Гіпотеза захвату ефіру

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

В 19-му столітті широко дискутувалася теорія світлоносного (luminiferous) ефіру, як одна із форм середовища (medium) для розповсюдження світла. Важливою частиною цієї дискусії була проблема руху Землі по відношенню до цього середовища. Гіпотеза захвату ефіру (aether drag hypothesis) мала справу з питанням чи світлоносний ефір захвачується повністю, або частково матерією, що рухається. Згідно з першим випадком немає ніякого відносного руху між Землею та ефіром; а згідно з другим – існує відносний рух і тому швидкість світла повинна залежати від швидкості цього руху («ефірний вітер» -"aether wind"). Цей вітер повинен вимірюватися на поверхні Землі відповідними приладами, жорстко зв’язаними з її поверхнею. Одна із перших моделей ефіру була запропонована Френелем, який в 1818 році припустив, що ефір частково захоплюється матерією, що рухається. Протилежну модель запропонував Джордж Стокс в 1845, в якій ефір повністю захоплюється (entrained) всередині або поблизу матерії, що рухається. В той час, як стаціонарна теорія Френеля підтверджувалася «приблизно» на практиці експеримент Фізо (1851), теорія Стокса була «повністю» підтверджена Експеримент Майкельсона-Морлі (1881, 1887). Ця ситуація протиріччя була розв'язана Лоренцом (1895, 1904), чия теорія (Lorentz ether theory) забороняла будь-яку форму захвату ефіру. Нарешті, з появою спеціальної теорії відносності Ейнштейна, ефіру було відмовлено «назавжди». [1] [2] [3]

Частковий захват ефіру[ред.ред. код]

В 1810 Франсуа Араго зрозумів, що варіації індекса рефракції речовини, які передбачає корпускулярна теорія, дають корисний метод для вимірювання швидкості світла. Ці передбачення виникли тому, що індекс рефракції (в російськомовній літературі - "показник заломлення" [4]) речовини (наприклад, скла) залежить від відношення швидкості світла в повітрі та в склі. Араго спробував виміряти величину рефракції корпускул світла за допомогою скляної призми, розташованої фронтально до окуляра телескопа. Він думав, що буде спостерігати цілу область різних кутів рефракції, які визвані різними швидкостями зірок та рухом Землі, в різний час на протязі доби, чи року. Проте, Араго знайшов, що відсутня залежність рефракції зірок від часу на протязі доби, чи сезону. Єдине, що спостерігав Араго була звичайна зоряна аберація[5]. В 1818 Огюстен Жан Френель перевірив експериментальні результати Араго використовуючи хвильову теорію світла. Він зрозумів, що навіть якщо світло розповсюджувалося як хвиля, індекс рефракції для поверхні розділу повітря-скло повинен змінюватися коли скло рухається через ефір для протидії налітаючій хвилі з різними швидкостями, коли Земля обертається, чи змінюються сезони. Френель припустив, що скляна призма буде переносити частково ефір разом з собою, так що «..ефір буде в надлишку всередині призми»[6]. Він зрозумів, що швидкість розповсюдження хвиль залежить від густини середовища, так що швидкість світла в призмі вимушено підстроюється на деяку величину 'захвату' ('drag'). Швидкість світла  v_n в склі без підстройки задається виразом:

 v_n = \frac{c}{n}

Захватна підстройка  v_d задається:

 v_d  = v (1 - \frac {\rho_e}{\rho_g})

де  \rho_e - густина ефіру в середовищі, \rho_g - густина ефіру в склі, а v - швидкість призми по відношенню до ефіру. Фактор (1 - \frac {\rho_e}{\rho_g}) може бути записана як  (1 - \frac{1}{n^2}) , оскільки індекс рефракції n буде залежним від густини ефіру. Він відомий також, як , коефіцієт захвату (drag) Френеля. Тоді швидкість світла в склі буде:

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

Ця корекція була успішна при поясненні нульового результату в експерименті Араго. Вона базується на концепції стаціонарного ефіру, що захвачується речовиною, такою, як скло, але не повітрям. Успіх цього підходу знаменував чергову «перемогу» нової хвильової теорії світла над старою корпускулярною.

Проблеми часткового захвату ефіру[ред.ред. код]

Коефіцієнт захвату ефіру був підтверджений експериментом Фізо та чисельними його реплікаціями іншими дослідниками. За допомогою даного експерименту можна пояснити негативні результати всіх інших експериментів, таких як експерименти Араго, Фізо, Хоєка та Маскарта. Поняття майже стаціонарного ефіру є також сумісне з аберацією світла. Проте від цієї теорії відмовились з наступних причин[1][2][3]:

  • В 19-му столітті вже було відомо, що частковий захват ефіру вимагає щоб відносна швидкість ефіру та речовини була різною для світла різних кольорів, що тут очевидно не виконується.
  • Теорія майже стаціонарного ефіру Френеля передбачає позитивний результат для експериментів, які є чутливі достатньо для реєстрування ефектів другого порядку. Проте подібні експерименти, наприклад Експеримент Майкельсона-Морлі та Trouton-Noble experiment, дали «негативний» результат (див. нижче деталі),і тому сьогодні ефір Френеля мало використовується в фізиці.

Щоб спасти гіпотезу стаціонарного ефіру, Фітжеральд та Лоренц ввели length contraction, що означає зтиснення (скорочення Фітжеральда-Лоренца) всіх тіл вздовж напряму руху за рахунок введення фактору \sqrt{1-v^{2}/c^{2}}. Більше того, в «теорії електрона Лоренца» перетворення Галілея були замінені на перетворення Лоренца. Коефіцієт захвату Френеля тут відображає результат розповсюдження світлових хвиль, і не пов’язаний із захватом (entrainment) ефіру[7]. Проте накопичення гіпотез для спасіння концепції стаціонарного ефіру вважається сьогодні досить штучною процедурою. Тому Ейнштейн, який виявив, що достатньо використати два припущення принцип відносності та «принцип постійності швидкості світла» у всіх інерційних системах, у випадку розробки спеціальної теорії відносності, і перетворення Лоренца випливають автоматично. І все це було зроблено без використання концепції стаціонарного ефіру [8] Як було показано Макс фон Лауе (1907), теорія відносності передбачує результати експерименту Фізо із теореми про «додавання швидкостей» без необхідності використання ефіру. Якщо V є швидкість світла відносно приладу Фізо, U - швидкість світла по відношенню до води, а v - швидкість води:

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

Тоді при малому v/c ми можемо використати біноміальний розклад:

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

Цей вираз співпадає з рівнянням Френеля [9].

Повний захват ефіру[ред.ред. код]

Для моделі ефіру Джорджа Стокса (1845), частковий захват ефіру є не властивий. Тому Стокс припустив, що ефір повністю захвачується поблизу тіла, що рухається [10]. Герц (1890) використав модель повного захвату Стокса в рамках теорії електромагнетизму Максвелла. При цьому був також використаний принцип відносності Галілея. Якщо припустити, що ефір разом з матеріальним об’єктом знаходиться в спокої в одній системі відліку, тоді перетворення Галілея дають такий результат, що об’єкт і захвачений ефір переміщаються з однаковою швидкістю в іншій системі відліку [1].

Проблеми повного захвату ефіру[ред.ред. код]

Lodge's ether machine. Світло від чутливого інтерферометра регулюється між дисками, що швидко обертаються.

Повний захват ефіру може «пояснити» негативні результати майже всіх експериментів по захваті ефіру (подібних до експерименту Майкельсона-Морлі). Проте ця теорія сьогодні вважається неправильною із наступних причин[1][11]:

  • Експеримент Фізо (1851) показує тільки «частковий захват» світла.
  • Ефект Саньяка показує, що два промені світла, від одного і того джерела світла, направлені в різні напрями платформи, що обертається, вимагають різний час для повернення назад до джерела світла. Проте, якщо ефір повністю захвачується платформою, то цього ефекту взагалі не може бути.
  • Олівер Лодж провів безрезультатно експерименти в 1890-х по розповсюдженню світла біля великих мас, що обертаються навколо своєї осі, для вияснення їх впливу (негативний результат)[12][13].

Література[ред.ред. код]

  1. а б в г Whittaker, Edmund Taylor (1910), A History of the theories of aether and electricity (1. вид.), Dublin: Longman, Green and Co., http://www.archive.org/details/historyoftheorie00whitrich 
  2. а б Jannsen, Michel & Stachel, John (2008), The Optics and Electrodynamics of Moving Bodies, http://www.mpiwg-berlin.mpg.de/Preprints/P265.PDF 
  3. а б Rafael Ferraro and Daniel M Sforza (2005), «Arago (1810): the first experimental result against the ether», Eur. J. Phys. 26: 195–204, doi:10.1088/0143-0807/26/1/020, Bibcode2005EJPh...26..195F 
  4. Лансберг Г.С. Оптика. Изд. 5-е пер. и доп. М:Наука,1976. с.928 (опыт Физо, коэффициент увлечения, с.444)
  5. Arago, A. (1810/1853), «Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la prémière classe de l’Institut, le 10 décembre 1810», Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 36: 38–49 
  6. Fresnel, A. (1818), «Lettre d’Augustin Fresnel à François Arago sur l’influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d’optique», Annales de chimie et de physique 9: 57–66 
  7. Lorentz, Hendrik Antoon (1904), «Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light», Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 6: 809–831 
  8. Einstein, Albert (1905), «On the Electrodynamics of Moving Bodies», Annalen der Physik 322 (10): 891–921, doi:10.1002/andp.19053221004, Bibcode1905AnP...322..891E, http://www.fourmilab.ch/etexts/einstein/specrel/ .
  9. Laue, Max von (1907). «The Entrainment of Light by Moving Bodies According to the Principle of Relativity». Annalen der Physik 23. с. 989–990. 
  10. Stokes, George Gabriel (1845), «On the Aberration of Light», Philosophical Magazine 27: 9–15, http://www.archive.org/details/londonedinburghp27lond 
  11. Georg Joos: Lehrbuch der theoretischen Physik. 12. edition, 1959, page 448
  12. Lodge, Oliver J. (1893). «Aberration Problems». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A 184. с. 727–804. Bibcode:1893RSPTA.184..727L. doi:10.1098/rsta.1893.0015. 
  13. Lodge, Oliver J. (1897). «Experiments on the Absence of Mechanical Connexion between Ether and Matter». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A 189. с. 149–166. 

Зовнішні посилання[ред.ред. код]