Поиски мирового эфира. Скорость света

После экспериментальных работ немецкого физика Г. Герца ста­ло ясно, что предсказания Максвелла о существовании электромаг­нитных волн полностью оправдались. Согласно теории Максвелла электромагнитные волны должны распространяться в особой свето­носной среде — мировом эфире. Обнаружение электромагнитных волн поставило перед физиками вопрос об изучении свойств миро­вого эфира.

Нужно сказать, что предварительные исследования световых яв­лений выявили весьма противоречивые свойства этой гипотетичес­кой (от слова «гипотеза») среды.

Действительно, свет свободно распространяется в космическом пространстве, и, следовательно, все космические тела: звезды, пла­неты, кометы и др. — совершают свое движение в эфире. При этом, как показывают наблюдения, эфир не оказывает на них заметного действия. Таким образом, эфир; если он и существует, должен быть подобен весьма разреженному газу; в противном случае планеты, об­ращаясь вокруг Солнца, не могли бы длительное время находиться на своих орбитах.

С другой стороны, исследования Араго и Френеля показали, что свет представляет поперечные волны. Изучение условий распрост­ранения поперечных механических волн привело к выводу, что сре­да, в которой распространяются волны в этом случае, должна быть подобна твердому телу, в противном случае возможно существование только продольных волн. Так, например, в воздухе распространяют­ся только продольные звуковые колебания, а в твердых телах могут

Эфир, таким образом, оказы­вался средой с очень необычными свойствами, сочетание которых представлялось просто невозмож­ным, что делало постановку физи­ческого эксперимента по обнару­жению эфира весьма затрудни­тельной.

Выходом из создавшегося по­ложения могли бы послужить эксперименты по обнаружению увлечения эфира движущимися телами.

. Эфирный ветер

Представим себе, что эфир все-таки существует. Тогда любое движущееся тело будет с ним как-то взаимодействовать. Оно может полностью увлекать эфир при своем движении, или двигаться, час­тично увлекая эфир, или не увлекать эфир вообще. В последнем слу­чае движущееся тело будет обдуваться своеобразным эфирным вет­ром, скорость которого тем больше, чем больше скорость тела отно­сительно эфира (рис. 90), т. е. существование эфирного ветра не только установило бы факт физической реальности мирового эфира, но и позволило бы решить вопрос о существовании выделен­ной, абсолютной системы отсчета, которую ввел в своей механике Ньютон.

К счастью, эксперименты по обнаружению эфирного ветра ока­зались вполне возможными для практической реализации. Более то­го, еще в начале XVIII в. английский астроном Брэдли обнаружил, что неподвижные звезды описывают на небосводе небольшие эл­липсы, причем во всех наблюдаемых случаях время прохождения эл­липса равнялось одному земному году, а большая полуось эллипса для всех звезд равнялась одной и той же величине — 20,45". Поэто­му эти эллипсы нельзя было объяснить только годичным движени­ем Земли вокруг Солнца, так как тогда для звезд, удаленных от Зем­ли на различные расстояния, размеры эллипсов должны были бы из­меняться, убывая при увеличении расстояния до звезды.

Это явление кажущегося движения изображения звезды на небо­своде было названо аберрацией света (от латинского слова aberratio — уклонение). Аберрацию света легко можно объяснить, предпо­ложив существование эфирного ветра. Действительно, если Земля движется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью v и если эфир не увлекается движением Земли, то скорость эфирного ветра относи­тельно Земли тоже равна v. Это приводит к тому, что свет «сносит­ся» эфирным ветром, и изображение звезды для земного наблюдате­ля смещается на угол а, причем tg а = v/c, где с — скорость света. Так как орбитальная скорость движения Земли v = 30 км/с, то по­лучается, что а ≈ 20,5", что приблизительно соответствует опыту. Таким образом, звездная аберрация свидетельствует о том, что эфир не увлекается Землей при ее орбитальном движении.

В 1851 г. французский физик Физо ставит эксперимент с целью обнаружения увлечения эфира оптически прозрачными средами. Экспериментируя с движущейся водой, применяя для обнаружения увлечения эфира точные оптические приборы, использующие явле­ние интерференции, Физо обнаружил, что вода при своем движении частично увлекает эфир, причем коэффициент увлечения эфира δ зависит от показателя преломления воды п.

В 1887 г. американский физик Майкельсон поставил экспери­мент с помощью сконструированного им интерферометра для обна­ружения эфирного ветра на Земле и получил отрицательный ответ. Он обнаружил, что Земля полностью увлекает мировой эфир, если он существует.

Таким образом, явление аберрации света подтверждало, что дви­жущиеся тела не увлекают эфир, опыты Физо говорили о частичном увлечении эфира, исследования Майкельсона свидетельствовали о полном увлечении эфира движущимися телами. Различные подходы к решению проблем в рамках классической физики не смогли раз­решить сложившиеся противоречия с объяснением увлечения эфира различными движущимися астрономическими и физическими телами.