В 19-му столітті широко дискутувалася теорія світлоносного (luminiferous) ефіру, як одна із форм для розповсюдження світла. Важливою частиною цієї дискусії була проблема руху Землі по відношенню до цього середовища. Гіпотеза захоплення ефіру (aether drag hypothesis) мала справу з питанням чи світлоносний ефір захоплюється повністю, або частково матерією, що рухається. Згідно з першим випадком немає ніякого відносного руху між Землею та ефіром; а згідно з другим — існує відносний рух і тому швидкість світла повинна залежати від швидкості цього руху («ефірний вітер» — "aether wind"). Цей вітер повинен вимірюватися на поверхні Землі відповідними приладами, жорстко зв'язаними з її поверхнею. Одна із перших моделей ефіру була запропонована Френелем, який в 1818 році припустив, що ефір частково захоплюється матерією, що рухається. Протилежну модель запропонував Джордж Стокс в 1845, в якій ефір повністю захоплюється (entrained) всередині або поблизу матерії, що рухається. В той час, як стаціонарна теорія Френеля підтверджувалася «приблизно» на практиці експеримент Фізо (1851), теорія Стокса була «повністю» підтверджена в експерименті Майкельсона — Морлі (1881, 1889). Ця суперечність була розв'язана Лоренцом (1895, 1904), чия [en] забороняла будь-яку форму захоплення ефіру. Нарешті, з появою спеціальної теорії відносності Ейнштейна, ефіру було відмовлено «назавжди».
Часткове захоплення ефіру
В 1810 Франсуа Араго зрозумів, що варіації індексу рефракції речовини, які передбачає корпускулярна теорія, дають корисний метод для вимірювання швидкості світла. Ці передбачення виникли тому, що індекс рефракції (в російськомовній літературі — "показник заломлення" ) речовини (наприклад, скла) залежить від відношення швидкості світла в повітрі та в склі. Араго спробував виміряти величину рефракції корпускул світла за допомогою скляної призми, розташованої фронтально до окуляра телескопа. Він думав, що в різний час протягом доби чи року буде спостерігати набір різних кутів рефракції, які зумовлені різними швидкостями зір та рухом Землі. Проте Араго виявив, що рефракція зір не залежить від часу доби чи сезону. Єдине, що спостерігав Араго, була звичайна аберація світла. В 1818 Огюстен Жан Френель перевірив експериментальні результати Араго, використовуючи хвильову теорію світла. Він зрозумів, що навіть якщо світло розповсюджувалося як хвиля, індекс рефракції для поверхні розділу «повітря—скло» мав змінюватися, коли скло рухається через ефір для протидії налітаючій хвилі з різними швидкостями, коли Земля обертається, чи змінюються сезони. Френель припустив, що скляна призма буде частково переносити ефір разом з собою, так що «…ефір буде в надлишку всередині призми». Він зрозумів, що швидкість розповсюдження хвиль залежить від густини середовища, так що швидкість світла в призмі вимушено підстроюється на деяку величину 'захоплення' ('drag'). Швидкість світла в склі без підстройки задається виразом:
Захоплююча підстройка задається:
де — густина ефіру в середовищі, — густина ефіру в склі, а — швидкість призми по відношенню до ефіру. Фактор може бути записана як , оскільки індекс рефракції n буде залежним від густини ефіру. Він відомий також, як коефіцієнт захоплення (drag) Френеля. Тоді швидкість світла в склі буде:
Ця корекція була успішна при поясненні нульового результату в експерименті Араго. Вона базується на концепції стаціонарного ефіру, що захоплюється такою речовиною як скло, але не повітрям. Успіх цього підходу знаменував чергову «перемогу» нової хвильової теорії світла над старою корпускулярною.
Проблеми часткового захоплення ефіру
Коефіцієнт захоплення ефіру був підтверджений експериментом Фізо та численними його повторами іншими дослідниками. За допомогою цього експерименту можна пояснити негативні результати всіх інших експериментів, таких як експерименти Араго, Фізо, Хоєка та Маскарта. Поняття «майже стаціонарного ефіру» також сумісне з аберацією світла. Проте від цієї теорії відмовились з наступних причин:
- В 19-му столітті вже було відомо, що часткове захоплення ефіру вимагає, щоб відносна швидкість ефіру та речовини була різною для світла різних кольорів, що вочевидь не виконується.
- Теорія майже стаціонарного ефіру Френеля передбачає позитивний результат для експериментів, які достатньо чутливі достатньо для реєстрації ефектів другого порядку. Проте подібні експерименти, наприклад експеримент Майкельсона — Морлі та [en], дали «негативний» результат, і тому сьогодні ефір Френеля мало використовується в фізиці.
Щоб врятувати гіпотезу стаціонарного ефіру, Фітцжеральд та Лоренц запровадили поняття скорочення Фіцжеральда-Лоренца — зменшення довжини всіх тіл уздовж напряму руху на множник . Більше того, в «теорії електрона Лоренца» перетворення Галілея були замінені на перетворення Лоренца. Коефіцієнт захоплення Френеля тут відображає результат розповсюдження світлових хвиль, і не пов'язаний із захопленням (entrainment) ефіру. Проте накопичення гіпотез для врятування концепції стаціонарного ефіру вважається сьогодні досить штучною процедурою. Ейнштейн виявив, що достатньо використати два припущення: принцип відносності та «принцип постійності швидкості світла» у всіх інерційних системах. Із цих постулатів спеціальної теорії відносності перетворення Лоренца випливають автоматично, без застосування концепції стаціонарного ефіру Як було показано Макс фон Лауе (1907), теорія відносності передбачає результати експерименту Фізо з теореми про «додавання швидкостей» без необхідності використання ефіру. Якщо — швидкість світла відносно приладу Фізо, — швидкість світла по відношенню до води, а — швидкість води:
Тоді при малому v/c ми можемо застосувати біноміальний розклад:
Цей вираз збігається з рівнянням Френеля .
Повне захоплення ефіру
Для моделі ефіру Джорджа Стокса (1845) часткове захоплення ефіру не властиве. Тому Стокс припустив, що ефір повністю захоплюється поблизу тіла, яке рухається . Герц (1890) використав модель повного захоплення Стокса в рамках теорії електромагнетизму Максвелла. При цьому був також використаний принцип відносності Галілея. Якщо припустити, що ефір разом з матеріальним об’єктом перебуває в спокої в одній системі відліку, тоді перетворення Галілея дають такий результат, що об'єкт та захоплений ефір рухаються з однаковою швидкістю і в іншій системі відліку.
Проблеми повного захоплення ефіру
Повне захоплення ефіру може «пояснити» негативні результати майже всіх експериментів по захопленню ефіру (подібних до експерименту Майкельсона — Морлі). Проте ця теорія сьогодні вважається невідповідною спостереженням із наступних причин:
- Експеримент Фізо (1851) показує тільки «часткове захоплення» світла.
- Ефект Саньяка показує, що два промені світла, від одного й того ж джерела світла, спрямовані в різні напрями платформи, що обертається, вимагають різного часу для повернення назад до джерела світла. Проте, якщо ефір повністю захоплюється платформою, то цього ефекту взагалі не може бути.
- Олівер Лодж провів безрезультатно експерименти в 1890-х по розповсюдженню світла поблизу великих мас, що обертаються навколо своєї осі, для з'ясування їх впливу (негативний результат).
Література
- Whittaker, Edmund Taylor (1910), A History of the theories of aether and electricity (вид. 1.), Dublin: Longman, Green and Co.
- Jannsen, Michel & Stachel, John (2008), (PDF), архів оригіналу (PDF) за 29 вересня 2015, процитовано 3 жовтня 2012
- Rafael Ferraro and Daniel M Sforza (2005), Arago (1810): the first experimental result against the ether, Eur. J. Phys., 26: 195—204, arXiv:physics/0412055, Bibcode:2005EJPh...26..195F, doi:10.1088/0143-0807/26/1/020
- Лансберг Г.С. Оптика. Изд. 5-е пер. и доп. М:Наука,1976. с.928 (опыт Физо, коэффициент увлечения, с.444)
- Arago, A. (1810/1853), Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la prémière classe de l’Institut, le 10 décembre 1810, Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, 36: 38—49
- Fresnel, A. (1818), Lettre d’Augustin Fresnel à François Arago sur l’influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d’optique, Annales de chimie et de physique, 9: 57—66
- Lorentz, Hendrik Antoon (1904), , Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, 6: 809—831
- Einstein, Albert (1905), , Annalen der Physik, 322 (10): 891—921, Bibcode:1905AnP...322..891E, doi:10.1002/andp.19053221004, архів оригіналу за 25 листопада 2005, процитовано 3 жовтня 2012.
- Laue, Max von (1907). . Annalen der Physik. 23: 989—990.
- Stokes, George Gabriel (1845), On the Aberration of Light, Philosophical Magazine, 27: 9—15
- : Lehrbuch der theoretischen Physik. 12. edition, 1959, page 448
- Lodge, Oliver J. (1893). . Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A. 184: 727—804. Bibcode:1893RSPTA.184..727L. doi:10.1098/rsta.1893.0015. Архів оригіналу за 24 січня 2016. Процитовано 3 жовтня 2012.
- Lodge, Oliver J. (1897). . Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A. 189: 149—166.
- Wikibooks: Special Relativity [Архівовано 20 травня 2008 у Wayback Machine.]
- Resnick, Robert, Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, 1972, John Wiley and Sons Inc.
Зовнішні посилання
- Mathpages: Stokes’ Mistake [Архівовано 28 січня 2013 у Archive.is]
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
V 19 mu stolitti shiroko diskutuvalasya teoriya svitlonosnogo luminiferous efiru yak odna iz form dlya rozpovsyudzhennya svitla Vazhlivoyu chastinoyu ciyeyi diskusiyi bula problema ruhu Zemli po vidnoshennyu do cogo seredovisha Gipoteza zahoplennya efiru aether drag hypothesis mala spravu z pitannyam chi svitlonosnij efir zahoplyuyetsya povnistyu abo chastkovo materiyeyu sho ruhayetsya Zgidno z pershim vipadkom nemaye niyakogo vidnosnogo ruhu mizh Zemleyu ta efirom a zgidno z drugim isnuye vidnosnij ruh i tomu shvidkist svitla povinna zalezhati vid shvidkosti cogo ruhu efirnij viter aether wind Cej viter povinen vimiryuvatisya na poverhni Zemli vidpovidnimi priladami zhorstko zv yazanimi z yiyi poverhneyu Odna iz pershih modelej efiru bula zaproponovana Frenelem yakij v 1818 roci pripustiv sho efir chastkovo zahoplyuyetsya materiyeyu sho ruhayetsya Protilezhnu model zaproponuvav Dzhordzh Stoks v 1845 v yakij efir povnistyu zahoplyuyetsya entrained vseredini abo poblizu materiyi sho ruhayetsya V toj chas yak stacionarna teoriya Frenelya pidtverdzhuvalasya priblizno na praktici eksperiment Fizo 1851 teoriya Stoksa bula povnistyu pidtverdzhena v eksperimenti Majkelsona Morli 1881 1889 Cya superechnist bula rozv yazana Lorencom 1895 1904 chiya en zaboronyala bud yaku formu zahoplennya efiru Nareshti z poyavoyu specialnoyi teoriyi vidnosnosti Ejnshtejna efiru bulo vidmovleno nazavzhdi Chastkove zahoplennya efiruV 1810 Fransua Arago zrozumiv sho variaciyi indeksu refrakciyi rechovini yaki peredbachaye korpuskulyarna teoriya dayut korisnij metod dlya vimiryuvannya shvidkosti svitla Ci peredbachennya vinikli tomu sho indeks refrakciyi v rosijskomovnij literaturi pokaznik zalomlennya rechovini napriklad skla zalezhit vid vidnoshennya shvidkosti svitla v povitri ta v skli Arago sprobuvav vimiryati velichinu refrakciyi korpuskul svitla za dopomogoyu sklyanoyi prizmi roztashovanoyi frontalno do okulyara teleskopa Vin dumav sho v riznij chas protyagom dobi chi roku bude sposterigati nabir riznih kutiv refrakciyi yaki zumovleni riznimi shvidkostyami zir ta ruhom Zemli Prote Arago viyaviv sho refrakciya zir ne zalezhit vid chasu dobi chi sezonu Yedine sho sposterigav Arago bula zvichajna aberaciya svitla V 1818 Ogyusten Zhan Frenel pereviriv eksperimentalni rezultati Arago vikoristovuyuchi hvilovu teoriyu svitla Vin zrozumiv sho navit yaksho svitlo rozpovsyudzhuvalosya yak hvilya indeks refrakciyi dlya poverhni rozdilu povitrya sklo mav zminyuvatisya koli sklo ruhayetsya cherez efir dlya protidiyi nalitayuchij hvili z riznimi shvidkostyami koli Zemlya obertayetsya chi zminyuyutsya sezoni Frenel pripustiv sho sklyana prizma bude chastkovo perenositi efir razom z soboyu tak sho efir bude v nadlishku vseredini prizmi Vin zrozumiv sho shvidkist rozpovsyudzhennya hvil zalezhit vid gustini seredovisha tak sho shvidkist svitla v prizmi vimusheno pidstroyuyetsya na deyaku velichinu zahoplennya drag Shvidkist svitla v n displaystyle v n v skli bez pidstrojki zadayetsya virazom v n c n displaystyle v n frac c n Zahoplyuyucha pidstrojka v d displaystyle v d zadayetsya v d v 1 r e r g displaystyle v d v 1 frac rho e rho g de r e displaystyle rho e gustina efiru v seredovishi r g displaystyle rho g gustina efiru v skli a v displaystyle v shvidkist prizmi po vidnoshennyu do efiru Faktor 1 r e r g displaystyle 1 frac rho e rho g mozhe buti zapisana yak 1 1 n 2 displaystyle 1 frac 1 n 2 oskilki indeks refrakciyi n bude zalezhnim vid gustini efiru Vin vidomij takozh yak koeficiyent zahoplennya drag Frenelya Todi shvidkist svitla v skli bude V c n v 1 1 n 2 displaystyle V frac c n v 1 frac 1 n 2 Cya korekciya bula uspishna pri poyasnenni nulovogo rezultatu v eksperimenti Arago Vona bazuyetsya na koncepciyi stacionarnogo efiru sho zahoplyuyetsya takoyu rechovinoyu yak sklo ale ne povitryam Uspih cogo pidhodu znamenuvav chergovu peremogu novoyi hvilovoyi teoriyi svitla nad staroyu korpuskulyarnoyu Problemi chastkovogo zahoplennya efiru Koeficiyent zahoplennya efiru buv pidtverdzhenij eksperimentom Fizo ta chislennimi jogo povtorami inshimi doslidnikami Za dopomogoyu cogo eksperimentu mozhna poyasniti negativni rezultati vsih inshih eksperimentiv takih yak eksperimenti Arago Fizo Hoyeka ta Maskarta Ponyattya majzhe stacionarnogo efiru takozh sumisne z aberaciyeyu svitla Prote vid ciyeyi teoriyi vidmovilis z nastupnih prichin V 19 mu stolitti vzhe bulo vidomo sho chastkove zahoplennya efiru vimagaye shob vidnosna shvidkist efiru ta rechovini bula riznoyu dlya svitla riznih koloriv sho vochevid ne vikonuyetsya Teoriya majzhe stacionarnogo efiru Frenelya peredbachaye pozitivnij rezultat dlya eksperimentiv yaki dostatno chutlivi dostatno dlya reyestraciyi efektiv drugogo poryadku Prote podibni eksperimenti napriklad eksperiment Majkelsona Morli ta en dali negativnij rezultat i tomu sogodni efir Frenelya malo vikoristovuyetsya v fizici Shob vryatuvati gipotezu stacionarnogo efiru Fitczherald ta Lorenc zaprovadili ponyattya skorochennya Ficzheralda Lorenca zmenshennya dovzhini vsih til uzdovzh napryamu ruhu na mnozhnik 1 v 2 c 2 displaystyle sqrt 1 v 2 c 2 Bilshe togo v teoriyi elektrona Lorenca peretvorennya Galileya buli zamineni na peretvorennya Lorenca Koeficiyent zahoplennya Frenelya tut vidobrazhaye rezultat rozpovsyudzhennya svitlovih hvil i ne pov yazanij iz zahoplennyam entrainment efiru Prote nakopichennya gipotez dlya vryatuvannya koncepciyi stacionarnogo efiru vvazhayetsya sogodni dosit shtuchnoyu proceduroyu Ejnshtejn viyaviv sho dostatno vikoristati dva pripushennya princip vidnosnosti ta princip postijnosti shvidkosti svitla u vsih inercijnih sistemah Iz cih postulativ specialnoyi teoriyi vidnosnosti peretvorennya Lorenca viplivayut avtomatichno bez zastosuvannya koncepciyi stacionarnogo efiru Yak bulo pokazano Maks fon Laue 1907 teoriya vidnosnosti peredbachaye rezultati eksperimentu Fizo z teoremi pro dodavannya shvidkostej bez neobhidnosti vikoristannya efiru Yaksho V displaystyle V shvidkist svitla vidnosno priladu Fizo U displaystyle U shvidkist svitla po vidnoshennyu do vodi a v displaystyle v shvidkist vodi U c n displaystyle U frac c n V c n v 1 v n c displaystyle V frac c n v 1 v nc Todi pri malomu v c mi mozhemo zastosuvati binomialnij rozklad V c n v 1 1 n 2 displaystyle V approx frac c n v left 1 frac 1 n 2 right Cej viraz zbigayetsya z rivnyannyam Frenelya Povne zahoplennya efiruDlya modeli efiru Dzhordzha Stoksa 1845 chastkove zahoplennya efiru ne vlastive Tomu Stoks pripustiv sho efir povnistyu zahoplyuyetsya poblizu tila yake ruhayetsya Gerc 1890 vikoristav model povnogo zahoplennya Stoksa v ramkah teoriyi elektromagnetizmu Maksvella Pri comu buv takozh vikoristanij princip vidnosnosti Galileya Yaksho pripustiti sho efir razom z materialnim ob yektom perebuvaye v spokoyi v odnij sistemi vidliku todi peretvorennya Galileya dayut takij rezultat sho ob yekt ta zahoplenij efir ruhayutsya z odnakovoyu shvidkistyu i v inshij sistemi vidliku Problemi povnogo zahoplennya efiru Lodge s ether machine Svitlo vid chutlivogo interferometra regulyuyetsya mizh diskami sho shvidko obertayutsya Povne zahoplennya efiru mozhe poyasniti negativni rezultati majzhe vsih eksperimentiv po zahoplennyu efiru podibnih do eksperimentu Majkelsona Morli Prote cya teoriya sogodni vvazhayetsya nevidpovidnoyu sposterezhennyam iz nastupnih prichin Eksperiment Fizo 1851 pokazuye tilki chastkove zahoplennya svitla Efekt Sanyaka pokazuye sho dva promeni svitla vid odnogo j togo zh dzherela svitla spryamovani v rizni napryami platformi sho obertayetsya vimagayut riznogo chasu dlya povernennya nazad do dzherela svitla Prote yaksho efir povnistyu zahoplyuyetsya platformoyu to cogo efektu vzagali ne mozhe buti Oliver Lodzh proviv bezrezultatno eksperimenti v 1890 h po rozpovsyudzhennyu svitla poblizu velikih mas sho obertayutsya navkolo svoyeyi osi dlya z yasuvannya yih vplivu negativnij rezultat LiteraturaWhittaker Edmund Taylor 1910 A History of the theories of aether and electricity vid 1 Dublin Longman Green and Co Jannsen Michel amp Stachel John 2008 PDF arhiv originalu PDF za 29 veresnya 2015 procitovano 3 zhovtnya 2012 Rafael Ferraro and Daniel M Sforza 2005 Arago 1810 the first experimental result against the ether Eur J Phys 26 195 204 arXiv physics 0412055 Bibcode 2005EJPh 26 195F doi 10 1088 0143 0807 26 1 020 Lansberg G S Optika Izd 5 e per i dop M Nauka 1976 s 928 opyt Fizo koefficient uvlecheniya s 444 Arago A 1810 1853 Memoire sur la vitesse de la lumiere lu a la premiere classe de l Institut le 10 decembre 1810 Comptes Rendus de l Academie des Sciences 36 38 49 Fresnel A 1818 Lettre d Augustin Fresnel a Francois Arago sur l influence du mouvement terrestre dans quelques phenomenes d optique Annales de chimie et de physique 9 57 66 Lorentz Hendrik Antoon 1904 Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity smaller than that of light Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 6 809 831 Einstein Albert 1905 Annalen der Physik 322 10 891 921 Bibcode 1905AnP 322 891E doi 10 1002 andp 19053221004 arhiv originalu za 25 listopada 2005 procitovano 3 zhovtnya 2012 Laue Max von 1907 The Entrainment of Light by Moving Bodies According to the Principle of Relativity Annalen der Physik 23 989 990 Stokes George Gabriel 1845 On the Aberration of Light Philosophical Magazine 27 9 15 Lehrbuch der theoretischen Physik 12 edition 1959 page 448 Lodge Oliver J 1893 Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 184 727 804 Bibcode 1893RSPTA 184 727L doi 10 1098 rsta 1893 0015 Arhiv originalu za 24 sichnya 2016 Procitovano 3 zhovtnya 2012 Lodge Oliver J 1897 Experiments on the Absence of Mechanical Connexion between Ether and Matter Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 189 149 166 Wikibooks Special Relativity Arhivovano 20 travnya 2008 u Wayback Machine Resnick Robert Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory 1972 John Wiley and Sons Inc Zovnishni posilannyaMathpages Stokes Mistake Arhivovano 28 sichnya 2013 u Archive is