Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
подвижного эфира, из-за орбитального движения Земли должно было бы наблюдаться изменение разности частот лазеров примерно на 3 МГц, тогда как возможная ошибка опыта не превосходила нескольких герц. На опыте такое смещение обнаружено не было. На основании своих наблюдений экспериментаторы пришли к заключению, что скорость эфирного ветра, если бы таковой существовал, не может превышать 30 м/с. По сравнению с предыдущими результатами^точность была повышена примерно в 50 раз.
6. Отрицательный результат опыта Майкельсона доказывает, что в земной системе отсчета скорость света в вакууме изотропна, т. е. не зависит от направления его распространения. Под скоростью света здесь понимается средняя скорость в двух прямо противоположных направлениях — она и только она определяет результат опыта с «одними часами». Обобщая этот результат, мож- S 103]
ПОСТОЯНСТВО СКОРОСТИ СВЕТА
629
но сказать, что он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.
Остается выяснить, одинаковы ли численные значения скорости света в различных системах отсчета? Утвердительный ответ можно дать на основании опыта Кеннеди и Торндайка, которые в 1932 г. изменили опыт Майкельсона. В их опыте использовался интерферометр Майкельсона, в котором длины плеч были разными и отличались на 16 см. Они наблюдали интерференционные полосы (при неподвижном относительно Земли интерферометре) в течение шести месяцев. За это время Земля из своего исходного положения непрерывно перемещалась в диаметрально противоположную точку своей орбиты, участвуя вместе с тем в движении Солнца. Тем самым реализовалось множество систем отсчета, отличающихся друг от друга положением и ориентацией в пространстве. Если бы в них скорость света была разной, то должно было бы наблюдаться регулярное смещение интерференционных полос. На самом деле смещение носило случайный характер и не превосходило 3/1000 ширины полосы. На этом основании можно прийти к заключению, что с точностью примерно 2 м/с скорость света в вакууме относительно Земли одинакова во всех ее положениях в пространстве.
Все это подтверждает равноправие различных инерциальных систем отсчета по отношению ко всем физическим явлениям — преимущественной инерциальной системы отсчета не существует.
§ 103. Независимость скорости света от движения источника
1. Помимо принципа или постулата относительности, Зйніїітейн положил в основу теории относительности постулат о независимости скорости света в вакууме от движения источника. Его обычно называют принципом «постоянства скорости света\ хотя, как заметил еще Паули (1900—1958), такое название может повести к недоразумениям. Об универсальности постоянства скорости света в вакууме не может быть речи уже потому, что эта скорость постоянна только в инерциальных системах отсчета, а независимость скорости света от движения источника сохраняется и в общей теории относительности, где на выбор систем отсчета не накладывается никаких ограничений.
Независимость скорости света от движения источника можно было бы не выдвигать в качестве самостоятельного постулата, если с самого начала принять волновую-теорию света. Однако столь фундаментальную теорию, какой является теория относительности, лучше строить, не связывая ее ни с какими гипотетическими представлениями о природе и механизме физических явлений.
2. Предположение о зависимости скорости света от движения источника ввел Ритц (1878—1909). Согласно этому предположению скорость света в вакууме постоянна и равна с только относительно 630
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
[ГЛ. IX '
источника. Если же источник света движется со скоростью г» относительно какой-либо системы отсчета, то скорость света с' в этой системе векторно складывается из с и v, т. е. с' = с + как это происходит со скоростью, снаряда при стрельбе из движущегося орудия. Такая гипотеза получила название баллистической. Ритц систематически перестроил электродинамику Максвелла, приведя ее в соответствие с этой гипотезой. Ясно, что баллистическая гипотеза объясняет отрицательный результат опыта Майкельсона, если только источник света неподвижен относительно интерферометра.
Но баллистическая гипотеза, как и любое предположение о зависимости скорости света от движения источника, не согласуется с молекулярным объяснением отражения и преломления света (см. §§ 68 и 69). В основе такого объяснения лежит представление, что отраженная и преломленная волны возникают в результате интерференции падающей волны с вторичными волнами, излучаемыми молекулами и атомами среды. Действительно, если среду считать неподвижной, а источник света взять движущимся, то волны, излучаемые источником, будут распространяться с иными скоростями, чем волны, излучаемые молекулами и атомами среды. Интерференция между ними невозможна. Однако это замечание есть аргументация, основанная на волновой теории света, а не экспериментальное доказательство, свободное от гипотетических представлений о природе света.
Убедительное доказательство несостоятельности баллистической гипотезы, как показал в 1913 г. голландский астроном де Ситтер (1872—1934), дают астрономические наблюдения над движением двойных звезд. Действительно, допустим, что баллистическая гипотеза верна. Предположим для простоты, что компоненты двойной звезды вращаются вокруг их центра масс по круговым орбитам в той же плоскости, в которой расположена Земля. Рассмотрим движение одной из этих двух звезд. Пусть V — скорость движения ее по круговой орбите. В положении звезды, когда она удаляется от Земли вдоль соединяющей их прямой, скорость света равна (с — v), а в положении, когда звезда приближается, равна (с + v). Если отсчитывать время от момента, когда звезда находилась в первом положении, то свет из этого положения дойдет до Земли в момент tx = L!(c — v), а из -второго положения — в момент t2 = 772 + + L/(c + v), где T — период обращения звезды, a L — расстояние до нее. При громадных расстояниях до звезд наблюдаемые движения звезды могли бы заметно отступать от законов Кеплера. В частности, при очень больших L могло бы случиться, что t2 tu т. е. звезда одновременно была бы видна в двух (и даже нескольких) положениях или обращалась бы в противоположном направлении. Ничего подобного, как показали астрономические наблюдения, не происходит. § ЮЗ]
