь к опытам Майкельсона-Морли и другим. Поскольку падающий свет, свет, прошедший тонкую пластину, и свет, отраженный от зеркал, имеют в одной и той же системе наблюдения одну и ту же частоту, то скорость света $c(\omega)$ оставалась постоянной для двух перпендикулярных направлений и эксперименты ничего не могли обнаружить. Эксперимент Таусона с двумя одинаковыми лазерами также ничего не мог обнаружить, поскольку при сведении лучей в единую картину (в одном направлении) частоты становятся одинаковыми и никаких регулярных биений не будет наблюдаться. Таким образом, попытка искать изменения скорости света при экспериментах с одной фиксированной частотой неверна по своей сути. Единственная зависимость, которую можно пытаться обнаружить, есть $c(\omega)$: все другие зависимости могут войти только опосредствованно, через эффект Допплера.

Для методических целей рассмотрим некоторые правдоподобные ошибки из учебников. Когда с "классической точки зрения" исходят из гипотезы неподвижного неувлекаемого эфира, то для расчета разности времен хода лучей в интерферометре Майкельсона обычно рисуют странную схему [35], для которой не действует закон отражения: угол падения не равен углу отражения (Рис. 3.2).

Рисунок 3.2: Схема интерферометра.

Это противоречит экспериментам. Как минимум тогда необходимо объяснить механизм такого отклонения и определить его влияние на эксперимент (это можно было бы сделать, предположив сложение скорости света со скоростью зеркала интерферометра по классическим законам). Не понятно также, как угадать угол, обеспечивающий интерференцию одного и того же луча. Поскольку все данные регистрирует только наблюдатель, движущийся вместе с интерферометром, то на самом деле надо анализировать опыт именно с точки зрения этого наблюдателя [50].

Синхронизация времени по методу Эйнштейна привносит искусственные ограничения даже в идеи экспериментов. Очевидно, что в силу обратимости относительного движения ($-{\bf v}+{\bf v}=0$) для зависимости скорости света от скорости движения системы может существовать только нечетный эффект. Однако, скорость света пытаются определять как среднюю скорость для двух взаимно противоположных направлений (по замкнутому пути). Следовательно, единственная классическая линейная зависимость от скорости движения системы взаимно исключается. Таким образом, подобный подход уже подменяет собой постулат постоянства скорости света, который нужно было проверить экспериментально.

Опыт Майкельсона-Морли и его аналоги не противоречит принципу Галилея и с позиций пустого пространства подробно рассмотрен выше. Рассмотрим теперь первоначальную идею опыта с точки зрения эфирных концепций. Заметим, что всегда можно так слегка подкорректировать коэффициент увлечения Френеля, чтобы опыты и 1-го и 2-го порядка подтверждались с практической точностью. Справедливости ради надо отметить, что опыт Майкельсона и его аналоги (несмотря на споры по устройству прибора и теории) всегда уверенно с учетом возможных ошибок давал ненулевую скорость эфирного ветра [94,95]. Маринов [90,91], Сильвертус [115] нашли верную скорость относительно реликтового излучения. Только при экранировании металлическим кожухом результат оказывался близким к нулевому. Не принимая безоговорочно теорию эфира, тем не менее для объективности вспомним, что в настоящее время все приборы вакуумируют (делают локально закрытой системой). А, например, локальная скорость звука в салоне самолета останется постоянной (не зависящей от наружного ветра) даже при сверхзвуковом движении самолета. Эфирная точка зрения не противоречит полученным результатам: увлечение Френеля для металлических тел - полное (для металлов верна электродинамика Герца), а значит эфир покоится относительно прибора (локально) внутри металлического кожуха и искать эфирный ветер внутри - бессмысленно. Еще один момент обычно замалчивается релятивистами. Даже в отсутствие металлической экранировки, достаточно тончайшей пластинки стекла (или воздуха в первоначальных экспериментах), чтобы нужно было учитывать переизлучение света этими локально покоящимися элементами. В результате реально наблюдаемая скорость в эфирной концепции должна быть заведомо меньше скорости движения Земли по орбите. Таким образом, опыт Майкельсона - Морли не свидетельствует в пользу постоянства скорости света и не опровергает какие-либо классические принципы.