3. Ньютоновская относительность и оптические явления

Согласно корпускулярной теории, свет должен распространяться с большей скоростью в воде, чем в воздухе (из-за большего взаимного притяжения к более плотной среде). Согласно волновой же теории в воде свет распространяется с меньшей скоростью, чем в воздухе (согласно ньютоновской механике для твердых и жидких тел, в более плотных телах волны распространяются с меньшей скоростью). В 1850году французский физик Фуко посредством очень четкого эксперимента доказал, что свет распространяется с меньшей скоростью в воде, чем в воздухе; таким образом, корпускулярная теория, по-видимому, была опровергнута «решающим экспериментом». Волновая теория получила всеобщее признание. Это оказало большое влияние на вопрос, будет ли скорость q в системе, движущейся с равномерной скоростью q, оказывать какое-либо влияние на оптические явления, происходящие в этой системе, или, другими словами, действительна ли ньютоновская теорема относительно- сти также и для явлений света. Согласно же корпускулярной теории, распространение света не отличается от движения брошенных шаров. Относительно движущейся системы они ведут себя независимо от скорости q, то есть скорости движущейся системы. Теорема относительности была бы справедливой также и для оптических явлений. Но ситуация выглядит иначе, если принять волновую теорию. В этом случае свет представляет собой колебания эфира. Чтобы предсказать распространение света в системе, движущейся со скоростью q, необходимо сделать некоторое допущение относительно того, как движение этой системы влияет на скорость частиц эфира.

Годичная аберрация света, идущего от неподвижных звезд, подсказывает гипотезу, что наполняющий мировое пространство эфир находится в покое. Свет, идущий перпендикулярно к направлению скорости Земли на ее орбите, очевидно, отклоняется под углом qjc (угол аберрации), где с есть скорость света в вакууме. Тот факт, что этот угол определяется данной формулой при всех обстоятельствах, приводит к предположению, что к колебанию частиц эфира не присоединяется какого-либо движения со скоростью Земли q. Если мы теперь сравним распространение света, испускаемого покоящимся в системе S относительно эфира источником, и движущегося относительно Земли система 5', то начальные условия в механическом смысле оказываются не одними и теми же в обоих случаях. В первом случае начальные скорости частиц эфира являются скоростями малых колебаний. Но относительно системы S все частицы в добавление к этим скоростям колебания имеют общую скорость q, поскольку система S' движется относительно эфира со скоростью q< Поэтому мы не можем рассчитывать на применение ньютоновской теоремы относительности к распространению света. Легко видеть, какого рода отклонение от теоремы относительности мы должны были бы ожидать на основе эфирной теории света. От источника света,, покоящегося в эфире, система S, свет будет распро- страняться со скоростью с относительно S. Если источник находится в покое относительно системы S', то свет будет распространяться также со скоростью с относительно системы 5, поскольку эта скорость зависит только от упругих свойств среды, а не от способа возбуждения. Поэтому в отношении системы S' от покоящегося источника в 5 свет будет распространяться со скоростью с 4- q или с — q — в зависимости от того, совпадает ли направление скорости q с направлением светового луча или оно противоположно ему. Это выглядит так, как если бы скорость q движущейся системы при равномерном прямолинейном движении S' относительно эфира 5 оказывала влияние на распространение света относительно движущейся системы, и,-с другой стороны, что на основании наблюдения оптических явлений, происходящих в движущейся системе, мы могли бы вычислить q.

Максвелл предложил исследовать отражение света, испускаемого источником, покоящимся относительно движущейся системы, зеркалами, находящимися на расстоянии Z от источника. В этом опыте сравнивались промежутки времени, затраченные све- товыми лучами, распространявшимися параллельно движению данной системы (Земли) и перпендикулярно этому направлению, соответственно. Если бы эта система находилась в покое (д = 0), то каждый из этих промежутков был бы То = 2Ljc независимо от направления светового луча. Если же данная система движется со скоростью q, то время путешествия луча, параллельного направлению равна у T0q2/c2 = Lq2/c3. Максвелл показал: поскольку два световых луча, отражаемых от двух разных зеркал, могут интерферировать, постольку разность времени (Тр — Тп) может быть измерена путем сравнения ее с периодом колебаний световой волны. Единственным остававшимся невыясненным был вопрос, будет ли разница во времени (Тр—Тп) в действительном эксперименте превосходить предел допускаемой ошибки. Если да, то она может послужить для вычисления скорости q. Осуществление предложенного Максвеллом эксперимента дало бы окончательное подтверждение получившей распространение теории, что эфир не приводится в движение материальными телами, имеющими скорость q, но передает колебания света со скоростью с.

Предложение Максвелла вскоре после его опубликования (1881) было осуществлено американским физиком Альбертом Майкельсоном; результат оказался отрицательным. Ожидавшаяся разница во времени (Тр—Т„) была больше, чем предел допускаемой ошибки; действительная же доступная наблюдению разница во времени была равна нулю, если не учитывать возможные ошибки. Это могло означать, что скорость q движущейся системы не могла иметь влияния на оптические явления, происходящие в движущейся системе. Другими словами, это могло означать, что теорема относительности Ньютона должна быть применима также и к оптическим явлениям, хотя (как показал Максвелл) из существовавшей в то время теории эфира и механики следовало, что она не должна быть применима. Большинство физиков, живших в то время, и среди них сам Майкельсон, искали интерпретации в рамкаХ. господствующей Тогда теории, согласно которой Свет есть механическое явление и эфир представляет собой среду, подчиняющуюся ньютоновским законам движения. В пределах этой теории можно было, конечно, изменить положение, что колебания частиц эфира не изменяются под воздействием скорости q системы, движущейся сквозь эфир. Майкельсон и большинство его современников поэтому ухватились за гипотезу Стокса, состоящую в том, что скорости колебания частиц эфира, находящихся на поверхности Земли, складываются со скоростью q. В этом случае, конечно, нет основания для того, чтобы различать Т р и ТПУ и теорема относительности оказывалась справедливой, но мы уже отметили, что теорию «эфира, движущегося вместе с движущейся материей», трудно согласовать с аберрацией света звезд. Мы могли бы, конечно, изобрести специальные законы движения эфира, которые позволили бы объяснить как аберрацию, так и эксперимент Майкельсона, но такая теория была бы очень сложной. Мы можем сказать, что к концу XIX века механическая теория света переживала состояние излишней усложненности и большой запутанности.