§ 5.3. Анализ постулатов Эйнштейна. Опыт Майкельсона и Морли

Определения и обозначения

Принцип относительности Эйнштейна утверждает, что законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта. Инерциальная система — такая, в которой свободное тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Поэтому ни одна из таких систем не считается выделенной для записи законов природы. Этот принцип нужен, чтобы описывать физические явления без предположения об абсолютном покое.

Принцип постоянства скорости света означает, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных наблюдателей и не зависит от движения источника. Речь идёт именно о свете в вакууме, а не о любой скорости и не о распространении света в веществе. Наблюдатели могут двигаться друг относительно друга, но измеренная ими скорость света в вакууме остаётся одной и той же. Этот постулат задаёт основу для описания света в специальной теории относительности.

Эфирный ветер — предполагавшееся движение Земли относительно неподвижного светоносного эфира. Эфир представляли средой, в которой распространяются световые волны, подобно тому как звук распространяется в воздухе. Если Земля движется сквозь эту среду, направление её движения должно было влиять на распространение света. Понятие ввели, чтобы объяснить, почему скорость световой волны могла бы различаться относительно движущегося наблюдателя.

Опыт Майкельсона—Морли — интерферометрический эксперимент, предназначенный для обнаружения движения Земли относительно эфира. Интерферометр разделяет свет на два луча, направляет их по разным путям, а затем вновь соединяет. При наложении лучей возникают интерференционные полосы — чередование светлых и тёмных участков. По изменению этих полос пытались заметить разницу в распространении света по разным направлениям.

Как это устроено

Представление о свете как волне в эфире подсказывало аналогию со звуком: скорость звука измеряется относительно среды, а движение наблюдателя через воздух может менять скорость звука относительно него. Поэтому сторонники эфирной гипотезы ожидали, что движущаяся Земля будет перемещаться относительно эфира. Тогда свет, идущий по направлению движения Земли, и свет, идущий поперёк него, должен был бы проходить путь в разных условиях. Сравнение этих направлений позволяло искать след предполагаемого «эфирного ветра».

В интерферометре Майкельсона световой луч сначала попадал на полупрозрачную пластинку, которая делила его на две части. Один луч направлялся вдоль первого плеча установки, другой — вдоль второго, перпендикулярного первому. На концах плеч стояли зеркала: они отражали лучи обратно к разделителю. Затем лучи проходили к наблюдателю и накладывались, образуя интерференционную картину. Устройство делало возможным очень точное сравнение двух световых путей.

Если скорость света относительно установки различалась в двух направлениях, то лучам требовалось бы разное время, чтобы пройти туда и обратно. При соединении лучей эта разность времени означала бы изменение разности фаз, то есть того, насколько совпадают колебания световых волн. Положение светлых и тёмных полос зависит именно от такого совпадения. Поворот интерферометра менял направления его плеч относительно предполагаемого движения Земли через эфир, поэтому ожидали, что изменится и интерференционная картина.

При повороте установки ожидаемого смещения полос не обнаружили. Наблюдение означало, что эксперимент не выявил предсказанную разность распространения света, связанную с эфирным ветром. Само по себе оно не доказывало математически, что никакая форма эфира невозможна, но ставило под сомнение простую гипотезу неподвижной среды с измеримым ветром. Результат стал одним из важных оснований для пересмотра представлений о пространстве, времени и движении.

Эйнштейн предложил описывать явления без выделенной системы покоя эфира: все инерциальные системы равноправны в отношении законов физики. Второй постулат утверждает постоянство скорости света в вакууме для всех инерциальных наблюдателей. Эти положения дают согласованную основу, в которой отсутствие ожидаемого эффекта не приходится объяснять движением установки сквозь особую среду. Они также приводят к новым представлениям о связи измерений пространства и времени.

Ожидания эфирной гипотезы и выводы из опыта

Сопоставляйте в таблице не только ожидаемый эффект, но и то, что в действительности измеряли: положение полос при наложении лучей. Отсутствие смещения — экспериментальный результат, а связь с постулатами Эйнштейна — его теоретическая интерпретация. Такое разделение помогает не выдавать наблюдение за доказательство всех положений теории.

Разбор задач

1. Почему движение Земли должно было изменить картину?

Условие. Объясните, почему движение Земли относительно эфира должно было изменить интерференционную картину в опыте Майкельсона—Морли. Установка содержит два взаимно перпендикулярных плеча, по которым проходят разделённые лучи. Требуется связать движение Земли с полосами, а не просто назвать ожидаемый эффект.

1. Предполагаем, что свет распространяется в эфире, а Земля движется относительно него. Тогда движение установки относительно среды может по-разному влиять на лучи, направленные вдоль разных плеч.
2. Сравниваем времена прохождения туда и обратно: если они различаются, лучи возвращаются к месту наложения с изменённой разностью фаз.
3. При повороте установки плечи меняют ориентацию относительно предполагаемого эфирного ветра, поэтому ожидаемая разность времён должна измениться.

Ответ. Изменение разности времени прохождения изменило бы взаимное положение световых колебаний при наложении. Поэтому на экране ожидали смещение светлых и тёмных полос. Если бы полосы оставались на месте при всех поворотах, предсказание эфирной гипотезы не подтверждалось бы.

2. Что следует из отсутствия смещения?

Условие. После поворота интерферометра полосы не сместились. Укажите, какое предположение проверяли и какой вывод непосредственно следует из наблюдения. Не смешивайте полученный экспериментальный результат с его теоретическим объяснением. Это различие необходимо, чтобы вывод не оказался сильнее данных.

1. Определяем проверяемое предположение: движение Земли относительно неподвижного эфира должно влиять на скорость распространения света по разным направлениям.
2. Фиксируем наблюдение: ожидаемого изменения интерференционной картины при повороте установки не обнаружено.
3. Формулируем непосредственный вывод: опыт не подтвердил предсказанный эффект эфирного ветра; сам по себе он не доказывает невозможность любой теории эфира.

Ответ. Проверяли, проявится ли движение Земли относительно эфира в различии прохождения света по двум направлениям. Непосредственно установили, что ожидаемого смещения полос нет. Это ставит под сомнение предсказание простой эфирной гипотезы, но не является логическим доказательством несуществования эфира во всех возможных моделях.

3. Как применить постулаты к пассажиру и наблюдателю?

Условие. Пассажир едет в вагоне, а наблюдатель стоит на платформе; оба описывают опыт со светом. Определите, какие утверждения о физических законах и скорости света соответствуют постулатам Эйнштейна. Считайте вагон и платформу инерциальными системами в рассматриваемом опыте. Не применяйте к свету классическое сложение скоростей.

1. По первому постулату записываем, что законы физики одинаковы в обеих инерциальных системах. Ни вагон, ни платформа не получают особого статуса только из-за своего движения.
2. По второму постулату указываем, что оба наблюдателя измеряют одну и ту же скорость света в вакууме. Она не становится больше или меньше из-за движения источника.
3. Разделяем два утверждения: равноправие систем относится к законам физики, а постоянство скорости — к свету в вакууме.

Ответ. Оба наблюдателя должны описывать законы физики одинаковой формы, а скорость света в вакууме измерять одинаковой. Из первого постулата не следует, что все измеряемые величины совпадают. Скорость света нельзя вычислять для пассажира простым прибавлением скорости вагона.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что отрицательный результат математически доказывает невозможность эфира. Так думают, потому что формулировка «эфир не обнаружен» звучит как окончательное опровержение любой идеи о среде. Но опыт проверял конкретное предсказание — ожидаемое влияние эфирного ветра; проверяйте, отделён ли результат наблюдения от вывода о всех возможных моделях.

Ошибка: считать, что скорость любого объекта одинакова для всех наблюдателей. Путаница возникает из-за слишком широкого понимания слова «постоянство» во втором постулате. Он относится к свету в вакууме; чтобы проверить себя, назовите объект и среду, к которым относится утверждение.

Ошибка: понимать принцип относительности как одинаковые показания всех приборов в разных системах. Такое впечатление возникает, если смешать неизменность законов с неизменностью измеряемых величин. Спросите себя, говорится ли в условии о форме закона или о конкретном измерении: показания могут зависеть от системы отсчёта.

Ошибка: полагать, что при повороте интерферометра должны были измениться сами источники света. Так путают причину опыта с тем, что прибор должен был зарегистрировать. Проверка себя проста: источники не требовалось менять, искали изменение разности хода лучей и смещение полос при повороте установки.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужны понятия инерциальной системы отсчёта, относительности движения и скорости света. Они помогают различать движение установки относительно наблюдателя и предполагаемое движение относительно эфира. Далее тема подводит к специальной теории относительности, в которой постулаты Эйнштейна становятся основой описания измерений. С ней связаны преобразования Лоренца и относительность одновременности: при переходе между системами меняются отношения между измерениями пространства и времени.

Что запомнить

• Эфирную гипотезу проверяли поиском влияния движения Земли на распространение света.
• В интерферометре Майкельсона—Морли сравнивали лучи, прошедшие по взаимно перпендикулярным направлениям.
• Ожидаемого смещения интерференционных полос при повороте установки не обнаружили.
• Результат опыта не подтвердил предсказанное эфирной гипотезой влияние эфирного ветра.
• По первому постулату Эйнштейна законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
• По второму постулату скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных наблюдателей.