ap / К началу


О принципиальной невозможности обнаружить эфир в опыте Майкельсона-Морли и об ошибках в понимании его результатов

Постановка знаменитого опыта Майкельсона-Морли, легшего в основание современной физики, содержит несколько логических ошибок, приведших к двум ложным выводам из его результатов.

мWiki
Wiki

Эксперимент должен был, по идее экспериментаторов, обнаружить влияние эфирного ветра на скорость распространения луча света. Но этого не могло произойти, т.к. весь ход рассуждений о том, каково должно было быть это влияние, содержал логические ошибки, повторенные и релятивистами, предложившими новое, ныне общепринятое, объяснение результатов опыта.

Рассмотрим опыт Майкельсона-Морли. Два плеча прибора, названного Майкельсоном интерферометром, равны между собой, поэтому луч света, распространявшийся от источника прямо (обозначенный на рисунке оранжевым цветом), должен, возвращаясь и преломляясь, попадать на детектор одновременно с перпендикулярным лучом (обозначенный зеленым цветом), вначале преломленным, а потом отразившимся. Но если учесть, что интеферометр движется в направлении распространения "оранжевого" луча с орбитальной скоростью Земли u (составляющей 30 км/сек), то длина пути, проходимого "оранжевым" лучом оказывается больше и, если верить формулам, написанным Майкельсоном, на детекторе должен возникать временной зазор между приходом "оранжевого" и "зеленого" лучей, в результате которого должна изменяться интерференционная картина, наблюдаемая на детекторе. Воспользуемся очень хорошим объяснением хода рассуждений Майкельсона, данного в лекциях Р. Фейнмана:

interferometr

"Для опыта Майкельсона — Морли использовался прибор, схема которого показана на фиг. 15.2. Главные части при­бора: источник света А, посеребренная полупрозрачная стек­лянная пластинка В, два зеркала С и Е. Все это жестко укреп­ляется на тяжелой плите. Зеркала С и Е размещены были на одинаковом расстоянии L от пластинки В. Пластинка В рас­щепляет падающий пучок света на два, перпендикулярных один к другому; они направляются на зеркала и отражаются обратно на пластинку В. Пройдя снова сквозь пластинку В, оба пучка накладываются друг на друга (D и F). Если время прохождения света от В до Е и обратно равно времени про­хождения от В до С и обратно, то возникающие пучки D и F окажутся в фазе и усилятся взаимно; если же эти времена хоть немного отличаются, то в пучках возникает сдвиг по фазе и, как следствие,— интерференция. Если прибор в эфире «покоится», то времена в точности равны, а если он движется направо со скоростью и, то появится разница во времени. Давайте по­смотрим, почему.

Сначала подсчитаем время прохождения света от В к Е и обратно. Пусть время «туда» равно t1,а время «обратно» равно t2. Но пока свет движется от В до зеркала, сам прибор уйдет на расстояние ut1, так что свету придется пройти путь L+ut1 со скоростью с. Этот путь можно поэтому обозначить и как ct1; следовательно,

f1

(этот результат становится очевидным, если учесть, что ско­рость света по отношению к прибору есть с — и; тогда как раз время равно длине L, деленной на с — и). Точно так же можно рассчитать и t2. За это время пластинка В приблизится на расстояние ut2, так что свету на обратном пути придется пройти только L-ut2. Тогда

f2

Общее же время равно

f3

удобнее это записать в виде

f4

А теперь подсчитаем, сколько времени t3 свет будет идти от пластинки В до зеркала С. Как и прежде, за время t3 зеркало С сдвинется направо на расстояние ut3 (до положения С'), а свет пройдет по гипотенузе ВС' расстояние ct3. Из прямоугольного треугольника следует

f5

или

f6

Откуда

f7

При обратной прогулке от точки С' свету приходится пройти то же расстояние; это видно из симметрии рисунка. Значит, и время возвращения то же (t3), а общее время равно 2t3. Мы запишем его в виде

f8

Теперь мы можем сравнить оба времени. Числители в (15.4) и (15.5) одинаковы — это время распространения света в по­коящемся приборе. В знаменателях член f9 

мал, если только и много меньше c. Знаменатели эти показывают, насколько изме­няется время из-за движения прибора. Заметьте, что эти из­менения неодинаковы — время прохождения света до С и обратно чуть меньше времени прохождения до Е и обратно. Они не совпадают, даже если расстояния от зеркал до В оди­наковы. Остается только точно измерить эту разницу.

...

Во время опыта Майкельсон и Морли расположили прибор так, что отрезок BE оказался параллельным движению Земли по орбите (в определенный час дня и ночи). Орбитальная ско­рость равна примерно 30 км/сек, и «снос эфира» в определенные часы дня или ночи и в определенное время года должен до­стигать этой величины. Прибор был достаточно чувствителен, чтобы заметить такое явление. Но никакого различия во вре­менах обнаружено не было — скорость движения Земли сквозь эфир оказалось невозможно обнаружить. Результат опыта был нулевой.

Р. Фейнман. Лекции по физике. Т.2. §3. М., 1965.

***

Теперь мы можем указать на две очевидные логические ошибки, содержащиеся в этом рассуждении Майкельсона и Фейнмана!

1. Написанные формулы совершенно верны, но не имеют никакого отношения к эффекту эфирного ветра.

Разница во времени между "оранжевым" BE и "зеленым" BC лучами не имеет никакого отношения к "сносу эфира", а появляется вследствие движения интерферометра вместе с Землей с орбитальной скоростью u относительно неподвижного наблюдателя. "Убегание" зеркала E от продольного "оранжевого" луча происходит дольше, чем встречное движение отраженного луча к преломляющему зеркалу B, что и приводит к разному времени попадания на детектор "оранжевого" и "зеленого" луча. Никакого действия эфира на лучи в этих формулах нет, следовательно прибор, который работал бы на их основе, эфира никак не мог бы обнаружить!

2. Выше мы неспроста обратили внимание на то, что эти формулы правильны для неподвижного наблюдателя, т.е наблюдателя, относительно которого прибор вместе с Землей движется с орбитальной скоростью u.

Удивительный недосмотр, как экспериментаторов, так и последующих интерпретаторов, включая релятивистов, состоит в том, что все они пренебрегли принципом относительности Галилея (а потом релятивисты говорят, что он не работает...)! Дело в том, что наблюдатель-экспериментатор в данном опыте - не неподвижен. Он движется вместе с Землей и интерферометром. Для такого наблюдателя скорость Земли и интерферометра u=0, соответственно оба луча проходят одинаковое расстояние в его системе отсчета за одинаковое время и никакого искажения интерференционной картины он увидеть не может!

Отставание продольного "оранжевого" луча BE доступно наблюдению только неподвижного наблюдателя, находящегося вне движущейся Земли. Мы могли бы назвать его "эфирным" наблюдателем, но т.к. движение самого эфира по отношению к Земле остается под вопросом, то неподвижную систему координат мы свяжем с Солнцем. Итак что же увидит "солнечный" наблюдатель? Он увидит как раз ту картину, которая изображена на Фиг. 15.2. у Фейнмана и кроме того он увидит, как преломляющее зеркало B, детектор и подвижный наблюдатель смещаются в сторону запаздывающего луча со скоростью u, чем и объясняет, что для подвижного наблюдателя "оранжевый" и "зеленый" лучи приходят одновременно!!!

И, наконец, а что же с эфиром и возможностью обнаружить эфирный ветер в данном опыте? Майкельсон совершил огромную ошибку в своих рассуждениях приписав эфирному ветру одинаковое действие на Землю и на световой луч! Дело в том, что если эфир неподвижен, как предполагал Майкельсон (отнесем эту неподвижность в данном случае снова к "солнечной" системе отсчета, чтобы не было путаницы), то он и будет неподвижен для светового луча, при том что по отношению к Земле будет возникать эфирный ветер! Световой луч не связан с Землей. Он распространяется в неподвижном эфире безотносительно к движению Земли относительно Солнца и эфира, вызывающему для Земли эффект эфирного ветра.

sun

Но выше мы написали, что опыт Майкельсона-Морли мог бы обнаружить эфирный ветер. Что мы имели в виду? Действительно, если бы эфир был не неподвижен, а увлекался Землей, как предполагали некоторые ученые, наподобие того, как увлекается Землей атмосфера, то опыт Майкельсона-Морли обнаружил бы действие эфирного ветра на световой луч! Только этот эфирный ветер был бы не встречный, а попутный! Двигаясь вместе с Землей и интерферометром, эфир бы нес световой луч с увеличенной скоростью - скоростью, превосходящей известную нам скорость света, и этот эффект был бы замечен - но так же только неподвижным "солнечным" наблюдателем!

sun2

Скорость света в подвижной эфирной оболочке, увлекаемой Землей - c+u (для неподвижного наблюдателя)

Итоги рассмотрения

1. Опыт Майкельсона-Морли принципиально не мог обнаружить  ни действия эфира, ни орбитального движения Земли.

2. Опыт Майкельсона-Морли не подтверждает независимость скорости света от движения наблюдателя, а, напротив, подтверждает, что движение системы координат наблюдателя влияет на наблюдаемую оптическую картину, включая определение скорости света; подтверждает принцип относительности Галилея и для оптических явлений.

3. Вообще никакие релятивистские эффекты не требуются для объяснения результатов опыта Майкельсона-Морли.

Инженер-физик (по образованию) Андрей Платонов (МИФИ)