Общепринятая теория волнового движения в светопередающем эфире вынуждает к определению основных свойств эфира, который принимает непосредственное участие в распространении световых волн и должны дать объяснение многим оптическим явлениям. На ранних стадиях существовали мнения, что эфир заполняет все пространство, даже те, что заняты твердыми телами, и он имеет высокую проникающую способность, что обеспечивает свободное проникновение всех тел сквозь него.
Имеется и другой вопрос, может ли эфир увлекаться во время движения Земли. Данный вопрос поднимался с самого раннего этапа формирования волновой теории. Теория эфира имеет тесную связь с теориями структуры материи, и это является наиболее фундаментальной основой физической науки.
Как известно в 1728 году была открыта аберрация света, которая базировалась на корпускулярной теории света. Данный эффект был основан на сложении скорости света и скорости орбитального движения планеты. Второе объяснение основывалось на волновой теории, и было такое же простое, как и первое, но оно имело несоответствие с установленным фактом экспериментальных исследований, в ходе которых было выявлено, что аберрация не изменяется, если наблюдения производятся при помощи телескопа, заполненного водой.
В свое время Френель предложил следующую теорию, которая предполагала, во-первых, что эфир не движется в пустом пространстве, во-вторых, внутри прозрачных тел, которые двигаются, эфир движется со скоростью, которая в (n2-1)/n2 раз меньшая, чем скоростные показатели движения тел (где n – показатель преломления).
Эти два предположения давали полное объяснение аберрации. Во-вторых, приводились результаты опытов Физо и Майкельсона – Морли, которые объясняют явление скорости свет в движущихся средах. Первая, возникшая гипотеза говорит о том, что эфир находится в пространстве и в непрозрачных телах, вызывала у ученых сомнение.
Определенный круг ученых пытался экспериментально подтвердить существование стационарного эфира. Фундаментальную основу в этой области заложил профессор А.А. Майкельсон в 1881 году. Его работа была основана на идее, что эфир в целом не движется, а световые волны распространяются в любом направлении с одинаковой скоростью по отношению к эфиру. Также он выдвинул предположение, что Земля движется по своей орбитальной траектории вокруг Солнца сквозь эфир, который является стационарным. Эксперимент был направлен на обнаружение относительного движения между нашей планетой и эфиром, это отношение в научных кругах получило название «эфирный ветер». Основой эксперимента было обнаружение различий показаний скорости света при условии движения наблюдателя вместе с Землей вдоль светового луча, или находясь перпендикулярно к нему. Как известно, скорость света имеет значение 300000 км/c, а скорость Земли по орбитальной траектории составляет 1/10000 часть скорости света, то есть имеет значение 30 км/с.
Истинное движение Земли можно описать суммой орбитального движения, измеренного по направлению орбиты и равного показателю 30 км/с, и равномерно движения Солнца, которое движется совместно с Солнечной системой в неопределенном направлении и с неопределенной скоростью. Поэтому в данный момент истинное движение Земли по отношению эфира остается неизвестным, оно может быть меньшим от значения 30 км/с или гораздо превышать это значение.
Если даже предположить то, что истинное движение Земли соответствует ее орбитальному движению, и имеется возможность произвести замеры прямого влияния данного движения на мнимую скорость света, то в таком случае скорость света, измеренная вдоль направления движения, будет отличаться от мнимой скорости, измеренной под прямым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1/10000. Такой результат называется эффектом первого порядка, но, к сожалению, не имеется методики измерений скоростей в столь упрощенных условиях.
Все эксперименты нуждаются в том, чтобы свет достигал отдаленной точки и возвращался в точку излучения и при этом должно происходить положительное воздействие движения Земли на световой луч, направленный вперед, оказывается нейтрализованным негативным эффектом в обратном луче. Установлено, что при движении наблюдателя данная компенсация является не достаточно полной: мнимая скорость луча, удаляющегося и возвращающегося вдоль направления движения земли, будет иметь отличие от мнимой скорости луча, уходящего и возвращающегося в перпендикулярном направлении, на величину, пропорциональную квадрату отношений скорости земли и скорости света, то есть 1/100 000 000. Поэтому эффект, который удалось выявить экспериментальным путем, является ничтожный «эффект второго порядка».
Уникальный инструмент, который был создан профессором Майкельсоном и получил название «интерферометр», может обнаружить это ничтожное изменение скорости, что связаны с эфирным ветром. В данном эксперименте световой луч расщепляется на два луча с помощью тонкой пленки из серебра, которую ученый назвал «полупрозрачным зеркалом». Серебряное покрытие имеет минимальную толщину, что позволяет световому потоку частично пройти прямо, а второй половине «отразиться» от поверхности в прямом смысле данного слова.
Световые потоки могут быть направлены в перпендикулярных направлениях. На конечном этапе движения каждого луча происходит отражение при помощи специальных регулируемых зеркал, что позволяет соединиться в единое целое двум разрозненным световым лучам. Если два пути оптически эквивалентны, то есть в том случае, когда количество волн в обоих путях одинаково, то соединенные лучи смещаются при совпадении фаз обоих волн. В том случае, когда один из путей на половину волны длиннее другой, то волны соединятся в противофазе, где гребень одной волны будет совпадать с впадиной второй волны. Данные и промежуточные соотношения создают эффект, который получил название «интерференционные узоры», при наблюдении которых можно определить малые отклонения скорости света обоих световых путей в интерферометре.
Ещё в 1887 году профессор Майкельсон совместно с профессором Эдвардом В. Морли произвели усовершенствования методики измерений при помощи интерферометра. В дальнейшем их работу стали называть «экспериментом Майкельсона-Морли», который был направлен на определение того факта, который свидетельствует о том, что во время движения Земли происходит эффект, предсказанный теорией относительно скорости света.
К большому сожалению, ученым не известно точное направление движения Земли, что не позволяет точно выставить интерферометр в данном направлении. Поэтому ученые смогли смонтировать прибор на основании, которое плавало на поверхности ртути, что позволяло делать поворот прибора в любом направлении азимута. Вращение Земли вокруг соей оси позволяло прибору двигаться в определенной плоскости, предположительно в плоскости по касательной относительно конуса вращения, ось которого сопоставима с осью вращения Земли, что создает различные ориентации плоскости интерферометра в пространстве. Поэтому кажущийся азимут и дрейф эфира изменяются в зависимости от времени наблюдения.
Значимость экспериментов 1925 года по обнаружению эфирного ветра можно было только в смысле интерпретации, что касалось данных прежних экспериментов. Поэтому, чтобы прояснить сложившуюся картину необходимо сделать исторический обзор данных экспериментов.
Летом 1887 года Майкельсон и Морли произвели шесть серий экспериментальных наблюдений эфирного ветра – в полдень и в 6 часов вечера три дня – 8,9 и 11 июля. Это и есть основные наблюдения, которые производились Майкельсоном и Морли. Уже в ноябре этого года они опубликовали следующее заключение:
« …при учете движения Земли по орбите… наблюдения дали следующие результаты, что касается движения Земли и эфира, и вероятно, меньше, чем 1/6 орбитальной скорости Земли, и вероятно меньше, чем 1/4».
А это говорит о скорости меньшей, чем 7,5 км/с.
Следует сказать, что данные эксперименты были проведены только для того, чтобы выявить влияние орбитального движения Земли. Данное влияние должно иметь отличие для разных времен дня, что было сделано в эксперименте. В процессе эксперимента ученым удалось выявить расхождение на ¼ ожидаемого эффекта.
В дальнейшем в 1895 году Лоренц и Фицжеральд выдвинули предположение, что движения, которые связаны с перемещением твердого тела сквозь эфир, могут привести к сокращению их размеров в направлении движения и увеличению размеров в перпендикулярном направлении. Измерения следует производить пропорционально квадрату отношения скорости перемещения и света, так что они «обнуляют» эффект эфирного ветра в интерферометре Майкельсона и Морли. Оптические размеры инструмента необходимо определять из физических свойств песчаника, который использовался для создания базы интерферометра. Тогда можно предположить, что сосновая балка подвергается большему сокращению, чем песчаник, а сталь сокращается в меньшей мере.
Если обнуление происходит в одном аппарате, то в другом будет наблюдаться эффект, который отличается от нуля или имеет другой знак.
В дальнейшем Морли создал интерферометр в 4 раза чувствительней инструмента, который использовался в первых экспериментах. Его длина составляла 214 футов, что эквивалентно 130 000 000 длин волн. В данном приборе относительная скорость Земли и эфира, приравнивалась к скорости орбитального движения Земли, и индицирует интерференционный узор на 1,4 интерференционной полосы. Данные размеры инструмента отличаются от тех, что использовались до данного времени. Оптические пути инструмента были полностью модернизированы, и от первого аппарата осталась только ртутная ванна и деревянный поплавок.
Подобные инструменты были использованы в Кливленде в 1902, 1903 и 1904 годах в целях прямого доказательства эффекта Лоренца-Фицжеральда, но потерпели некоторые изменения в деревянной раме от изменений влажности и температуры деталей для получения более точных наблюдений, что создавало определенные затруднения. Также была создана новая рама профессором Ф.Г. Неффом, который работал в отделении Гражданского инженерного строительства Школы прикладных наук Кейса. Цель данной разработки заключалась в том, чтобы создать более жесткую и симметричную конструкцию рамы. Данная рама была создана с применением структурной стали и имела определенную конструкцию, что позволяло обеспечить оптический размер, зависящий от деревянного стержня и стальной рамы соответственно.
Данный прибор использовался в 1904 году. Проект заключался в определении ожидаемого эффекта комбинаций суточного и годового движения Земли вместе с движением Солнечной системы в целом по направлению к созвездию Геркулеса с предполагаемой скоростью 17,7 км/с. В определенные дни производились замеры в 11 ч 30 мин до полудня и в 9 ч 00 мин после полудня. Расчетные азимуты движения в данные периоды были установлены в двух периодах. Поэтому ученые организовали наблюдения так, чтобы ожидаемый азимут утреннего наблюдения совпадал с вечерним наблюдением. Наблюдения для обоих периодов дали ученым результаты с положительной амплитудой и присутствием приблизительно противоположных фаз. Когда данные результаты совмещались, в итоге результат приближался к нулю. Данные полученные в ходе эксперимента противоречили ранее выдвинутым теориям, которые предсказывали наличие эфирного ветра. Посмотрев идеи, которые представлены ниже, кажется, что позиция двух групп исследователей, наблюдавших различные фазы, базировалась на ошибочной гипотезе и полученный положительный результат находится в согласии новой гипотезы движения Солнца. Отчет об этом эксперименте был опубликован в «Philosophical Magazine» в мае 1905 года. В отчете было сказано следующее:
«Можно утверждать, что эфир в продольном помещении перемешается совместно с ним (перевод: полностью увлекается). Поэтому нам необходимо разместить инструмент на холме и посмотреть, нельзя обнаружить эфир в таких условиях».
Осенью 1905 года Морли и Миллер устанавливают интерферометр на подготовленном участке на Евклидовых высотах в Кливленде, что на высоте 300 футов над уровнем озера Эри и 870 футах над уровнем моря. На данном участке были исключены помехи, которые наблюдались в помещении в показаниях прибора. В 1905-1906 годах были проведены 5 групп наблюдений, которые дали положительный результат, составивший около 1/10 ожидаемого тогда «эфирного ветра». Ученые того времени объясняли подобное явление влиянием температурных эффектов, хотя прямых доказательств этому не существовало. Проверить данную теорию планировалось после летних каникул. Прибор был оставлен на земле, которая принадлежала общему другу ученых. Но за время отсутствия данная земля была продана, и новый хозяин немедленно потребовал удалить прибор со своего участка. Профессор Морли отдалился от активного участия в эксперименте в 1906 году, что возложило ответственность за проведение экспериментов на плечи Миллера. Последующие эксперименты планировалось провести на больших высотах, но возобновление исследований так и не было начато.
В это время Эйнштейн был популярен, так как в 1905 году он публикует статью «Электродинамика движущихся тел». Данная статья стала первой в длинном перечне работ Эйнштейна и других ученых, которые переросли впоследствии в современную теорию относительности. В данной статье Эйнштейн утверждает, что существует принцип постоянства скорости света. При этом он доказывает, что для наблюдателя, который находится на поверхности движущейся Земли, измеренная скорость света должна быть постоянной и независимой от направления и скорости движения Земли. Его теория относилась ко всем физическим явлениям и в большей мере к предложению, что опыты Майкельсона и Морли по выявлению эфирного ветра дают определенный и точно нулевой результат.
Предсказанное теорией относительности отклонение света звездами и Солнцем было доказано во время солнечного затмения, которое происходило в 1919 году. Широкая научная общественность признала результаты теории правдоподобными. Это привело к тому, что появился новый интерес к экспериментам по обнаружению эфирного ветра, результат которых был неприемлем многими ученными.
Подходящим местом для проведения дальнейших исследований являлась площадка на территории обсерватории Муант Вилсон, которая находится рядом с Пассаденой в Калифорнии, на высоте 6000 футов. В то время к проведению эксперимента подошли с большей ответственностью и разработали оптимальную программу его проведения и даже нашли фонды для осуществления задуманного. Денежные средства были предоставлены мистером Экштейном Кейсом из Кливленда. Также была оказана всесторонняя помощь в проведении экспериментов и выделены ассистенты для обработки большого количества информации, снятой во время экспериментальных исследований. Благодаря поддержке президента Мерриама из Института Карпеджи в Вашингтоне и директоров Хейла и Адамса эксперименты по эфирному ветру стали проводиться в Муант Вилсон в течении пяти лет.
Наблюдения стартовали в марте 1921 года с использованием инструментов и методик, которые разработали Морли и Миллер в 1904, 1905 и 1906 годах, правда с некоторой модернизацией и улучшением некоторых деталей. На первой стадии исследований были получены положительные результаты, которые соответствовали истинному эфирному ветру при относительной скорости эфира и нашей планеты, примерно 10 км/с. Но ученые не спешили с оглашением результатов, так как надеялись найти объяснение возможных причин, которые стали следствием смещения интерференционных полос, аналогично тем, которые должны происходить в процессе действия эфирного ветра. Ученые предполагали действие магнитострикции и лучевого прогревания. Чтобы проверить последнее предположение ученым пришлось покрыть все металлические части прибора слоем пробки толщиной в 1 дюйм. После этого было произведено еще 50 групп наблюдений, что подтвердило периодическое смещение полос с такими же показателями. Это лишний раз доказало, что радиационный нагрев не является причиной наблюдаемого эффекта.
Летом 1921 года металлическая рама прибора была демонтирована и заменена монолитной базой из цемента и медной арматуры. Также как и прежде база была размещена в ртутной ванне. Металлические части прибора были заменены на изделия из меди или алюминия, что способствовало избавлению от магнитного воздействия. Также модернизация прибора существенно снизила тепловой эффект. В декабре 1921 года были проведены ещё 42 группы наблюдений с немагнитным интерферометром. Они также порадовали положительными результатами, при этом показания полностью соответствовали наблюдениям апреля 1921 года. В данный период также были проверены различные вариации случайных воздействий. Наблюдения проводились с вращением интерферометра по часовой стрелке и против ее, при ускоренном и замедленном вращении, при наклонах интерферометра, а также частичным нагружением поплавка с одной стороны. Было проделано большое количество регистраций наблюдений. Все результаты не зависели от данных вариантов.
По окончанию экспериментов, аппарат был возвращен в лабораторию в Кливленде. В 1922 и 1923 годах было проведено много испытаний в различных условиях, которые были под контролем ученых и проводились в различных модификациях аппарата. Устройство призм и регулированных зеркал было создано таким образом, что источник света мог находиться вне помещения, в котором осуществлялись эксперименты, а в дальнейшем зеркала были доработаны так, что можно было наблюдать интерференционные полосы с помощью стационарного телескопа. Также были опробованы методики кинематографической регистрации. В экспериментах использовались различные источники света – электродуговое освещение, а также солнечный свет. В конечном итоге устройство было усовершенствовано так, что наблюдения проводились с применением астрономического телескопа с 5-дюймовой апертурой и 50-кратным увеличением. Для создания источника света применялась большая ацетиленовая лампа, которая применяется в автомобильных фарах. Также были проведены исследования на обнаружение влияния температурных неоднородностей или лучевого нагрева, опробованы многие теплоизолирующие материалы для базы интерферометра и его оптических лучей. Данные экспериментальные исследования подтвердили, что в условиях реальных наблюдений периодическое смещение интерференционных лучей не могут быть вызваны температурными эффектами. Расширенные эксперименты показали, что полнопериодный эффект, который упоминается отчете наблюдений Маунт-Вилсоновской обсерватории, является геометрическим следствием такого расположения зеркал, при котором используются интерференционные полосы определенной ширины, как это рекомендовано в простейшей теории эксперимента.
Летом 1924 года интерферометр снова был смонтирован на новой площадке Маун-Вилсон, где температурные условия были лучше, чем при экспериментах в 1921 году. Дом в котором разместили интерферометр, также имел иную ориентацию. И снова наблюдения показали присутствие реального периодичного смещения интерференционных полос, такое же, как и предыдущих наблюдениях, которые были произведены в Маунт Вилсон и в Кливленде.
Ученые все таки пытались найти объяснение данному явлению экспериментальным путем или объяснить данный эффект с точки зрения воздействия иных сил или погрешностей эксперимента. Были произведены многочисленные вычисления с попыткой согласования наблюдаемого эффекта с имеющимися на то время теориями эфира и с предполагаемым движением нашей планеты. Наблюдения периодически повторялись в различные времена года, чтобы стало возможным проверить одну за другой выдвигаемую гипотезу. В 1924 году, решение казалось уже невозможным, когда был сделан полный расчет ожидаемого эффекта для каждого месяца. Согласно расчетам ученые установили, что максимальное смещение полос происходит в апреле, а азимут максимума смещения в горизонтальной плоскости совершает полный оборот за 24 часа. В марте и апреле 1925 года были проведены следующие исследования, чтобы подтвердить результаты расчетов. Полученные результаты по амплитуде были наибольшими из ранее наблюдаемых, но они не были однозначны по всем направлениям компаса. То есть оно не изменяло направление азимута на 90° на интервалах по 6 часов и также не изменяло ориентацию на противоположную в 12 часов. Вместо этого направление только колебалось на угле в 60°, оставаясь, в общем, в северо-западной ориентации. До 1925 года эксперимент Майкельсона и Морли был направлен на проверку ранее выдвинутых научных гипотез. Теория эфира, которая подвергалась проверке, была связана с абсолютно неподвижным, стационарным эфиром, сквозь который двигается Земля, при этом, не создавая ему возмущения. По отношению к данной гипотезе эксперимент дал отрицательный результат. Эксперимент был ориентирован на проверку предположений, касающихся характера движения Земли, то есть орбитального и осевого движения планеты в сочетании с движением Солнечной системы по направлению к созвездию геркулеса при скорости 19 км/с. Результаты эксперимента не совпали с предположением. Так же в эксперименте планировалось произвести проверку гипотезы Лоренца-Фицжеральда, которая предполагала сокращение размеров тел при движении сквозь толщу эфира. Также ученые проверяли магнитно-стрикционные деформации рамы интерферометра. Весь процесс проверок занимал годы, но в большинстве случаев ответ на поставленные вопросы был отрицательным.
Но почему ученые используют в своих экспериментальных исследованиях один прибор, который имеет название эфирно-ветровой интерферометр. Инструмент, который применяется для определения относительного движения нашей планеты и эфира. Этот прибор может точно указать направление и скорость абсолютного движения Земли и Солнечной системы в целом. Ученые проводили наблюдения в разные временные отрезки и времена года, чтобы найти ответы на свои вопросы. Но почему это не сделали раньше?
Это произошло потому, что ученые были сильно заняты проверкой предположений классической теории. Ведь невозможно выдвинуть гипотезу, даже простую, не имея результатов прямых наблюдений. Возможно, причиной такой задержки является то, что ученым не удавалось по каким-либо причинам проводить наблюдения в любое время суток и в разные времена года. Также можно сказать, что наблюдение эфирного ветра – это процесс физически тяжелый для человека, так как он утомляет и вызывает нервное напряжение. В свое время профессор Морли сказал, что «терпение – это качество, без которого невозможно производить экспериментальные исследования данного рода».
Наблюдение проводятся в темноте, а в дневное время помещение, в котором находится инструмент (интерферометр) затемнялось темной непрозрачной бумагой. Для проведение измерений создаются определенные температурные условия, которые должны совпадать как с наружи, так и внутри помещения. Наблюдатели ходят по кругу диаметром 6 метров, при этом глаза их устремлены к движущемуся телескопу, который прикреплен к интерферометру, который свободно плавает в ртутной ванне и может равномерно вращаться с частотность 1 об/мин. Наблюдатель не должен производить физический контакт с телескопом и при этом не должен потерять из виду интерференционные полосы, которые можно рассмотреть только через небольшой окуляр телескопа диаметром 6,5 мм. Наблюдатель должен выполнять 60 отсчетов положения интерференционных линий при каждом обороте. При этом такт отсчета определен электрическими щелчками. Такая процедура продолжается в течение 15-20 минут и может проводиться неоднократно в течение нескольких часов. Поэтому вы можете судить сами насколько сложны эксперименты данного рода.
Мы, наверное, утомили вас рассказом о первых экспериментах обнаружения эфирного ветра и хотим на этом прерваться. В следующей статье мы подробно расскажем вам о результатах данных экспериментов, которые доказывают существование эфира и эфирного ветра.
Эти два предположения давали полное объяснение аберрации. Во-вторых, приводились результаты опытов Физо и Майкельсона – Морли, которые объясняют явление скорости свет в движущихся средах. Первая, возникшая гипотеза говорит о том, что эфир находится в пространстве и в непрозрачных телах, вызывала у ученых сомнение.
Определенный круг ученых пытался экспериментально подтвердить существование стационарного эфира. Фундаментальную основу в этой области заложил профессор А.А. Майкельсон в 1881 году. Его работа была основана на идее, что эфир в целом не движется, а световые волны распространяются в любом направлении с одинаковой скоростью по отношению к эфиру. Также он выдвинул предположение, что Земля движется по своей орбитальной траектории вокруг Солнца сквозь эфир, который является стационарным. Эксперимент был направлен на обнаружение относительного движения между нашей планетой и эфиром, это отношение в научных кругах получило название «эфирный ветер». Основой эксперимента было обнаружение различий показаний скорости света при условии движения наблюдателя вместе с Землей вдоль светового луча, или находясь перпендикулярно к нему. Как известно, скорость света имеет значение 300000 км/c, а скорость Земли по орбитальной траектории составляет 1/10000 часть скорости света, то есть имеет значение 30 км/с.
Истинное движение Земли можно описать суммой орбитального движения, измеренного по направлению орбиты и равного показателю 30 км/с, и равномерно движения Солнца, которое движется совместно с Солнечной системой в неопределенном направлении и с неопределенной скоростью. Поэтому в данный момент истинное движение Земли по отношению эфира остается неизвестным, оно может быть меньшим от значения 30 км/с или гораздо превышать это значение.
Если даже предположить то, что истинное движение Земли соответствует ее орбитальному движению, и имеется возможность произвести замеры прямого влияния данного движения на мнимую скорость света, то в таком случае скорость света, измеренная вдоль направления движения, будет отличаться от мнимой скорости, измеренной под прямым углом к этой линии, на 30 км/с или на 1/10000. Такой результат называется эффектом первого порядка, но, к сожалению, не имеется методики измерений скоростей в столь упрощенных условиях.
Все эксперименты нуждаются в том, чтобы свет достигал отдаленной точки и возвращался в точку излучения и при этом должно происходить положительное воздействие движения Земли на световой луч, направленный вперед, оказывается нейтрализованным негативным эффектом в обратном луче. Установлено, что при движении наблюдателя данная компенсация является не достаточно полной: мнимая скорость луча, удаляющегося и возвращающегося вдоль направления движения земли, будет иметь отличие от мнимой скорости луча, уходящего и возвращающегося в перпендикулярном направлении, на величину, пропорциональную квадрату отношений скорости земли и скорости света, то есть 1/100 000 000. Поэтому эффект, который удалось выявить экспериментальным путем, является ничтожный «эффект второго порядка».
Уникальный инструмент, который был создан профессором Майкельсоном и получил название «интерферометр», может обнаружить это ничтожное изменение скорости, что связаны с эфирным ветром. В данном эксперименте световой луч расщепляется на два луча с помощью тонкой пленки из серебра, которую ученый назвал «полупрозрачным зеркалом». Серебряное покрытие имеет минимальную толщину, что позволяет световому потоку частично пройти прямо, а второй половине «отразиться» от поверхности в прямом смысле данного слова.
Световые потоки могут быть направлены в перпендикулярных направлениях. На конечном этапе движения каждого луча происходит отражение при помощи специальных регулируемых зеркал, что позволяет соединиться в единое целое двум разрозненным световым лучам. Если два пути оптически эквивалентны, то есть в том случае, когда количество волн в обоих путях одинаково, то соединенные лучи смещаются при совпадении фаз обоих волн. В том случае, когда один из путей на половину волны длиннее другой, то волны соединятся в противофазе, где гребень одной волны будет совпадать с впадиной второй волны. Данные и промежуточные соотношения создают эффект, который получил название «интерференционные узоры», при наблюдении которых можно определить малые отклонения скорости света обоих световых путей в интерферометре.
Ещё в 1887 году профессор Майкельсон совместно с профессором Эдвардом В. Морли произвели усовершенствования методики измерений при помощи интерферометра. В дальнейшем их работу стали называть «экспериментом Майкельсона-Морли», который был направлен на определение того факта, который свидетельствует о том, что во время движения Земли происходит эффект, предсказанный теорией относительно скорости света.
К большому сожалению, ученым не известно точное направление движения Земли, что не позволяет точно выставить интерферометр в данном направлении. Поэтому ученые смогли смонтировать прибор на основании, которое плавало на поверхности ртути, что позволяло делать поворот прибора в любом направлении азимута. Вращение Земли вокруг соей оси позволяло прибору двигаться в определенной плоскости, предположительно в плоскости по касательной относительно конуса вращения, ось которого сопоставима с осью вращения Земли, что создает различные ориентации плоскости интерферометра в пространстве. Поэтому кажущийся азимут и дрейф эфира изменяются в зависимости от времени наблюдения.
Значимость экспериментов 1925 года по обнаружению эфирного ветра можно было только в смысле интерпретации, что касалось данных прежних экспериментов. Поэтому, чтобы прояснить сложившуюся картину необходимо сделать исторический обзор данных экспериментов.
Летом 1887 года Майкельсон и Морли произвели шесть серий экспериментальных наблюдений эфирного ветра – в полдень и в 6 часов вечера три дня – 8,9 и 11 июля. Это и есть основные наблюдения, которые производились Майкельсоном и Морли. Уже в ноябре этого года они опубликовали следующее заключение:
« …при учете движения Земли по орбите… наблюдения дали следующие результаты, что касается движения Земли и эфира, и вероятно, меньше, чем 1/6 орбитальной скорости Земли, и вероятно меньше, чем 1/4».
А это говорит о скорости меньшей, чем 7,5 км/с.
Следует сказать, что данные эксперименты были проведены только для того, чтобы выявить влияние орбитального движения Земли. Данное влияние должно иметь отличие для разных времен дня, что было сделано в эксперименте. В процессе эксперимента ученым удалось выявить расхождение на ¼ ожидаемого эффекта.
В дальнейшем в 1895 году Лоренц и Фицжеральд выдвинули предположение, что движения, которые связаны с перемещением твердого тела сквозь эфир, могут привести к сокращению их размеров в направлении движения и увеличению размеров в перпендикулярном направлении. Измерения следует производить пропорционально квадрату отношения скорости перемещения и света, так что они «обнуляют» эффект эфирного ветра в интерферометре Майкельсона и Морли. Оптические размеры инструмента необходимо определять из физических свойств песчаника, который использовался для создания базы интерферометра. Тогда можно предположить, что сосновая балка подвергается большему сокращению, чем песчаник, а сталь сокращается в меньшей мере.
Если обнуление происходит в одном аппарате, то в другом будет наблюдаться эффект, который отличается от нуля или имеет другой знак.
В дальнейшем Морли создал интерферометр в 4 раза чувствительней инструмента, который использовался в первых экспериментах. Его длина составляла 214 футов, что эквивалентно 130 000 000 длин волн. В данном приборе относительная скорость Земли и эфира, приравнивалась к скорости орбитального движения Земли, и индицирует интерференционный узор на 1,4 интерференционной полосы. Данные размеры инструмента отличаются от тех, что использовались до данного времени. Оптические пути инструмента были полностью модернизированы, и от первого аппарата осталась только ртутная ванна и деревянный поплавок.
Подобные инструменты были использованы в Кливленде в 1902, 1903 и 1904 годах в целях прямого доказательства эффекта Лоренца-Фицжеральда, но потерпели некоторые изменения в деревянной раме от изменений влажности и температуры деталей для получения более точных наблюдений, что создавало определенные затруднения. Также была создана новая рама профессором Ф.Г. Неффом, который работал в отделении Гражданского инженерного строительства Школы прикладных наук Кейса. Цель данной разработки заключалась в том, чтобы создать более жесткую и симметричную конструкцию рамы. Данная рама была создана с применением структурной стали и имела определенную конструкцию, что позволяло обеспечить оптический размер, зависящий от деревянного стержня и стальной рамы соответственно.
Данный прибор использовался в 1904 году. Проект заключался в определении ожидаемого эффекта комбинаций суточного и годового движения Земли вместе с движением Солнечной системы в целом по направлению к созвездию Геркулеса с предполагаемой скоростью 17,7 км/с. В определенные дни производились замеры в 11 ч 30 мин до полудня и в 9 ч 00 мин после полудня. Расчетные азимуты движения в данные периоды были установлены в двух периодах. Поэтому ученые организовали наблюдения так, чтобы ожидаемый азимут утреннего наблюдения совпадал с вечерним наблюдением. Наблюдения для обоих периодов дали ученым результаты с положительной амплитудой и присутствием приблизительно противоположных фаз. Когда данные результаты совмещались, в итоге результат приближался к нулю. Данные полученные в ходе эксперимента противоречили ранее выдвинутым теориям, которые предсказывали наличие эфирного ветра. Посмотрев идеи, которые представлены ниже, кажется, что позиция двух групп исследователей, наблюдавших различные фазы, базировалась на ошибочной гипотезе и полученный положительный результат находится в согласии новой гипотезы движения Солнца. Отчет об этом эксперименте был опубликован в «Philosophical Magazine» в мае 1905 года. В отчете было сказано следующее:
«Можно утверждать, что эфир в продольном помещении перемешается совместно с ним (перевод: полностью увлекается). Поэтому нам необходимо разместить инструмент на холме и посмотреть, нельзя обнаружить эфир в таких условиях».
Осенью 1905 года Морли и Миллер устанавливают интерферометр на подготовленном участке на Евклидовых высотах в Кливленде, что на высоте 300 футов над уровнем озера Эри и 870 футах над уровнем моря. На данном участке были исключены помехи, которые наблюдались в помещении в показаниях прибора. В 1905-1906 годах были проведены 5 групп наблюдений, которые дали положительный результат, составивший около 1/10 ожидаемого тогда «эфирного ветра». Ученые того времени объясняли подобное явление влиянием температурных эффектов, хотя прямых доказательств этому не существовало. Проверить данную теорию планировалось после летних каникул. Прибор был оставлен на земле, которая принадлежала общему другу ученых. Но за время отсутствия данная земля была продана, и новый хозяин немедленно потребовал удалить прибор со своего участка. Профессор Морли отдалился от активного участия в эксперименте в 1906 году, что возложило ответственность за проведение экспериментов на плечи Миллера. Последующие эксперименты планировалось провести на больших высотах, но возобновление исследований так и не было начато.
В это время Эйнштейн был популярен, так как в 1905 году он публикует статью «Электродинамика движущихся тел». Данная статья стала первой в длинном перечне работ Эйнштейна и других ученых, которые переросли впоследствии в современную теорию относительности. В данной статье Эйнштейн утверждает, что существует принцип постоянства скорости света. При этом он доказывает, что для наблюдателя, который находится на поверхности движущейся Земли, измеренная скорость света должна быть постоянной и независимой от направления и скорости движения Земли. Его теория относилась ко всем физическим явлениям и в большей мере к предложению, что опыты Майкельсона и Морли по выявлению эфирного ветра дают определенный и точно нулевой результат.
Предсказанное теорией относительности отклонение света звездами и Солнцем было доказано во время солнечного затмения, которое происходило в 1919 году. Широкая научная общественность признала результаты теории правдоподобными. Это привело к тому, что появился новый интерес к экспериментам по обнаружению эфирного ветра, результат которых был неприемлем многими ученными.
Подходящим местом для проведения дальнейших исследований являлась площадка на территории обсерватории Муант Вилсон, которая находится рядом с Пассаденой в Калифорнии, на высоте 6000 футов. В то время к проведению эксперимента подошли с большей ответственностью и разработали оптимальную программу его проведения и даже нашли фонды для осуществления задуманного. Денежные средства были предоставлены мистером Экштейном Кейсом из Кливленда. Также была оказана всесторонняя помощь в проведении экспериментов и выделены ассистенты для обработки большого количества информации, снятой во время экспериментальных исследований. Благодаря поддержке президента Мерриама из Института Карпеджи в Вашингтоне и директоров Хейла и Адамса эксперименты по эфирному ветру стали проводиться в Муант Вилсон в течении пяти лет.
Наблюдения стартовали в марте 1921 года с использованием инструментов и методик, которые разработали Морли и Миллер в 1904, 1905 и 1906 годах, правда с некоторой модернизацией и улучшением некоторых деталей. На первой стадии исследований были получены положительные результаты, которые соответствовали истинному эфирному ветру при относительной скорости эфира и нашей планеты, примерно 10 км/с. Но ученые не спешили с оглашением результатов, так как надеялись найти объяснение возможных причин, которые стали следствием смещения интерференционных полос, аналогично тем, которые должны происходить в процессе действия эфирного ветра. Ученые предполагали действие магнитострикции и лучевого прогревания. Чтобы проверить последнее предположение ученым пришлось покрыть все металлические части прибора слоем пробки толщиной в 1 дюйм. После этого было произведено еще 50 групп наблюдений, что подтвердило периодическое смещение полос с такими же показателями. Это лишний раз доказало, что радиационный нагрев не является причиной наблюдаемого эффекта.
Летом 1921 года металлическая рама прибора была демонтирована и заменена монолитной базой из цемента и медной арматуры. Также как и прежде база была размещена в ртутной ванне. Металлические части прибора были заменены на изделия из меди или алюминия, что способствовало избавлению от магнитного воздействия. Также модернизация прибора существенно снизила тепловой эффект. В декабре 1921 года были проведены ещё 42 группы наблюдений с немагнитным интерферометром. Они также порадовали положительными результатами, при этом показания полностью соответствовали наблюдениям апреля 1921 года. В данный период также были проверены различные вариации случайных воздействий. Наблюдения проводились с вращением интерферометра по часовой стрелке и против ее, при ускоренном и замедленном вращении, при наклонах интерферометра, а также частичным нагружением поплавка с одной стороны. Было проделано большое количество регистраций наблюдений. Все результаты не зависели от данных вариантов.
По окончанию экспериментов, аппарат был возвращен в лабораторию в Кливленде. В 1922 и 1923 годах было проведено много испытаний в различных условиях, которые были под контролем ученых и проводились в различных модификациях аппарата. Устройство призм и регулированных зеркал было создано таким образом, что источник света мог находиться вне помещения, в котором осуществлялись эксперименты, а в дальнейшем зеркала были доработаны так, что можно было наблюдать интерференционные полосы с помощью стационарного телескопа. Также были опробованы методики кинематографической регистрации. В экспериментах использовались различные источники света – электродуговое освещение, а также солнечный свет. В конечном итоге устройство было усовершенствовано так, что наблюдения проводились с применением астрономического телескопа с 5-дюймовой апертурой и 50-кратным увеличением. Для создания источника света применялась большая ацетиленовая лампа, которая применяется в автомобильных фарах. Также были проведены исследования на обнаружение влияния температурных неоднородностей или лучевого нагрева, опробованы многие теплоизолирующие материалы для базы интерферометра и его оптических лучей. Данные экспериментальные исследования подтвердили, что в условиях реальных наблюдений периодическое смещение интерференционных лучей не могут быть вызваны температурными эффектами. Расширенные эксперименты показали, что полнопериодный эффект, который упоминается отчете наблюдений Маунт-Вилсоновской обсерватории, является геометрическим следствием такого расположения зеркал, при котором используются интерференционные полосы определенной ширины, как это рекомендовано в простейшей теории эксперимента.
Летом 1924 года интерферометр снова был смонтирован на новой площадке Маун-Вилсон, где температурные условия были лучше, чем при экспериментах в 1921 году. Дом в котором разместили интерферометр, также имел иную ориентацию. И снова наблюдения показали присутствие реального периодичного смещения интерференционных полос, такое же, как и предыдущих наблюдениях, которые были произведены в Маунт Вилсон и в Кливленде.
Ученые все таки пытались найти объяснение данному явлению экспериментальным путем или объяснить данный эффект с точки зрения воздействия иных сил или погрешностей эксперимента. Были произведены многочисленные вычисления с попыткой согласования наблюдаемого эффекта с имеющимися на то время теориями эфира и с предполагаемым движением нашей планеты. Наблюдения периодически повторялись в различные времена года, чтобы стало возможным проверить одну за другой выдвигаемую гипотезу. В 1924 году, решение казалось уже невозможным, когда был сделан полный расчет ожидаемого эффекта для каждого месяца. Согласно расчетам ученые установили, что максимальное смещение полос происходит в апреле, а азимут максимума смещения в горизонтальной плоскости совершает полный оборот за 24 часа. В марте и апреле 1925 года были проведены следующие исследования, чтобы подтвердить результаты расчетов. Полученные результаты по амплитуде были наибольшими из ранее наблюдаемых, но они не были однозначны по всем направлениям компаса. То есть оно не изменяло направление азимута на 90° на интервалах по 6 часов и также не изменяло ориентацию на противоположную в 12 часов. Вместо этого направление только колебалось на угле в 60°, оставаясь, в общем, в северо-западной ориентации. До 1925 года эксперимент Майкельсона и Морли был направлен на проверку ранее выдвинутых научных гипотез. Теория эфира, которая подвергалась проверке, была связана с абсолютно неподвижным, стационарным эфиром, сквозь который двигается Земля, при этом, не создавая ему возмущения. По отношению к данной гипотезе эксперимент дал отрицательный результат. Эксперимент был ориентирован на проверку предположений, касающихся характера движения Земли, то есть орбитального и осевого движения планеты в сочетании с движением Солнечной системы по направлению к созвездию геркулеса при скорости 19 км/с. Результаты эксперимента не совпали с предположением. Так же в эксперименте планировалось произвести проверку гипотезы Лоренца-Фицжеральда, которая предполагала сокращение размеров тел при движении сквозь толщу эфира. Также ученые проверяли магнитно-стрикционные деформации рамы интерферометра. Весь процесс проверок занимал годы, но в большинстве случаев ответ на поставленные вопросы был отрицательным.
Но почему ученые используют в своих экспериментальных исследованиях один прибор, который имеет название эфирно-ветровой интерферометр. Инструмент, который применяется для определения относительного движения нашей планеты и эфира. Этот прибор может точно указать направление и скорость абсолютного движения Земли и Солнечной системы в целом. Ученые проводили наблюдения в разные временные отрезки и времена года, чтобы найти ответы на свои вопросы. Но почему это не сделали раньше?
Это произошло потому, что ученые были сильно заняты проверкой предположений классической теории. Ведь невозможно выдвинуть гипотезу, даже простую, не имея результатов прямых наблюдений. Возможно, причиной такой задержки является то, что ученым не удавалось по каким-либо причинам проводить наблюдения в любое время суток и в разные времена года. Также можно сказать, что наблюдение эфирного ветра – это процесс физически тяжелый для человека, так как он утомляет и вызывает нервное напряжение. В свое время профессор Морли сказал, что «терпение – это качество, без которого невозможно производить экспериментальные исследования данного рода».
Наблюдение проводятся в темноте, а в дневное время помещение, в котором находится инструмент (интерферометр) затемнялось темной непрозрачной бумагой. Для проведение измерений создаются определенные температурные условия, которые должны совпадать как с наружи, так и внутри помещения. Наблюдатели ходят по кругу диаметром 6 метров, при этом глаза их устремлены к движущемуся телескопу, который прикреплен к интерферометру, который свободно плавает в ртутной ванне и может равномерно вращаться с частотность 1 об/мин. Наблюдатель не должен производить физический контакт с телескопом и при этом не должен потерять из виду интерференционные полосы, которые можно рассмотреть только через небольшой окуляр телескопа диаметром 6,5 мм. Наблюдатель должен выполнять 60 отсчетов положения интерференционных линий при каждом обороте. При этом такт отсчета определен электрическими щелчками. Такая процедура продолжается в течение 15-20 минут и может проводиться неоднократно в течение нескольких часов. Поэтому вы можете судить сами насколько сложны эксперименты данного рода.
Мы, наверное, утомили вас рассказом о первых экспериментах обнаружения эфирного ветра и хотим на этом прерваться. В следующей статье мы подробно расскажем вам о результатах данных экспериментов, которые доказывают существование эфира и эфирного ветра.
