Чи заперечують досліди Майкельсона і Морлі існування ефіру?

 

            Чи існує матеріальне середовище, у якому розповсюджуються електромагнітні хвилі? Від 19 сторіччя це середовище прийнято називати ефіром. Якщо ефір існує, то чи можна  пов`язати з ним абсолютну систему відліку? Якщо такий ефір існує, то чи можна було б експериментально визначити рух небесних тіл відносно нього?

Мал. 1. Принципова схема установки Майкельсона і Морлі

            З метою визначення можливого руху Землі відносно ефіру у 1887 році у Школі прикладних наук Кейса в м. Клівленді штату Огайо були здійснені знамениті досліди Альберта Майкельсона та Едварда Морлі. Перед дослідниками стояло завдання створення приладу, чутливого до руху Землі. В якості такого приладу був запропонований так званий інтерферометр Майкельсона.

 

Мал. 2. Сучасний вигляд установки Майкельсона і Морлі

 

В інтерферометрі початковий промінь розділяється на два за допомогою напівпрозорого дзеркала, а потім ці два промені, подолавши різний шлях, зводяться докупи й інтерферують. Характер інтерференційної картини свідчить про різницю шляхів, пройдені цими двома променями.

Мал. 3. Інтерференційна картина

 

            Якщо Земля рухається відносно ефіру, то промінь, перпендикулярний до руху Землі, і промінь, паралельний до руху Землі, мали б по різному відчувати рух ефіру, а отже, долати різний оптичний шлях. Таким чином, під час обертання інтерферометра інтерференційний малюнок мав змінюватися. Проте спостережувані зміни інтерференційної картини знаходились в межах похибки експерименту і не дозволяли стверджувати, що рух Землі щодо ефіру вдалося зафіксувати.

 

Мал. 4. Траєкторія руху Землі у системі відліку, пов`язаної із Сонцем

 

            Розглянемо спочатку очікуваний Майкельсоном і Морлі зсув інтерференційної картини. Для цього розглянемо інтерферометр з вдома взаємно перпендикулярними плечами однакової довжини L. Одне з цих плечей спрямуємо вздовж орбітального руху Землі, інше, відповідно, перпендикулярно йому. Нехай вздовж руху Землі буде спрямоване горизонтальне плече (Мал. 5)

Мал. 5. Схема досліду Майкельсона і Морлі

 

Поки світло рухається вздовж напрямку руху Землі і із швидкістю c відносно ефіру, відносно дзеркала, від якого воно має відбитись, воно рухається із швидкістю c-v. Тут v – швидкість, з якою рухається дзеркало відносно ефіру також рухаючись вздовж напрямку руху Землі. Час, за який світло досягне цього дзеркала буде t₁ = L / (c - v). Відбившись від дзеркала світло почне рухатись у протилежному напрямку щодо руху Землі із швидкістю c+v відносно дзеркала. Зворотній шлях воно пройде за час t₂ = L / (c + v).  Отже, шлях туди і назад світло пройде за час

T_l = t₁ + t₂ = 2 L c / (c² - v²).

            Розглянемо тепер рух світла у напрямку, перпендикулярному руху Землі. Поки світло рухатиметься до дзеркала, розташованого на перпендикулярному плечі інтерферометра, час t₃, це дзеркало, рухаючись вздовж напрямку руху Землі, пройде шлях v t₃. Отже, світло із швидкістю c до моменту відбиття від цього дзеркала має пройти шлях, відповідно до теореми Піфагора, c t₃ = √ (L² + v² t₃²). Такий же шлях світло пройде і після відбиття від дзеркала до початкової точки. Таким чином, шлях туди-назад світло пройде за час

T_t = 2 t₃ = 2 L / √ (c² - v²).

Різниця часів визначиться наступною формулою

ΔT = 2 L / c (1 / (1 - v² / c²) – 1 / √(1 – v² / c²)).

Обидва доданки в круглих дужках можна розкласти в ряд Маклорена за малим параметром v² / c², обмежившись першими двома членами. Тоді різниця часів дорівнюватиме

ΔT = (L / c) ( v² / c²).

При повороті інтерферометра на дев`яносто градусів різниця часів мала б змінити знак із відповідним зміщенням інтерференційної картини. Величина цього ефекту була якраз такою, яку цілком можна було б спостерегти вже у 1887 році, не говорячи вже про наш час.

Мал. 6. Народження або анігіляція електрон-позитронних пар

 

            Така невідповідність запропонованої теорії і реального експерименту вимагала вдосконалення теорії і таке вдосконалення було запропоноване Гендріком Антоном Лоренцом (1853-1928 рр.) у 1904 році. У фізику його відкриття ввійшло під назвою перетворень Лоренца. (Формули, що відомі зараз як перетворення Лоренца, першим вивів фізик Джозеф Лармор у 1900 році. Лоренц у 1904 році довів інваріантність системи рівнянь Максвелла відносно цих перетворень, проте фундаментальне положення сучасної фізики про рівноправність всіх інерційних систем відліку у нього було відсутнє. У 1905 році Анрі Пуанкаре узагальнив результати Лоренца та досяг повної коваріантності рівнянь електродинаміки. Саме Пуанкаре ввів у науковий обіг терміни перетворення Лоренца та група Лоренца.) Зокрема, з перетворень Лоренца випливало, що довжина тіла зменшується у напрямку його руху відповідно формулі

L = L₀ √ (1 -  v² / c²).

Зауважимо, що довжина плеча інтерферометра, перпендикулярного руху Землі залишиться незмінною.

            Таким чином, фундаментальне узагальнення фізики на предмет інваріантності всіх її рівнянь відносно перетворень Лоренца, тобто створення релятивістської фізики – фізики великих швидкостей, співмірних із швидкістю світла, дозволило пояснити негативний результат дослідів Майкельсона і Морлі. Але чи заперечують негативні результати цих дослідів існування ефіру, тобто матеріального середовища, в якому розповсюджуються всі взаємодії у природі? Альберт Айнштайн, який першим увів в обіг термін теорія відносності для позначення загально прийнятого тепер варіанту релятивістської фізики, вважав, що так - простір порожній. Це одна з основних засад запропонованого ним варіанта релятивістської фізики, відомого як теорія відносності. З ним не можна зв`язати жодної системи відліку, яку можна було б назвати виділеною серед інших або абсолютною. Рух – це завжди категорія відносна. Неможливо говорити про рух тіла, не пов`язуючи цей рух з іншим видимим тілом, яке відіграє роль системи відліку.

Мал. 7. Розподіл матерії у космічному просторі

            Але чи досліди Майкельсона і Морлі однозначно свідчили на користь відсутності ефіру? Чи весь їх потенціал був використаний для спростування можливості визначити рух Землі відносно так званого ефіру? Легко показати, що ні. У класичних дослідах Майкельсона і Морді світ розповсюджувався у повітрі, показник заломлення якого n близький до одиниці. Тому швидкість світла у повітрі практично така ж, як і у вакуумі, тобто c. У разі прозорого середовища з показником заломлення суттєво більшим за одиницю ця швидкість була б c/n. Відповідно виписана вище формула для різниці часів проходження світлом різних плеч інтерферометру буде вже дещо іншою

ΔT = (2 n / c) (L / (1 - v² n²/ c²) – L₀ / √(1 – v²n² / c²)).

Проте формула, що визначає скорочення довжини тіла, що рухається, буде тою самою, тобто показник заломлення в неї не входитиме. Цьому є просте пояснення: середовище, у якому розповсюджується світло, рухається разом з інтерферометром. Тепер різниця часів у квадратичному за часткою швидкостей наближенні буде наступною

ΔT = (n L₀ / c) (n²- 1) (v² / c²).

Сучасна точність вимірювань цілком здатна зафіксувати таке зміщення інтерференційної картини. Залишилось лише провести відповідні досліди.

Мал. 8. Роль темної енергії в еволюції всесвіту

            Незалежно від можливих результатів таких дослідів, на сьогодні цілком впевнено можна стверджувати, що вакуум не є порожнім. Він є основним станом всіх відомих квантованих полів. Якщо матеріальними є поля, то матеріальним є і їх основний стан. З вакууму, за старою термінологією з ефіру, за певних умов народжуються пари, що складаються з частинок і античастинок різних видів. Видима матерія становить лише 4% реального світу навколо нас, що на сьогодні здатні зафіксувати наші прилади за допомогою електромагнітного поля. Існування решти матерії – 96% ми здатні фіксувати лише через її гравітаційне поле. Тобто вакуум – це, на сьогодні, найскладніша і цілком матеріальна субстанція, з якою має справу науковий світ. Простір не є порожнім. Можливо найближчим часом нам доведеться розпрощатись із ще одним міфом сучасної фізики.

            Автор висловлює щиру подяку професору Сергію Васильовичу Козицькому за корисне обговорення результатів роботи і цінні зауваження.

Доктор фіз.-мат. наук, професор, академік Академії наук вищої школи України Швець В. Т.