Измерения на интерферометре Майкельсона в диэлектрических

Измерения на интерферометре Майкельсона в диэлектрических
средах и теоретическая интерпретация наблюдаемого сдвига
интерференционной полосы
В.В.Демьянов
Государственная Морская Академия им. В.Ф.Ушакова, Новороссийск
e-mail: [email protected]
Экспериментально обнаружено, что отсутствующий в вакууме сдвиг Xm интерференционной полосы в
опыте Майкельсона оказывается отличным от нуля при использовании в качестве светоноса диэлектрических
сред (газов, жидкостей, твёрдых тел), показатель преломления которых n ≠ 1. Это открытие заставило концептуально по-новому интерпретировать физические процессы, протекающие в интерферометре Майкельсона.
Я отказался от общепринятого правила с±V аддитивного сложения скорости V инертного тела со скоростью c
света, как принципиально неприложимого к неинертному объекту, каковым является электромагнитная волна. Вместо этого я применил дорелятивистскую формула Френеля c/n ± V(1–1/n2) увлечения света движущейся оптической средой. Последняя, вместе с учетом физического эффекта лоренцева сокращения плеча L интерферометра, позволила построить теоретическую модель Xm ~ LΔε(1–Δε), где Δε = n2–1, которая воспроизвела в существенных чертах полученную в эксперименте параболическую зависимость Xm() от части диэлектрической проницаемости ε, связанной с вкладом только поляризации частиц светоноса. Из экспериментальной кривой с помощью выведенной таким образом формулы V2/с2= Xm/[XoL (1)], где Xo  ширина интерференционной полосы и   длина волны, получен ожидаемый порядок величины абсолютной
скорости Земли относительно неподвижного эфира. На параллели г. Обнинска в разное время суток в горизонтальной плоскости она менялась в пределах 140<V<480 км/ сек.
Эксперимент Майкельсона и его традиционная интерпретация
Эфир, по определению, – гипотетическая сплошная среда, служащая для переноса электромагнитного излучения и передачи взаимодействия. Предположительно Земля движется сквозь
светоносный эфир с некоторой скоростью V. Для того, чтобы опытным путём определить скорость этого движения, Майкельсон [1–2] измерил время t, за которое свет преодолевает расстояние L от источника до возвращающего зеркала и обратно в двух направлениях: t|| – параллельно V
и t – перпендикулярно направлению движения экспериментальной установки. Полученные
экспериментальные данные были истолкованы следующим образом. Согласно Майкельсону, в
равноплечном интерферометре должны выполняться следующие соотношения:
L
L
2L
1
2L  V 2 
1  2  ,
(1)
t|| 



c V c V
c 1  V 2 / c2
c 
c 
t 
c
2L
2
V 2

1/ 2

2L
1
c 1  V 2 / c2


1/ 2

2L  V 2 
1 
.
c  2c 2 
(2)
В таком случае, измеряя разность времен (2) и (1)
V2 L
t  t   t||   2
(3)
c c
можно было бы найти скорость V "эфирного ветра".
Однако измерения Майкельсона и более поздние эксперименты показали, что Δt
равно нулю. Этому факту было дано объяснение в рамках физического эффекта лоренцева
сокращения длины L движущегося со скоростью V тела:


1/ 2
L'  L 1  V 2 / c 2 .
где L' – длина плеча интерферометра в (1). С учетом (4) получим вместо (1)
1/ 2
L
L
2L 1  V 2 / c 2
2L
1
t|| 



.
2
2
2
c V c V
c 1V / c
c 1  V / c2 1/ 2




(4)
(5)
1
Из (5) и (2) имеем точное равенство t||  t , т.е. Δt = 0 .
Эксперимент Майкельсона в оптических средах и его
нерелятивистская интерпретация
В 1968–1971 годах, будучи научным сотрудником Обнинского филиала НИФХИ им.
Л.Я.Карпова, я измерил зависимость амплитуды смещения Xm интерференционной полосы от
части проницаемости =n21 вклада частиц в полную проницаемость =n2 различных оптопрозрачных материалов [3]. Измеряемая разность Δt времён tt|| пропорциональна амплитуде смещения полосы Xm. На рис.1 показана найденная мной параболическая зависимость Xm(Δ) от
вклада Δε=ε–1 частиц в диэлектрическую проницаемость ε оптической среды. Как видно из рисунка, выходное отношение сигнал/шум значительно улучшается для сред с показателем преломления n>1, где ε = n2. В двух областях значений диэлектрической проницаемости, Δε→0 и
Δε1, сигнал тонет в шумах прибора.
Xo~90 мм
Xm(), мм
10
2
10
1
о
0 0 газы
1
10
102
103
Вода
♥
♥
♥
1.0
Xns~1 мм
2.0
o

o
Плавленый
кварц
o
Тяжёлый флинт
*
104
Рис.1. Зависимость сдвига Xm интерференционной полосы от вклада Δε поляризации частиц светоноса в полную диэлектрическую проницаемость ε = 1+Δε оптической среды – воздуха, воды, плавленого кварца и стекла "тяжелый флинт", соответственно. Измерения на газах
проведены при длине плеча L=6.0 м, а на воде, плавленом кварце и стёклах при L=0.3 м в синем луче (все экспериментальные точки приведены к L=6 м); X0 – ширина полосы, транслируемой на экран неподвижного кинескопа; δXns – уровень шума в интерферометре.
Для того, чтобы объяснить ход экспериментальной кривой, показанной на рис.1, я отверг,
как несостоятельное, правило сложения с±V скорости света c со скоростью V поступательного
движения частиц оптической среды, использованное Майкельсоном при выводе соотношений (5)
и (2). Вместо аддитивного правила сложения скоростей я использовал формулу Френеля, ранее
подтвержденную в опыте Физо, для зависимости скорости света от параметров движущейся оптической среды:
с
1

с   V 1  2  .
(6)
n
 n 
Замечу, что недавно формула Френеля была выведена [4] из уравнений Максвелла. Используя (6) вместо (1) будем иметь:
L L
(7)
t||  ||  || ,
c c
2
где c+ и c – значения (6) для распространения света вдоль V и в противоположном направлении,
соответственно. Как выяснилось, для воспроизведения экспериментальной кривой рис.1, в формулу (7) следует внести поправку на эффект лоренцева сокращения длины движущегося тела. Необходимое согласие с экспериментом получается, если в лабораторной системе отсчёта за оптический
пробег света в параллельном плече интерферометра принять длину
L
.
(8)
L|| 
1/ 2
2
1  V / c2
Именно эта последняя формула позволила правильно передать показанную на рис.1 зависимость. По-видимому, соотношение (8) является следствием того, что в оптических средах с
невысокой проницаемостью свет большей частью пребывает в неподвижном эфире, в котором
длина пробега L|| больше длины L лоренц-сокращённого плеча подвижной инерциальной системы. Подставляя соответствующие значения (6) и (8) в (7), получим для времени пробега луча в
направлении, параллельном V , и обратно

t|| 
1  V
1
2
/ c2

V2
 1 
2c 2



1/ 2
L

c

 L
L 
1

c  c 

2
1

V
/ c2
 
 



V2
 1 
2
2 2
2c 2

V  n 

1  2 
c  n 
2n

L
V2
V2
2n 1 
 2
2
c
2c
c


 n 2

 n





2




1/ 2


L
n
n

V n 2
V n 2
c
1
1
c n
c n


L
V2
 2n 1  2
c

c
.
 n 2

 n



2











(9)
Для времени t распространения света туда и обратно в плече, перпендикулярном V , из
(2) с учетом (6) получаем:
2L
L
2n
L 
V2 2

(10)
t 


2
n
1

1/ 2
1/ 2
 2c 2 n  .
2
c
c
 c2





V
 2  V 2 
1  2 n 2 
n
c




Вычитая (9) из (10), найдем
2
V2 L 2
V2 L
V2 L
(11)
t  t   t   2
n  n 4  2n 2   2
n 2 n 2  2n 2   2
n 2 1  n 2 .
c cn
c cn
c cn
С учётом n = ε1/2 и Δε =Δn2=n21 получаем из (11) формулу (Демьянов 1971)
V2 L
(12)
t  2
 1    ,
c c 
которая воспроизводит в существенных чертах экспериментальную кривую, показанную
на рис.1. Из этой кривой и теоретической модели (12) получается оценка скорости V
"эфирного ветра": 140480 км/сек. Заметим, что авторы [5] лишь недавно высказали соображение о целесообразности проведения эксперимента Майкельсона в оптических средах.
Однако, полученная ими линейная модель Xm~LΔε не описывает опытов Физо и, разумеется, не способна воспроизвести полученные мной в диапазоне 0 <Δε<2 экспериментальные
данные (см. рис.1). К тому же она основана на использовании эклектичной формы с/n±V,
противоречащей формуле Френеля, выведенной [4] из уравнений Максвелла.


Обсуждение и выводы
На интерферометре Майкельсона при использовании в качестве светоносов оптических
сред с показателем преломления, отличным от единицы, получен сдвиг интерференционной полосы Xm, тем значительнее повышающий отношение сигнал/шум, чем больше вклад  частиц в
полную проницаемость светоносной среды (=1+). Выяснилось, что измеряемая разность t ~
3
Xm между временными интервалами прохождения света от источника до зеркала и обратно для
направлений параллельно и перпендикулярно направлению движения интерферометра очень
сильно зависит от показателя преломления n светоносной среды, причём не от всей проницаемости, а от её части =n21, обусловленной только поляризацией частиц светоноса. Найденная параболическая зависимость Xm от показателя преломления оптической среды хорошо описываются теоретической моделью Xm~()2 [3], основанной на дорелятивистской и негалилеевской
формуле Френеля для увлечения света движущейся оптической средой. Таким образом, показана
несостоятельность аддитивного правила сложения скорости света со скоростью движущегося
инертного тела, используемого при выводе формулы Майкельсона.
В рамках предложенной интерпретации, концептуально отличной от традиционной,
находит объяснение тот факт, что все известные измерения (см. например [6–7]) на интерферометре типа Майкельсона заканчивались отрицательным результатом: Xm0 и, следовательно,
Δt0. В этих опытах экспериментаторы, как правило, стремились к тому, чтобы в той части прибора, где проходил свет, был лабораторный вакуум, т.е. Δε0. Либо опыты проводились с использованием гамма-лучей. В последнем случае Δεγ=εγ1=0 из-за того, что диэлектрическая проницаемость оптических сред в гамма-лучах εγ=1 (то есть показатель преломления nγ=1). Подстановка
же Δε=0 в формулу (12) дает Δt=0.
В опытах МайкельсонаМорли [2] и Миллера [6] при достаточной длине плеча L≥10 м
интерферометра фиксировался ненулевой эффект Xm≠0. Хотя и небольшой, но наблюдаемый в
этих опытах сдвиг интерференционной полосы связан с тем, что они проводились не в вакууме, а
при нормальном давлении воздуха, что соответствует Δε≈0,0006. Однако из-за использования
неправильной формулы (3) указанные авторы получали многократно заниженную оценку абсолютной скорости Земли, лежащую в пределах шума прибора, 5–10 км/сек. Действительно, согласно (3), скорость V эфирного ветра ошибочно оценивалась из экспериментального значения
Δt, как
c
VM2  c 2 t .
(13)
L
Правильная оценка VД , полученная из того же экспериментального значения Δt с помощью формулы (12) при Δε<<1, будет
c 1
VД2  c 2 t
.
(14)
L 
Сравнивая формулы (13) и (14), находим, что в [2] и [6] значение абсолютной скорости Земли
было занижено в 0,00061/240 раз:
V
(15)
VД  М .

Использование правильной теоретической модели (12), учитывающий зависимость от ,
избавило меня от фатальной ошибки, в результате которой "эфирный ветер" оказывается незамеченным. Рассчитанная из экспериментальной кривой по формуле
X m
,
(16)
V c
X 0 L 1   
являющейся следствием формулы (12), абсолютная скорость Земли, в разное время суток в горизонтальной плоскости в г. Обнинске оказалась равной 150–500 км/сек.
Успех обнаружения абсолютного движения Земли относительно неподвижного эфира в
моих опытах достигнут благодаря следующим инновационным моментам, определившим прорыв в трех основных направлениях:
- осознание того, что подвижной инерциальной системой в опытах типа Майкельсона является
часть светоносной среды, проявляющая себя через поляризационный вклад  частиц в полную
проницаемость светоноса =1+; это позволило правильно учесть относительность эффекта
лоренцева сокращения плеча интерферометра;
4
- повышение чувствительности интерферометра к эфиру в сотни раз, по сравнению с прибором
Майкельсона (фактически мной создан новый прибор для детектирования реакций эфира);
- переосмысление физической природы всех наблюдаемых эффектов в известных экспериментах
электродинамики подвижных сред (от опытов Физо 1852-го года до моих, суммарно представленных на рис.1).
Полученные экспериментальные результаты и их теоретическая интерпретация
указывают на конвенциональный характер специальной теории относительности, обусловленный искусственным распространением (расширением) аддитивного правила сложения скоростей (с=cV) инертных тел на электромагнитные волны. По сути, специальная теория относительности оказывается артефактом этого расширения.
Литература
[1] A.A.Michelson. The relative motion of the Earth and the luminiferous aether,
Am.J.Sci., ser.3, v.22, pp.120-129 (1881).
[2] A.A.Michelson, E.W.Morley. The relative motion of the Earth and the luminiferous
aether, Am.J.Sci., ser.3, v.34, pp.333-345 (1887).
[3] В.В. Демьянов. Нераскрытая тайна великой теории, Новороссийск: МГА им.
адм.Ф.Ф.Ушакова, РИО, 1-е издание 2005, 174 с.; 2-е издание 2009, 330 с.
[4] A.Drezet. The physical origin of the Fresnel drag of light by a moving dielectric
medium, Eur.Phys.J. B, v.45, No 1, pp. 103-110 (2005).
[5] R. T. Cahill and Kirsty Kitto. Michelson-Morley Experiments Revisited and the
Cosmic Background Radiation Preferred Frame, Apeiron, v.10, No 2, pp.104-117 (2003).
[6] D.C.Miller. Significance of the ether-drift experiment of 1925 at Mount Wilson,
Science, v.68, No 1635, pp.433-443 (1926).
[7] J.Shamir, R.Fox. A new experimental test of special relativity, Nuovo Cim., v.62, No
2, pp.258-264 (1969).
5