Абсолютная скорость земли

Галилей предположил, что принцип общей симметрии заключает­ся в следующем: законы физики должны быть одинаковыми с точки зрения любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью, не­зависимо от величины и направления его скорости. Другими словами, не должно существовать привилегированной системы отсчета, или что тоже самое, способов определения абсолютной скорости. Этот принцип общей симметрии и называется принципом относительности.

Однако, законы электричества (без некоторых существенных из­менений) противоречат принципу относительности. “Покоящийся” и движущийся наблюдатели будут получать два разных результата из одного и того же эксперимента.

Например, точечный заряд Q (см. фиг. 1) расположен на расстоя­нии L от проводника, заряженного одноименным зарядом с плотностью . На заряд Q действует электрическая сила отталкивания , где .

Таким образом, с точки зрения “покоящегося” наблюдателя

Наблюдатель, движущийся параллельно проводнику со скоростью V (см. фиг. 2), обнаружит, что на заряд Q , кроме электростатической си­лы, действует также магнитная сила.

С точки зрения движущегося наблюдателя вдоль проводника течет электрический ток , а заряд Q, также движется параллель­но проводнику со скоростью V .При этом можно определить и дейст­вующую на заряд Q магнитную силу притяжения , а так как напряженность магнитного поля В, создаваемая прямолиней­ным током, равна , получим

Наблюдатель, движущийся со скоростью V обнаружит, что результирующая cила действующая на заряд Q будет:

Количественно этот результат меньше результата, полученного “покоящимся” наблюдателем в  раз.

Но этого не могло произойти, если бы рассматривались абсолютные скорости (относительно неподвижного пространства), т.е. принцип относительности Галилея не распространялся бы на уравнения Максвелла. (Следует отметить, что электричество –  это не только направленное движение электронов, но исторически вопрос рассматривался именно так.)

Чтобы устранить создавшееся противоречие, нужно было пересмотреть либо принцип относительности, либо уравнение Максвелла, либо клас­сическую механику.

Рассматривались три возможных способа устранения противоречия:

1. Принцип относительности пригоден для механики и непригоден для электродинамики. Законы электричества справедливы только для одной привилегированной системы отсчета. (Т.е. все скорости абсолютны относительно неподвижного пространства.) Только в этой сис­теме свет распространяется со скоростью V=с. Опровержение дан­ной возможности устранения противоречия связано с неудачным экспериментом Майкельсона и Морли по определению существования абсо­лютной скорости, на котором далее остановимся подробно.

2. Принцип относительности выполняется как в механике, так и в электродинамике, но законы электричества нужно последовательно видоизменить с тем, чтобы получить требуемый результат, согласно которому свет всегда распространяется с постоянной скоростью “с” относительно источника. Это видоизменение уравнений Максвелла на­зывается теорией излучения. Однако такая возможность была отверг­нута на основании астрономических наблюдений. Если бы эта теория излучения была справедлива, то движение двойных звезд казалось бы нам возмущенным и противоречащим законам Кеплера. Это происходило бы потому, что при движении одной из звезд в направлении Земли со скоростью V свет проходил бы весь путь со скоростью (относи­тельно Земли) c+V и попадал бы на Землю раньше, чем свет, испускаемый звездой, движущейся от Земли. Скорость последнего составляла бы c-V и он попадал бы на Землю позднее.

3. Принцип относительности справедлив и в механике и в элект­родинамике, а видоизменить следует законы и принципы механики. Именно эту, как тогда казалось последнюю, и выбрал Эйнштейн. Он ви­доизменил определения массы, энергии, импульса и свойства простран­ства и времени. Благодаря этому, законы механики наряду с законами электричества стали удовлетворять принципу относительности, Но это завело современную физику практически в тупик, чудовищно усложнив понимание физического смысла изучаемых процессов, практически исключив их наглядность и, зачастую, противореча здравому смыслу.

Возникает вопрос, не рано ли наука отказалась от наиболее естественной, первой возможности устранения возникшего противоречия. Если доказать, что электромагнитные волны, являясь возмущением самого пространства, распространяются со скоростью относительно есте­ственно неподвижного пространства, то будет доказано существование абсолютной скорости и ошибочность принципа относительности Галилея.

Для этого вернемся к 1880 году, знаменитому эксперименту Майкельсона и Морли.

Суть эксперимента заключалась в следующем.

Поскольку Земля движется вокруг Солнца со скоростью , то сторонники теории эфира (в принципе, физическая невесомая сре­да и есть пустота) полагали, что на протяжении года должен сущест­вовать такой период, когда Земля имеет скорость по  отношению к пространству по крайней мере 30 км/с, тогда скорость света “с”, измеряемая по отношению к Земле наблюдателем, находящимся на Зем­ле при движении Земли со скоростью V на источник света, будет равна (c+V), а в противоположную сторону (c–V).

Предположим, что на жесткой подставке. длиной L (см.фиг.3) и движущейся со скоростью V расположены источник света А и зеркало Б.

Тогда свет пройдет расстояние L от источника света А до зеркала Б и вернется обратно, если направление света совпадает с направлени­ем скорости V, за время

Если подставку повернуть на 90° так, что она станет перпендику­лярно скорости земли V относительно пространства, то с точки зрения наблюдателя, “покоящегося” относительно “эфира”, свет дол­жен будет пройти расстояние 2L’ (см.фиг.4). В этом случае промежу­ток времени, за который свет дойдет до зеркала и вернется обратно будет равен,

 отсюда

из треугольника (см.фиг.4) находим

Теперь, подставляя вместо С её значение получим

Следовательно, отношение

Это значит, что когда свет движется перпендикулярно скорости , то он проходит замкнутый путь за более короткое время

Майкельсон и Морли считали, что они смогут измерить эту небольшую разницу во времени, воспользовавшись интерферометрами, имеющими два взаимно перпендикулярных плеча. Такой интерферометр схематич­но показан на фиг. 5.

В интерферометре свет от источника А расщепляется полупроз­рачным серебренным зеркалом Б на два луча, которые отразившись от зеркал В и Г снова встречаются на экране Д.

 

 

Если для прохождения света по обоим путям требуется одинако­вое время, то на экране должна возникнуть аддитивная интерферен­ция. Эксперимент состоял .в подборе соответствующего положения зеркала Б, затем, прибое поворачивался на 90° , и благодаря движению Земли со скоростью V и приведенным выше рассуждениям это должно бы­ло привести к изменению интерференционной картины.

Несмотря на все старания, Майкельсону и Морли вообще не уда­лось наблюдать никакого эффекта.

Первым объяснением неудачи было предположение, что в момент проведения опыта эфир случайно имел относительно солнечной систе­мы скорость равную 30 км/с. В этом случае Земля находилась практи­чески неподвижно относительно эфира. Однако, повторенный через в месяцев эксперимент также не дал никакого результата.

Другое возможное объяснение заключалось в том, что Земля ув­лекает за собой прилегающий к ней эфир. А это должно привести к тому, что видимое положение звезд будет каждый год смещаться взад и вперед, но не так как это наблюдается в действительности. Поэто­му и второе объяснение исключилось астрономическими наблюдениями.

Следующую попытку объяснить полученный результат сделали Фитцджеральд и Лоренц, которые предположили, что длины всех фи­зических тел, движущихся со скоростью V отношению к эфиру, сокращается в  раз.  Поэтому, когда интерферометр поворачивается на 90° то и длина его меняется как раз в нужное число раз, чтобы скомпенсировать ожидаемый эффект.

Чтобыопровергнуть этот вывод был построен интерферометр с разными плечами. В таком интерферометре лоренцево сокращение не должно было полностью компенсировать ожидаемый эффект. Однако и в этом случае эффект также не наблюдался.

В результате всех этих и многих других экспериментов, физики пришли к выводу, что определить абсолютную скорость Земли не­возможно. Анри Пуанкаре высказал идею, что сам этот “заговор” (имелось в виду природы против физиков) можно рассматривать как закон природы: скорость Земли нельзя определить ни в одном эксперименте.

Однако дело оказалось в том, что в опыте Майкельсона и Морли, как и во всех других, была неучтена погрешность, которая полностью компенсировала ожидаемый эффект.

Чтобы найти эту ошибку, просуществовавшую более 100 лет, необходимо рассмотреть распространение волн света во всем ин­терферометре, а не отдельно в его параллельном и перпендикулярном плечах. А длины волн, излучаемые движущимся со скоростью V источником света (см. фиг. 6) необходимо рассматривать аналогично волнам на поверхности воды от движущегося вибратора.

 

При этом изменение интерференционной картины на экране при по­вороте интерферометра произойдет только в том случае, если при повороте изменится относительное количество размещающихся в каж­дом плече интерферометра волн.

При направлении скорости Земли вправо (см. фиг. 7) в па­раллельном (относительно источника света) плече интерферометра луч света проходит через точку А с длиной волны доходит до зеркала и возвращается с длиной волны в точку А, чтобы наложиться в этой точке на луч света, прошедший перпен­дикулярное плечо.

При этом количество волн размещающихся в параллельном плече интерферометра равно

где L – длина плеча интерферометра (в эксперименте равнялась 3м)

 – длина волн света при V=0

V – орбитальная скорость Земли

c, – скорость света,

при этих значениях дополнительно разместилось 0,2 длины волны.

Количество волн размещающихся в перпендикулярном плече интерферометра  определяется с учетом наличия скорости V при этом, чтобы лучи света встретились в точке А, луч света проходящий перпендикулярное плечо должен отразиться в точке Д т.к. за вре­мя прохождения светом пути 2L интерферометр сместится на величину ВД равную АВ и равную . Поэтому, вместо прохождения участка АВ с длиной волны  (эта погрешность в точности равная ожидаемому эффекту и не была учтена в эксперименте Мейкельсона и Морли), а весь оставшийся путь с длиной волны . Кроме того нужно учесть сферичность волн из-за смещения интерферометра на величину  дополнительно увеличивающую количество размещающихся волн, а полное их количество определяется из соотношения

т.е. количество размещающихся волн в перпендикулярном плече интерферометра при данном направлении скорости V на  больше, чем из размещается в параллельном плече. При направлении скорости V влево (см. фиг. 8)

Количество волн, размещающихся в параллельном плече определяется из соотношения

 

А в перпендикулярном, исходя из аналогичных рассуждений, только луч света проходит участок ДВ с длиной волны вместо участка ВА с длиной волны , находим из соотношения

т.е. при повороте интерферометра на 180° число размещающихся в обоих плечах интерферометра волн не меняется и изменения интер­ференционной картины нe произойдет.

Рассмотри теперь изменится ли относительное количество раз­мещающихся в обоих плечах интерферометра волн при повороте его на 90°, т.е. при направлении скорости V вверх (см. фиг. 9)

В параллельном плече в результате сферичности волн и смещения зеркала на величину АВ равную размещается  волн

в перпендикулярном плече в процессе отражения от полупрозрачного зеркала длина волны меняется б зависимости от V, а количество размещающихся волн равно

 

число размещающихся волн в обоих плечах интерферометра уменьшилось на одну и ту же величину  т.е. снова в перпендикулярном плече количество волн размещается на  больше, чем в параллельном; следовательно, при повороте интерферометра на 90°, изменения интерференционной картины не будет.

В последнем варианте, когда скорость V направлена вниз результат получается идентичный предыдущему случаю, т.е.снова в плече размещается на  волн больше, чем в параллельном; следовательно, при повороте интерферометра на любой угол, Майкельсон и Морли не могли наблюдать изменения интер­ференционной картины, что и было получено в эксперименте.

Для того чтобы измерить абсолютную скорость Земли относи­тельно неподвижного пространства необходимо: во-первых, наблю­дать интерференцию волн от двух источников электромагнитного излучения, так как все попытки проведения опытов с одним источ­ником не увенчались успехом; во-вторых, поскольку в видимом диапазоне длин волн это практически невозможно, необходимо вос­пользоваться коротковолновым диапазоном радиоволн, где возмож­ность интерференции от двух передатчиков не вызывает сомнения (используется при глушении радиоголосов).

Исходя из приведенного выше, можно предположить множество новых способов измерения абсолютной скорости Земли относительно неподвижного пространства. Например, на прямой АВ (см.фиг.10) расположить два коротковолновых радиопередатчика Д и Е на рас­стоянии L, друг от друга, которое при выбранной длине cсинусоидальных радиоволн можно принять 10 км и приемник радио­волн F , настроенный на туже длину волны.

При подготовке опыта, многократно перемещая, передатчик Е. в пределах одной длины волны  и меняя его мощность, добиться максимального усиления и гашения радиоволн в зоне приемника, в зависимости от наложения волн в этой точке соответственно в фазе или противофазе.

После фиксации предельных уровнейсигнала в приемнике F на самописце оставить передатчик  E неподвижным и записывать уровень сигнала в нем на самописёц в течение суток.           .

Вращение Земли будет изменять направление прямой АВ относительно вектора скорости Земли V при этом на сколько максималь­но может меняться количество радиоволн N на базовой длине L столько раз за сутки изменится уровень сигнала в приемнике F (длина участка EF не имеет принципиального значения поскольку на ней длины волн от обеих передатчиков Д и Е всегда равны).

Если принять в расчетопределенную косвенным методом скорость Земли равную 600 км/с, то уровень сигнала в приемнике F а сут­ки максимально (когда прямая АВ вращается, в плоскости вектора V ) будет меняться.

Даже орбитальная скорость Земли (30км/с) дважды за сутки изменит уровень сигнала в приемнике.

Целью опыта будет определение направления прямой АВ, при ко­тором уровень сигнала в приемнике меняется максимальное число раз, по которому можно определить величину и направление абсолютной скорости Земли.

В случае удачного проведения этого опыта будет доказана оши­бочность принципа относительности Галилея и теории относитель­ности Эйнштейна, он заставит пересмотреть наши представления о материи.