(C) В.А. Жмудь
Я уже ранее писал о несомненных причинах, которые объясняют отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли.
Теперь хотелось бы остановиться на других аспектах этого опыта. Даже если исключить из рассмотрения тот факт, что в этом опыте измеряется отнюдь не скорость света, а перемещение интерференционной картины, и если не обращать внимания на тот факт, что теория опыта и теория погрешностей измерений опыта далеко не корректна, если считать, что чувствительность этого опыта соответствует поставленным задачам, и методика обеспечивает действительно корректное измерение анизотропии скорости света, то и тогда вопрос трактовки результатов опыта Майкельсона следует тщательно проанализировать, после чего выясняются обстоятельства, позволяющие подвергнуть эту трактовку резкой критике.
Прежде чем пытаться искать или отрицать существование покоящейся системы, виды движений лаборатории имеют место, и как они могут влиять на результат эксперимента.
Для простоты предположим, что существует покоящаяся система отсчета, и опишем все уже известные виды движений лаборатории, находящейся на поверхность Земли, относительно этой системы.
1. Вращение Земли с периодом 24 часа 3 минуты и 56,55 секунд. Линейная скорость вращения на экваторе составляет приблизительно 0,465 км/с, откуда можно вычислить линейную скорость на любой широте [1].
2. Обращение Земли около Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,765 км/с. Максимальная ее орбитальная скорость в перигелии – 30,27 км/с, а минимальная в афелии 29,27 км/с. Апекс этого движения перемещается по небесной сфере и за год совершает полный оборот [1].
3. Скорость Солнца по отношению к местной группе галактик (см. Галактики, их местная группа) - около 300 км/с и апекс находится в созвездии Цефея [1] (по другим данным около 250 км/с и апекс 316 км/с [2], в некоторых источниках указывается 22-25 км/с [3]).
4. Относительно реликтового излучения местная группа галактик движется со скоростью около 600 км/с в направлении созвездия Гидры [1].
Таким образом, следует признать, что если лаборатория движется относительно некоторой покоящейся системы отсчета и осуществляется попытка выявления этого движение, следует полагать скорость этого движения в интервале 250-600 км/с. Если не определять для каждого конкретного момента времени направления этого движения, то эксперимент становится бессмысленным. Действительно, в связи с вращением Земли ориентация лаборатории меняется с периодом 24 часа, но эта ориентация не воспроизводится полностью за счет всех остальных видов движения. В покоящейся лаборатории будет наблюдаться изменение ориентации интерферометра с этим периодом, причем, можно считать, что плоскость лаборатории ортогональна радиус-вектору, который описывает коническую поверхность. Если интерферометр или его компоненты поворачиваются в плоскости пола, то это усложнит закономерность его ориентации относительно предполагаемой скорости движения, основная компонента которой определена пунктом 4. Для того, чтобы интерферометр поворачивался в нужном направлении, следует увязать его ориентацию по сторонам света со временем выполнения эксперимента. Если этого не сделать, то выполнение опыта Майкельсона является попыткой выявления малой зависимости на фоне неизвестной и не измеряемой заведомо большей зависимости. Действительно, если эффект от поворота лаборатории относительно ее скорости предполагается квадратичный, то с учетом отличия скорости Земли относительно Солнца (30 км/с) от скорости Земли по п.4 в 20 раз, разница эффектов должна быть в 400 раз. Даже в сопоставлении со скоростью Солнца по п.3 эти величины должны отличаться, как минимум, в 70-100 раз.
Если же принять гипотезу о том, что скорость Солнца составляет всего лишь 22-25 км/с, то с учетом значения скорости Земли от 29,7 до 30,3 км/с результат измерения опыта Майкельсона-Морли мог бы теоретически дать результат измерения скорости эфирного ветра в диапазоне от 4,7 до 55,3 км/с в зависимости от сочетания направлений этих скоростей.
Николай Носков [4] со ссылкой на сборник переводов статей по вопросу истории понятия эфирного ветра [5] указывает, что результат опыта Майкельсона был отнюдь не нулевым, как это принято считать. Он пишет: «В самых первых экспериментах (отчет 1881 г. [2]) на своем интерферометре Майкельсон получил эфирный ветер от 3 до 3,5 км/с, что не соответствовало орбитальной скорости Земли в 30 км/с, но это был существенный результат», а в других экспериментах были получены значения вплоть до 8,8 км/с [4]. Кроме того, «В России, где позиции релятивистов были особенно сильны, и не допускалась никакая критика теории относительности, Вавилов [6], президент АН СССР, проведя исследования оснований этой теории, высказал ряд серьезных возражений, которых релятивисты постарались не заметить. Так, по поводу экспериментов Майкельсона и Морли он написал: «Способ обработки результатов экспериментов Майкельсоном таков, что всякие непериодические смещения исключаются. Между тем, эти смещения были значительными» [4].
Из этого следует, что результаты в пределах от 3 до 8 км/с абсолютно достоверно вписываются в гипотезу о существовании эфирного ветра в предположении о скорости Солнца на уровне 22-25 км/с [3]. Эти же результаты не противоречат этой же гипотезе в предположении о значительно большей скорости Солнца, а вместе с ней и Земли [1, 2] но в каждом случае для детального обсуждения этой гипотезы следует корректно соотнести направления всех скоростей и составить соответствующие векторные диаграммы, для чего необходимо учесть не только место, но и точное время экспериментов, а также интервалы, на которых усреднялись результаты измерений.
Судя по публикациям, которые появляются регулярно, включая и нынешний 2008 год [7], физики до сих пор не прекращают попытки повторения опыта Майкельсона-Морли и дополняют описание экспериментальных результатов выводами, содержащими некоторые теоретические выводы. В этом смысле показателен, например, такой вывод о результатах эксперимента и обработки полученных данных: «Путем обработки полученных в процессе вращения установки (период вращения порядка 300с) в течение приблизительно 80 ч, была продемонстрирована изотропия скорости света с относительной погрешностью лучше 10^-15. Результаты исследований позволили уточнить значение коэффициента нарушения ихотропии скорости света в рамках теории Робертсона-Мансури-Сэксла [8]». В данной статье имеется обширная библиография, включая [8], тех трудов, где дается теория изменения скорости света в различных направлениях.
Любопытное сочетание выводов: 1) изотропия скорости света подтверждена, 2) коэффициенты анизотропии уточнены.
Вчитайтесь и вдумайтесь. Подтверждено отсутствие зависимости, а также уточнены коэффициенты линейной аппроксимации этой зависимости. Как так можно? Если зависимости нет, то нечего и аппроксимировать, если коэффициенты уточнены, следовательно, имеется зависимость.
Впрочем, физики-теоретики никогда, видимо, не отучатся говорить парадоксами.
P.S. В статье [7] имеются и другие темные места. Например, в таблице 2 даны абсолютная погрешность в единицах частоты и относительная погрешность в безразмерных единицах, которые, надо полагать, получены отношением частотной погрешности к частоте излучения лазера. Странно, что эти числа не связаны каким-то единым коэффициентом. В частности, влияние изменения угла при вращении оценено как 3,0 Гц, относительное влияние равно 1,1*10^-14. Влияние погрешности температуры в лаборатории оценено как 2 Гц, относительная погрешность дана как 0,7*10^-14, вклад погрешности температуры резонатора оценена как 0,2Гц, но относительная величина равна 0,8*10^-15. Вклад мощности в относительных единицах 0,5 Гц, а в абсолютных 1,8*10^-15.
Т.е. в первом и в четвертом случае величина абсолютной погрешности разделена на 2,7*10^-14, во втором – на 2,86 с тем же порядком, в третьем – на 2,5 с тем же порядком. Будем считать, что частота излучения лазера равна 2,7*10^-14 Гц, что соответствует средней используемой для нормировки величине.
Если все упомянутые погрешности сложить статистически, как это полагается, то суммарная погрешность должна оцениваться как корень из суммы квадратов, то есть 3,64 Гц, что составляет 1,35 на 10^-14 в относительных единицах. Не ясно, откуда же получена погрешность лучше, чем 10^-15? Расчетная величина в 13 с лишним раз больше той, которая сказана как верхняя оценка погрешности! Указано, что наилучшая стабильность частоты биений лазера получена за «тау» равное 300с, и судя по графику параметр Аллана (среднестатистический уход частоты на двух смежных интервалах измерения длительностью «тау») 2 Гц. Эти 2 Гц отнесенные к длине частоте лазера составят погрешность 7 на 10^-15, а отнюдь не 1 на 10^-15. Но в статье также сказано, что линейный дрейф частоты биений составил приблизительно 0,1 Гц/с. В приведенном графике этот дрейф вычислен и вычтен. Но насколько это правомерно? Ведь за 600 с итоговый дрейф должен составить 60Гц! Это - если осуществлен режим измерений, наилучшим образом отвечающий точностным характеристикам лазера. То есть при минимуме ухода частоты равном 2 Гц, на интервале 300с, необходимо осуществлять эксперимент в таком режиме, когда в результат входит сдвиг частоты именно за этот интервал. То есть надо при одном угле поворота усреднять интерференционную картину в течение 300с, вычисляя ее положение, затем осуществить поворот на 90 градусов и еще в течение 300с измерять новое положение интерференционной картины, и так далее, с этой периодичностью. То есть время элементарного периода эксперимента должно составлять 600с. При этом линейный дрейф даст уход 60 Гц. Относительная погрешность будет равна 2,2 на 10^-13, а никак не 1 на 10^-15.
Добавим к этому тот факт, что за 600 с Земля повернется на угол 2,5 градуса. Это надо учитывать, об этом ничего не сказано. Если период поворота интерферометра иной, тогда не понятно, при чем тут стабильность частоты лазера за 300с. Например, если бы использовался суточный период обращения, то следовало бы брать нестабильность лазера за 12 часов, которая, судя по графику более 20 Гц.
И, наконец, приведены некие уточнения коэффициентов анизотропии, которые соответствуют отношению приращения скорости света к самой скорости света на уровне 6,2*10^-16.
Мне совершенно не понятно, как с помощью методов измерения, имеющих относительную погрешность порядка 10^-15 можно уточнить значение коэффициента на порядок, если этот коэффициент описывает величину, равную 6,2*10^-16.
Допустим, коэффициент был равен 100%, и погрешность его была равна 10%. Если эта погрешность уточнена на порядок, то новая погрешность стала 1%.
Для того, чтобы уточнить коэффициент некоторого явления на 1%, надо это явление измерить с погрешностью не хуже 1%.
Если же сама величина относится к погрешности вашего метода как 0,62:1, то вы не можете эту величину измерить даже с ошибкой 50%! Как же можно уточнить в таком случае погрешности на порядок? Ведь в нашем случае надо было бы, чтобы сама величина относилась к погрешности не как 0,62:1, а как 100:1, то есть погрешность должна была бы быть в 150 раз ниже, чем она есть. А если эти коэффициенты изначально были известны не с погрешностью 10%, а, скажем, с погрешностью 2%, тогда нам надо было бы нашу погрешность иметь еще в 5 раз меньше, чтобы уточнить их на порядок.
Я лишь задаю вопросы, я не знаю на них ответы. Наверное, физики, которые так любят утверждать, что какой бы ни была теория относительности, лучшей теории все равно нет, они-то, видать, понимают, что к чему.
Слава богу, я не физик.
P.P.S. Вспомним, что скорость света равна 300 000 км/с, скорость Земли равна 30 км/с, т.е. скорость Земли составляет 10^-4 от скорости света. Ожидание квадратичного эффекта в соответствии с гипотезами Майкельсона соответствует приращению 10^-8. Я ранее показал, что это ожидание необоснованно. Опыт Майкельсона вообще не может выявить анизотропию скорости света. В этом опыте не измеряется скорость света, и не измеряется приращение скорости света, в этом опыте измеряется разность приращений фаз на замкнутых путях.
Измерять эффекты влияния анизотропии света с помощью лазерного источника излучения некорректно, также как и некорректно это с помощью иного эталона, в частности, с помощью лазера, привязанного к эталону поглощения. Потому что если анизотропия света существует, то она касается всех процессов, включая процессы в лазере и процессы при поглощении света и при его излучении в атомах и молекулах. Лазеры, интерферометры, атомы и молекулы – все это различные резонаторы, в которых имеются условия резонанса, зависящие от скорости света. Если анизотропия света существует, то любое зеркало не только поворачивает направление излучения света, но и меняет его длину волны. Поэтому никакие интерферометрические измерения не позволят выявить анизотропию света.
Сам Майкельсон осуществлял измерения при использовании света от звезды. Свет от звезды – некогерентный. Для того чтобы получить интерференционную картину от некогерентного света, необходимо иметь нулевую разность фаз. Если разность фаз будет ненулевой, то интерференционная картина размоется.
В установке Майкельсона имелся регулировочный винт, который подкручивался, чтобы получить более четкую интерференционную картину. Более четкой интерференционная картина станет только в том случае, если оптическая длина плеч интерферометра будет выровнена так, что разность хода будет нулевой. При нулевой разности хода интерференционная картина должна быть в определенном положении. Если разность хода нарушится, то сместится интерференционная картина, и при этом одновременно нарушится ее резкость, если применяется свет от звезды. Если же резкость будет восстановлена с помощью настройки, то будет восстановлено и исходное положение интерференционных полос.
Ну и, наконец, еще раз напомню, что интерференционные полосы позволяют измерить разность фаз, а отнюдь не скорость света. В приращении разности фаз имеет значение не скорость распространения света, а ФАЗОВАЯ скорость света, которая не равна скорости распространения. Это – скорость перемещения точки волны с равной фазой. Фазовая скорость совершено гарантированно зависит от скорости источника света относительно приемника света. Опыт Майкельсона инвариантен по отношению к фазовой скорости по самой схеме установки. Измерять изменения фазовой скорости в установке, которая нечувствительна к изменениям фазовой скорости было, вообще говоря, бессмысленным занятием. Результат очевиден – приращения не обнаружено. Эффекты высших порядков наводят на размышления, ничего не доказывают, ничего не опровергают. Если теперь принять во внимание скорость Земли относительно «реликтового излучения» по п.4, равную 600 км/с, то схема установки должна быть иной, и поворот установки следует осуществлять именно в этом направлении, и расчеты должны быть иными.
Литература
1. Вселенная и человек. Словарь. Земля (планета). http://www.federalspace.ru/includes/Earth-1complete.htm
2. Д.И. Макаров. Движения галактик на больших и малых масштабах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Спец. 01.03.02. Астрофизика. http://w0.sao.ru/hq/dim/PhD/full/phd.html
3. Научная сеть Nature web.ru. Апекс. 6.09.200 http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1169953
4. Н. Носков. Столетняя эфирная война. http://n-t.ru/tp/ng/sev.htm
5. Пер. с англ. в сб. «Эфирный ветер» под ред. В.А. Ацюковского, М., Энергоатомиздат, 1993
6. С.И. Вавилов. Экспериментальные основания теории относительности. Собр. соч. т. IV, Изд. АН СССР, 1956, стр. 31...33. В сб. «Эфирный ветер» под ред. В.А. Ацюковского, Энергоатомиздат, М. 1993, стр. 31.
7. М.В. Охапкин, П. Антонини, С.Шиллер. Высокостабильные Nd:YAG-лазеры в эксперименте Майкельсона-Морли. Автометрия. 2008. т.44. N1. с.12-21.
8. Mansouri R., Sexl R.U. A test theory of special relativity // Gen. Rel. Grav. 1977. 8. P.497.