Есть ли ошибка в опыте Майкельсона?

Некоторые критики теории относительности утверждают, что эксперимент Майкельсона по проверке эфирной теории нельзя считать убедительным. В этой статье мы рассмотрим их претензии и выясним, имеют ли они основания. Так же я попытаюсь развеять некоторые расхожие иллюзии насчет этого эксперимента.

Для начала уясним, с какой целю ставили свою серию экспериментов Майкельсон и Морли. Затем установим, о чем говорит результат опытов, а о чем - не говорит. Опыт Майкельсона часто называют решающей предпосылкой к появлению СТО. Однако известно, что Эйнштейн не мог знать о результатах данного опыта, в отличие от Лоренца, который пытался согласовать свою гипотезу о неподвижном эфире с результатом майкельсоновского эксперимента.

Итак, целью опыта было обнаружить наличие эфирного ветра на Земле и вычислить скорость нашей планеты относительно эфира. Как известно, результат был отрицательным - смещения интерференционных полос при самых точных измерениях не было (увеличивали длину пути света, используя многократное отражение). О чем это говорит?

    Гипотеза частичного увлечения

Здесь есть варианты. Либо это означает отсутствие эфира как такового. Либо эфир есть, но он не является неподвижным: массивные тела могут его увлекать. Это была гипотеза частичного увлечения. Чтобы проверить ее, Майкельсон провел серию опытов на разных высотах над поверхностью земли - и снова результат был отрицательным. Майкельсон сделал вывод, что движение можно будет обнаружить лишь на очень больших высотах от земли. Но и это предположение было неверно, т.к. О. Лодж в 1892 г. показал, что скорость света вблизи быстро движущихся тел не испытывает влияния этих самых тел, причем даже если эти тела излучают сильное электрическое или магнитное поле. Поэтому второй вариант был отвергнут.

    Гипотеза сокращения

И наконец, третье объяснение состояло в том, что природа устроена так, чтобы не дать обнаружить эфир, как например неускоренное движение. Это утверждал Лоренц в защиту  своей гипотезы. Он считал, что установка Майкельсона должна сокращаться в направлении движения на долю , чтобы не дать экспериментатору обнаружить смещение интерференционных полос (действительно, в этом случае t₁=t₂).  Эфир оказывает действие на материю и сжимает ее.

Некоторые "эфиристы" утверждают, что так безусловно и должно было быть согласно принципу Галилея: внутри закрытой неускоренной лаборатории невозможно обнаружить ее движение или покой. Однако эфир - это внешняя, всепроникающая среда, следовательно такая лаборатория уже не является закрытой от эфира и принцип Галилея тут уже не должен работать. Представьте, что вы находитесь в открытой машине. Даже с закрытыми глазами вы определите, стоит ли автомобиль на дороге или быстро едет, ощущая ветер. Именно из-за ветра машина не является закрытой лабораторией. А эфир являлся средой для света, как и воздух для звука.

Еще один довод против сокращения состоит в том, что оно не является следствием каких-либо сил, а является некоторым сопровождающим движение эффектом. Но это не остановило Лоренца, и он продолжил развивать свою теорию, в результате чего в 1899 г. пришел к выводу, что при движении в эфире изменяются не только пространственные размеры, но и промежутки времени. В результате чего были построены знаменитые преобразования Лоренца для пространства и времени, хотя их сущность и применение были другими, нежели в теории относительности Эйнштейна.

Теория Лоренца была лишена противоречий. Однако, у нее не было эмпирических доказательств. Она исходила из гипотезы о существовании эфира, которую проверить было невозможно в принципе. Именно благодаря "надмирному" характеру эфир как вещество был исключен из научной картины. На смену ему пришло более абстрактное, но в то же время более эмпирически обоснованное электромагнитное поле. Это поставило науку перед старыми трудностями, которые в дальнейшем смог преодолеть Эйнштейн. Через некоторое время открылся и квантовый характер светового излучения.

    Компенсационные эффекты?

Существует еще один довод против достоверности результата опыта Майкельсона. Некоторые считают, что эффект, достигнутый при движения по ветру, должен компенсироваться при движении против ветра. Однако эти люди явно не утруждают себя расчетами. Мы проведем их сами.

На рисунке изображено устройство Майкельсона.

Рассчитаем время, за которое свет пройдет расстояние в горизонтальном направлении. За 1 секунду свет проходит c метров, а эфирный ветер сдувает его на v метров назад. Следовательно, фактическая скорость будет равна (с-v). Значит свет долетит до зеркала за t = l / (с-v). Нетрудно убедиться, что путь назад займет время t = l / (с+v). Итого времени затрачено: T₁ = l / (с+v) + l / (с-v) = 2lc / (с²-v²)

Вычислим затраченное время при движении в вертикальном направлении. За 1 секунду ветер сместит свет на v метров влево. Значит свету, чтобы всегда быть под зеркалом, нужно направить вектор с по диагонали (тем самым каждую секунду смещаясь вправо на v метров). Скорость сближения с зеркалом будет (по теореме Пифагора) равна u = . При движении в обратном направлении ситуация симметрична. Таким образом, T₂ = 2l / .

Итак, формулы для T₁ и T₂ различны. Значит, если бы существовал эфир, смещение интерференционной картины было бы обнаружено.

    Вывод

Мы убедились в том, что опыт Майкельсона был поставлен корректно и его результаты являются истинными. Эфирного ветра на Земле нет, либо, в крайнем случае, он просто неуловим.

Существует расхожее заблуждение о том, что данный опыт говорит о постоянстве скорости света. Это неверно. Он утверждает лишь о неизменности скорости света относительно установки во всех направлениях, и дает основания предположить, что таковой она является и для всех наблюдателей. Для проверки данного свойства света были поставлены другие эксперименты.