Экспериментальные основания теории относительности.
Петров Валерий Владимирович, пр-т Ленина, 30, кв. 9, 54029 г.Николаев Украина

Преамбула

Всякая научная теория должна быть основана на совокупности каких-то явлений и опытов, которая эта теория должна объяснить в первую очередь, всякая, но не теория относительности, создатель которой, судя по всему, не очень утруждал себя исследованием тех или иных известных в его время явлений и опытов.
Как известно, основной постулат своей теории относительности Эйнштейн изложил следующим образом:

"... не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя ...для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же электродинамические и оптические законы... Это предположение (содержание которого в дальнейшем будет называться "принципом относительности") мы намерены превратить в предпосылку...".

Предположим, например, что на движущемся судне выполняются опыты по определению скорости звука на открытой палубе и в закрытом помещении - каюте или трюме судна. Законы механики "справедливы" как в одном, так и в другом случае, однако в первом случае - при выполнении опытов на открытой палубе - нужно учитывать скорость движения судна, тогда как в другом - при выполнении опытов в закрытом помещении - нет.
Независимость явлений, происходящих в некоторой системе, от состояния покоя системы или ее равномерного и прямолинейного движения и составляет суть принципа относительности для явлений механики, который Ньютон изложил следующим образом:

"Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных (подчеркнуто мной - В.П.) в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения" .

Таким образом, в механике Ньютона принцип относительности оказывается верным не для всех координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно без вращения, но только для таких, в которых тела оказываются "заключенными" в этих системах.
Как подчеркивал Галилей, при выполнении каких-либо опытов в закрытой каюте движущегося судна движение судна "обще" всем предметам, также и воздуху (в каюте - В.П.):

"... Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой корабля... движение корабля обще всем находящимся на нем предметам, также и воздуху (в помещении под палубой корабля - В.П.)".

Предположим, далее, что на открытой палубе движущегося судна установлена какая-то емкость с жидкостью. И в этом случае скорость звука в жидкости также будет одинаковой независимо от скорости движения судна, поскольку и в этом случае движение судна "обще" и емкости, и находящейся в ней жидкости.
Таким образом, явления механики будут одинаковы в том случае, когда состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения координатной системы, в которой описываются эти явления, и состояние покоя или движения среды, заполняющей эту систему, будут "общими".
Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, введем понятие "замкнутой физической системы", как такой системы, движение которой полностью передается среде, заполняющей эту систему. Тогда независимость явлений механики от состояния движения такой системы, или принцип относительности, можно сформулировать следующим образом:
Явления механики, происходящие в замкнутой системе координат, одинаковы, покоится эта система или же движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Теперь, если мы хотим распространить или обобщить принцип относительности для явлений механики также и на оптические и электродинамические явления, необходимо установить, прежде всего, возможность существования замкнутых систем относительно некоторой среды, заполняющей мировое пространство и "пронизывающей собой", как выразился Эйхенвальд, все тела, назовем ли мы эту среду "физическим вакуумом" или "светоносным эфиром", разумеется, если такая среда вообще существует и движение относительно этой среды сопровождается какими-либо явлениями, соответствующими скорости такого движения.
Известно, что Эйнштейн исходил из предположения, что "светоносный эфир" вообще не существует, поэтому вопрос о возможности существования замкнутых по отношению к "светоносному эфиру" систем у него не возникал.
Современная наука считает, что "светоносный эфир" и физический вакуум - два различных названия одной и той же реальной физической среды. Вместе с тем, общепризнанным (что не обязательно означает - правильным) является мнение, что движение относительно этой среды не сопровождается какими-либо оптическими или электродинамическими явлениями. Посмотрим, насколько это мнение соответствует реальной физической действительности.
В 1838 г. Фарадей предположил,

"... что если подвесить заряженный шар и заставить его двигаться в определенном направлении, то эффект будет равен тому, как если бы мы возбудили ток в направлении движения шара" [1].

Следовательно, электрический ток представляет собой поток электрических зарядов, движущихся в одном направлении.
Как следует из электромагнитной теории Максвелла, движущиеся электрические заряды порождают в окружающем их пространстве магнитное поле. Возникает, однако, вопрос, что такое заряд движущийся и неподвижный? Относительно чего следует измерять скорость движения заряда?
Предположим, некоторое количество электрических зарядов движется вместе с Землей. Будет ли в этом случае движение зарядов сопровождаться возникновением магнитного поля?

Глава 1. Опыты Эйхенвальда и Вильсона и теория Герца

Решение этого вопроса предложил Герц.

"Герц исходил из того, что эфир полностью увлекается телами... По Герцу, на электромагнитных явлениях не сказывается не только движение Земли по орбите, но и ее суточное вращение... Опыты Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда, Вильсона... указывают на... слабое место теории Герца - молчаливо допускается полное увлечение... эфир должен двигаться с той же скоростью, что и тела, должен полностью увлекаться как внутри, так и вне тел" [2].

В 1876 г., как об этом пишет Л.И.Мандельштам,

Рис.1.

"... Роуланд взял два позолоченных стеклянных диска, между которыми вращался оклеенный золотой фольгой эбонитовый диск (рис.1.). Обкладки на диске заряжались, скажем, положительно, а обкладки на стекле заземлялись. Астатическая магнитная стрелка была подвешена над верхней стеклянной крышкой, и при вращении эбонитового диска наблюдалось отклонение этой стрелки...

Рис.2.

Несколько лет спустя (1888 г.) Рентген сделал другой опыт - с поляризованным диэлектриком. Между разноименно заряженными обкладками вращался диск из незаряженного изолятора (рис.2.). Отклонение стрелок магнитометра показывало, что и в этом случае возникает ток... Рентген добивался высокой чувствительности устройства... Однако он не смог получить необходимой точности. Количественные результаты были достигнуты Эйхенвальдом в 1904 г." [1].

Опыты Эйхенвальда

Как показали опыты Эйхенвальда с вращающимися дисками, величина тока, создающего магнитное поле, соответствует формуле Герца. Согласно общепринятой точке зрения,

"... внутренние стороны стеклянных дисков и обе стороны эбонитового диска... представляют собой обкладки конденсатора. В опытах Роуланда и Эйхенвальда один диск заряженного конденсатора двигался относительно другого, неподвижного диска, или заряды обоих дисков двигались относительно среды, находящейся между дисками. В опытах с вращающимся диэлектриком поверхностные заряды диэлектрика двигались относительно неподвижных зарядов на дисках конденсатора. При вращении дисков конденсатора вместе с помещенным между ними диэлектриком относительного перемещения зарядов не было, однако и в этом случае возникало магнитное поле". [3].

Предположим, что диски конденсатора вращаются вместе с помещенным между ними диэлектриком. В этом случае относительного перемещения зарядов нет - имеет место перемещение зарядов относительно среды между дисками. Величина тока соответствует формуле Герца.
Средой между дисками в опытах Эйхенвальда является воздух, однако опыты Эйхенвальда нетрудно повторить в вакуумной камере. В этом случае средой между дисками окажется чистый вакуум или эфир. Тогда причиной возникновения магнитного поля следует считать движение зарядов относительно эфира, находящегося между дисками. Тот факт, что величина магнитного поля оказывается пропорциональной скорости вращения дисков, означает, что внешний по отношению к движущимся дискам эфир совершенно не увлекается их движением.
Предположим, далее, что вращается только диск из диэлектрика. Известно, что заряды на диэлектрике не могут перемещаться относительно его поверхности и при вращении диэлектрика будут вращаться вместе с ним с той же скоростью и в том же направлении, что и диэлектрик.
Заряды на металлическом диске, в отличие от зарядов на диэлектрике, могут перемещаться относительно его поверхности. Будучи связаны с зарядами на диэлектрике общим для них электрическим полем, заряды на поверхности металлического диска будут вращаться в ту же сторону и с той же скоростью, что и заряды на поверхности диэлектрика. Относительного перемещения зарядов нет и в данном случае, имеет место перемещение зарядов относительно среды между дисками.
Предположим, наконец, что вращается только металлический диск. Так как диск из диэлектрика неподвижен, неподвижны и заряды на его поверхности.
Заряды на поверхности металлического диска, связанные с зарядами на поверхности диэлектрика общим для них электрическим полем, также остаются неподвижными - нет не только относительного перемещения зарядов, но и движения зарядов относительно среды между дисками. Тем не менее, и в этом случае возникает магнитное поле, величина которого опять-таки соответствует формуле Герца.
При вращении только диска из диэлектрика или одновременном вращении металлических дисков и диска из диэлектрика можно предположить, что причиной появления магнитного поля в этих случаях является вращение электрических зарядов относительно магнитной стрелки.
Однако при неподвижном диске из диэлектрика нет не только относительного движения зарядов или их движения относительно среды между дисками, но и движения зарядов относительно магнитной стрелки. Что же является причиной возникновения магнитного поля в этом случае?
Предположим, что эфир не только окружает тела, но и содержится внутри них. Тогда возникновение магнитного поля при неподвижном диэлектрике можно объяснить движением зарядов относительно эфира, заключенного внутри вращающегося металлического диска.
Тот факт, что величина магнитного поля и в этом случае пропорциональна скорости вращения металлического диска, означает, что эфир внутри движущихся тел полностью увлекается их движением. Соответствие результатов опытов Эйхенвальда с вращающимися дисками формуле Герца означает, что теория Герца требует полного увлечения эфира внутри движущихся тел и полного его не увлечения вне движущихся тел.
Таким образом, единственной причиной возникновения магнитного поля в опытах Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда является движение электрических зарядов относительно эфира - при вращающемся диске из диэлектрика имеет место движение зарядов относительно эфира, находящегося между дисками, при неподвижном диске из диэлектрика - движение зарядов относительно эфира, заключенного внутри металлического диска.
Опыты Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда доказывают, что внешний по отношению к движущимся телам эфир совершенно не увлекается их движением.
Это дает возможность обнаружить "эфирный ветер", обусловленный орбитальным движением Земли, с помощью опытов, аналогичных опытам Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда.
Известно, что в одной из серии опытов Эйхенвальд заменил вращательное движение диэлектрика возвратно-поступательным. На рис. 3 изображена схема опытов этой серии.

Рис.3.

Диэлектрик помещался между двумя пластинами и мог двигаться возвратно-поступательно. В отличие от опытов с вращающимися дисками, прибор можно установить так, что направление возвратно-поступательного движения диэлектрика окажется параллельным направлению орбитального движения Земли.

Тогда величина магнитного поля, обусловленного движением диэлектрика относительно эфира, должна быть пропорциональной величине V₁ = V_о + V_д или V₂ = V_о - V_д в зависимости от направления движения диэлектрика (здесь V_о - скорость орби-тального движения Земли, V_д - скорость возвратно-поступательного движения диэлектрика).
Эйхенвальд установил, что величина магнитного поля в опытах с возвратно-поступательным движением диэлектрика соответствует формуле:
i = (e - 1) | V| q (1)
независимо от направления движения диэлектрика по отношению к направлению орбитального движения Земли (в этой формуле e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, V - скорость движения диэлектрика относительно пластин, q - величина заряда на пластинах).
Таким образом, считает Л.И.Мандельштам,

"... в теории Герца получается абсурдный результат, что при e = 1, т.е. при переходе к вакууму, ток не пропадает (так как у Герца i = e | V| q)".

В действительности, между опытами Эйхенвальда и теорией Герца никакого противоречия нет:
в опытах с вращающимися дисками размеры дисков и количество зарядов на каждом из них одинаковы, поэтому все заряды на одном из дисков взаимодействуют со всеми зарядами на другом, величина магнитного поля соответствует формуле Герца;
в опытах с возвратно-поступательным движением диэлектрика размеры диэлектрика много меньше размеров пластин, между которыми помещен диэлектрик; при одинаковой плотности зарядов на пластинах и на диэлектрике количество зарядов на диэлектрике меньше количества зарядов на пластинах, поэтому только часть зарядов на пластинах взаимодействует с зарядами на диэлектрике - величина магнитного поля соответствует формуле (1).
Формулу (1) можно записать в виде:
i = e| V| q - e₀| V| q
(где e₀ = 1 - диэлектрическая постоянная воздуха), откуда следует:
i = e| V| q - e₀| V| q = (e - 1) | V| q
При переходе к вакууму, т.е. при удалении диэлектрика из пространства между пластинами, все заряды одной пластины будут взаимодействовать со всеми зарядами другой - величина магнитного поля в этом случае будет соответствовать формуле Герца, так как в этом случае все заряды одной пластины будут взаимодействовать со всеми другой пластины. Таким образом, при переходе к вакууму ток действительно не пропадает.
Существенно важным результатом опытов Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика является не несоответствие формуле Герца, на котором сосредоточивает свое и наше внимание Л.И.Мандельштам, а полная независимость результатов этих опытов от движения Земли, которую, т.е. независимость результатов опытов от движения Земли, именно и нужно объяснить.
Сам Эйхенвальд так прокомментировал результаты своих опытов:

"Так как электромагнитные явления представляют собой единственную, известную в настоящее время связь материи с мировым эфиром, то естественным является вопрос, не сопровождается ли движение материи в электромагнитном поле движением самого эфира. Вопрос этот... решается в отрицательном смысле на основании наших опытов с диэлектриками, движущимися в электрическом поле... Все вместе взятое позволяет сделать следующее заключение: то, что мы называем в настоящее время мировым эфиром и что проникает собой все материальные тела (т.е. содержится во всех материальных телах - В.П.), мы должны считать неподвижным даже внутри самой материи, находящейся в движении".

Итак, движение материи (материальных тел) не сопровождается движением эфира - "Вопрос этот... решается в отрицательном смысле...". Следовательно, эфир вне движущихся тел совершенно не увлекается их движением. Вместе с тем, эфир "... следует считать неподвижным даже внутри..." движущихся тел. Это означает, что эфир внутри движущихся тел полностью увлекается их движением, вследствие чего внутри движущихся тел "эфирный ветер" не возникает .

Опыт Вильсона

Рис.4. Как свидетельствует Л.И.Мандельштам, Вильсоном был выполнен и такой опыт:
"... он заставлял вращаться полый цилиндр из незаряженного диэлектрика в магнитном поле, направленном по оси (рис.4).
К металлическим обкладкам цилиндра присоединялся электрометр, который показывал, что при вращении цилиндра между обкладками появляется напряжение". Как объясняет У.И.Франкфурт, "внутри цилиндра возникает радиально направленное электрическое поле. В металлическом цилиндре при этом происходит перемещение электронов проводимости к внешней поверхности цилиндра. Электроны проводимости перемещаются до тех пор, пока заряд на внешней поверхности цилиндра не создаст поле, которое не уравновесит силу Лоренца, действующую на электроны находящиеся в цилиндре... Между внешней и внутренней поверхностями цилиндра возникает разность потенциалов и при соединении проводником в нем пойдет ток. Вильсон экспериментально подтвердил, что теория Герца, исходящая из полного увлечения эфира, "...не соответствует действительности...", т.к. величина заряда оказывается пропорциональной не e, как это следует из теории Герца, а (e-1).

Рис.5.

По мнению Л.И.Мандельштама, "опыт Вильсона также можно схематизировать, заменив вращение поступательным движением.
Диэлектрик движется между обкладками и пронизывается магнитным полем, перпендикулярным к плоскости рисунка (рис.5). Конденсатор... шунтируется электрометром...".
В данном случае величина заряда, образующегося на обкладках конденсатора, оказывается пропорциональной e, как это и следует согласно теории Герца. Таким образом, как будто получается новое противоречие. В действительности, никакого противоречия нет.
В опыте с поступательным движением диэлектрика заряды возникают на участках обкладок конденсатора, ограниченных размерами находящегося между ними диэлектрика. Так как размеры этих участков на каждой из пластин одинаковы, одинаковым будет и заряд, возникающий на каждой из обкладок.
В опыте Вильсона радиус внешней поверхности цилиндра больше радиуса его внутренней поверхности на величину, равную толщине стенки цилиндра.
Следовательно, и площадь внешней поверхности цилиндра, и линейная скорость ее вращения больше площади и линейной скорости вращения внутренней поверхности цилиндра. Поэтому количество зарядов, возникающих на внешней поверхности, больше количества зарядов, возникающих на внутренней поверхности, вследствие чего потенциал внешней поверхности оказывается выше потенциала внутренней поверхности.
Таким образом, опыт Вильсона нисколько не противоречит теории Герца. Удивительно, как легко пренебрегают истиной представители официальной науки!
Суть опыта Вильсона заключается вовсе не в проверке истинности или ошибочности теории Герца. Предположим, что конденсатор жестко соединен с Землей. Тогда при вращении этого конденсатора вместе с Землей в ее магнитном поле можно ожидать появления на его обкладках заряда, соответствующего скорости суточного вращения Земли, если только вращение Земли сопровождается возникновением в ее атмосфере "эфирного ветра".
Был сконструирован жестко связанный с Землей конденсатор, который мог вращаться. Предполагалось, что при зарядке этого конденсатора последний приобретет вращательный момент, обусловленный стремлением линий, соединяющих центры зарядов, расположиться перпендикулярно направлению движения эфира, обусловленного движением Земли.
В экспериментах, поставленных Траутоном и Наблом в 1903 г., Томашеком в 1925 г., Чейзом в 1926 г. вращения конденсатора не наблюдалось. Как и в опытах Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика, "эфирный ветер", обусловленный движением Земли, не обнаруживается.

Заключение главы 1.

Анализ результатов опытов Рентгена, Роуланда, Эйхенвальда, Вильсона позволяет заключить следующее:
1. По крайней мере, в электродинамике одни свойства явлений соответствуют состоянию движения относительно эфира, тогда как другие - отсутствию такого движения.
Так, при движении пластин с электрическими зарядами на их поверхности возникает магнитное поле, величина которого соответствует скорости движения зарядов относительно эфира, находящегося между пластинами, или заключенного внутри пластин. Точно так же, при движении конденсатора в магнитном поле на его обкладках возникает заряд, величина которого соответствует скорости движения конденсатора относительно окружающего его эфира.
Вместе с тем опыты Санька, Погани, Физо, Гаррэса свидетельствуют, что и в оптике движение наблюдателя (приборов) относительно эфира, как и движение эфира, увлекаемого движением жидкости или прозрачных кристаллов, относительно наблюдателя всегда сопровождается вполне наблюдаемыми явлениями - изменением интерференционной картины, соответствующей скорости движения.
2. Внешний по отношению к движущимся твердым телам эфир совершенно не увлекается движением этих тел, тогда как эфир внутри движущихся твердых тел полностью увлекается их движением, вследствие чего внутри движущихся твердых тел "эфирный ветер", обусловленный движением этих тел , не возникает. Полное увлечение эфира внутри движущихся твердых тел означает полную непроницаемость этих тел для внешнего по отношению к этим телам эфира.
Непроницаемость твердых тел для внешнего по отношению к этим телам эфира нельзя объяснить слишком плотной упаковкой атомов и молекул твердых веществ - известно, что расстояния между атомами и молекулами любых веществ значительно превышают размеры атомов и молекул.
Известно, что силы сцепления молекул жидкости также имеют электромагнитную природу. Это дает основание утверждать, что не только твердые тела, но также и жидкости непроницаемы для внешнего по отношению к ним эфира.
Известно, наконец, что такие свойства газов, как вязкость и теплопроводность, также объясняются электромагнитным взаимодействием между молекулами газа. Известно, что вязкость и теплопроводность газов "... не зависят от давления, так что и здесь мы переходим к вакууму без постепенного уменьшения вязкости и теплопроводности".(Л.И.Мандельштам).
Таким образом, если вязкость и теплопроводность газов означают наличие электромагнитного взаимодействия между его молекулами, то отсутствие вязкости и теплопроводности газа означает и отсутствие электромагнитного взаимодействия между его молекулами.
Неважно, соответствует или нет состояние газа с нулевой вязкостью и теплопроводностью определению "физический вакуум". Важно то, что газ с ненулевой вязкостью оказывается непроницаемым для внешнего по отношению к нему эфира, тогда как газ с нулевой вязкостью - полностью проницаемым для внешнего по отношению к нему эфира.
Так как переход газа из состояния с ненулевой вязкостью к состоянию с нулевой вязкостью происходит скачкообразно, переход газа из состояния полной непроницаемости по отношению к эфиру в состояние полной проницаемости также происходит скачкообразно. Никакому состоянию газа не соответствует состояние его частичной проницаемости или частичной непроницаемости для эфира - газ либо полностью непроницаем для эфира, либо полностью проницаем.
Известно, что вблизи поверхности Земли вязкость ее атмосферы не равна нулю - атмосфера Земли вблизи ее поверхности непроницаема для эфира, поэтому "эфирный ветер", обусловленный движением Земли, вблизи ее поверхности не возникает и обнаружить его по этой причине невозможно никаким образом, что и подтверждают опыты Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика, опыты Траутона и Набла, Томашека и Чейза, Майкельсона-Морли, наконец.
Остается убедиться, что предположение о полном увлечении эфира атмосферой Земли при ненулевой ее вязкости не противоречит или, напротив, противоречит известным оптическим явлениям и опытам.

Глава 2. Опыты Араго и теория Френеля

Современная наука не отрицает истинности Френелевской формулы частичного увлечения эфира движущимися телами (средами) - "... и сейчас одного из наиболее важных явлений в движущихся телах" [2]. В современной теории относительности формула Френеля рассматривается как частный случай более общей "релятивистской" формулы сложения скоростей.
Любая научная теория может считаться истинной, если она удовлетворяет, по крайней мере, следующим критериям:

основана на предположениях, соответствующих реальной физической действительности;

является внутренне логически непротиворечивой;

предсказываемые теорией явления наблюдаются в реальной физической действительности.

Как полагают, формула Френеля основана на вполне достоверных данных опытов Араго и подтверждается опытами Физо. Однако исследование как опытов Араго, так и других известных опытов и явлений, не дают оснований считать общепринятое мнение соответствующим действительности.

Опыт Араго

В 1801 г. Араго выполнил опыт, цель которого заключалась в проверке выдвинутого Митчелом предположения, что движение призмы или линзы должно сопровождаться изменением ее коэффициента преломления. Митчел считал, что при полностью не увлекаемом веществом линзы эфире скорость света внутри линзы будет равна c/n + v при движении линзы в одном направлении и c/n - v при движении линзы в противоположном направлении.
В своих опытах Араго использовал свет от одной из звезд. Он не обнаружил никакого эффекта, обусловленного движением линзы вместе с Землей относительно звезды, и пришел к выводу, что движение линзы вместе с Землей "... на показатель преломления не влияет. Это заключение правильно, действительно не влияет", соглашается с ним Л.И.Мандельштам в [2]. В действительности, это не так.
Известно, что движение приемника света, в данном случае - линзы, относительно источника света сопровождается, как это установил Доплер, изменением частоты света, принимаемого приемником. Коэффициент преломления линзы, в свою очередь, зависит от частоты света:
"... факт зависимости показателя преломления от частоты света называется дисперсией, так как именно из-за дисперсии свет раскладывается призмой в спектр" [2].
Таким образом, коэффициент преломления линзы зависит от состояния ее движения относительно источника света. Опыты Араго оказались недостаточно точными. Однако во времена Араго эффект Доплера еще не был известен, вследствие чего Араго счел результаты своих опытов вполне достоверными.
Результаты опытов Араго можно было объяснить полным увлечением эфира веществом линзы, однако, как объяснить само полное увлечение, Араго не знал и обратился за разъяснениями к Френелю. Френель, не подвергая результаты опытов Араго ни малейшему сомнению, предложил гипотезу, согласно которой эфир увлекается движущимися телами не полностью, а частично, вследствие чего скорость "эфирного ветра" внутри движущегося тела (или среды) оказывается равной
v₀ = v(1 - 1/n²), где
v₀ - скорость движения тела (среды) относительно внешнего по отношению к этому телу (среде) эфиру;
n - коэффициент преломления вещества движущегося тела или среды.
Каким же образом гипотеза Френеля объясняет результаты опытов Араго?
Пусть n² = 2. Тогда частичное, по Френелю, увлечение эфира внутри движущейся линзы может уменьшить в 2 раза эффект, обусловленный ее движением, тогда как требуется полностью его исключить.
Очевидно, суть дела заключается не в частичном увлечении эфира движущейся линзой, а в том, что линза в опыте Араго находится внутри атмосферы Земли, коэффициент преломления которой можно считать равным 1. Тогда частичное, по Френелю, увлечение эфира применительно к атмосфере означает полное его увлечение, так как при n = 1 скорость "эфирного ветра" в атмосфере Земли оказывается равной нулю - "эфирный ветер", обусловленный движением Земли, в атмосфере Земли не возникает, а потому не может возникнуть и в линзе, погруженной в атмосферу.
Гипотеза Френеля встретила многочисленные возражения. Нам же достаточно ограничиться тем обстоятельством, что гипотеза Френеля основана на ошибочных результатах опытов Араго, а потому не может быть правильной. Естественно поэтому, что любая другая правильная теория не должна объяснять частичное увлечение эфира, так как такого явления в реальной действительности не существует. Более того, теория, объясняющая частичное увлечение эфира является ошибочной по той же причине - она объясняет несуществующее в природе явление.
Общепринятым является мнение, что Френелевский коэффициент увлечения подтверждается в опытах Эйхенвальда с возвратно-поступательным движением диэлектрика.
В действительности имеет место взаимодействие части зарядов на пластинах с зарядами на диэлектрике, так как площадь поверхности диэлектрика в данном опыте меньше площади поверхности каждой из пластин, между которыми движется диэлектрик.
Точно так же, и в опытах Вильсона различная величина заряда, возникающего на внешней и внутренней поверхности цилиндра, обусловлена тем, что и площадь, и линейная скорость вращения внешней поверхности цилиндра больше площади и линейной скорости вращения внутренней поверхности того же цилиндра. Таким образом, по крайней мере, в электродинамике Френелевский коэффициент увлечения не подтверждается никакими опытами.

Опыты Физо

Как утверждает Л.И.Мандельштам в [2], "В 1851 г. Физо подтвердил Френелевскую формулу коэффициента увлечения опытами с распространением света в движущейся воде...". Схема опыта Физо изображена на рис.6.

Рис. 6 Жидкость течет в изогнутой трубке со скоростью v. Луч света от источника попадает на полупрозрачное зеркало 1 и расщепляется на два луча: один луч отклоняется вправо и, попадая в трубку с жидкостью, движется против ее течения, отражается от системы зеркал и, выйдя из трубки и пройдя через полупрозрачное зеркало, попадает на экран.
Второй луч (изображен серым цветом) отражается от зеркала 2 и движется в том же направлении, что и жидкость в трубке. Отражаясь затем от системы зеркал, этот луч света также попадает на экран. В результате на экране возникает интерференционная картина из чередующихся светлых и темных полос. Измерив их ширину, можно определить скорость движения лучей света в движущейся жидкости, тем самым - и степень увлечения эфира движущейся жидкостью. Ширина интерференционных полос зависит от разности времен хода каждого из лучей света в движущейся жидкости.
Согласно Физо, время движения одного из лучей света равно:
T₁ = L/(c/n + kv)
время движения другого луча равно:
T₂ = L/(c/n - kv)
где L - путь луча света в движущейся жидкости;
n - коэффициент преломления жидкости;
k - Френелевский коэффициент увлечения эфира движущейся жидкостью;
v - скорость движения жидкости в трубке.
Тогда разность времен хода лучей будет равна:
T₂ - T₁ = L/(c/n - kv) - L/(c/n + kv) = 2Lkvn²/c²(1 - k²v²n²/c²)
Пренебрегая величиной k²v²n²/c² вследствие ее малости, получим:
T₂ - T₁ = 2Lkvn²/c²
Физо полагал, что в данном случае k = 1 - 1/n² . Так как для воды n = 1,33, численное значение k оказывается равным 0,44. Физо получил из опыта величину k = 0,46, как будто подтвердив тем самым гипотезу Френеля. В действительности, это не так.
Предположим, что некоторый наблюдатель, находящийся внутри жидкости, движется вместе с жидкостью в трубке и с той же скоростью v.
При полностью не увлекаемом эфире скорость эфира внутри жидкости относительно этого наблюдателя будет, очевидно, равна v; при полностью увлекаемом эфире движущейся жидкостью скорость эфира относительно того же наблюдателя будет равна нулю.
Вследствие частичного, по Френелю, увлечения, часть эфира увлекается движением жидкости и движется в том же направлении, что и жидкость. Скорость этой увлекаемой части равна v/n². Следовательно, скорость движения эфира внутри жидкости относительно наблюдателя, также находящегося внутри жидкости и движущегося с той же скоростью, что и жидкость, будет равна v_э = v - v/n² = v(1 - 1/n²).
С точки зрения неподвижного наблюдателя, находящегося вне движущейся жидкости, при полностью не увлекаемом эфире скорость эфира равна нулю и внутри движущейся жидкости, и вне ее. При полностью увлекаемом эфире скорость его движения в трубке относительно внешнего наблюдателя будет равна v. При частичном увлечении эфира скорость его движения в направлении движения жидкости равна v/n².
Следовательно, относительно внешнего неподвижного наблюдателя эфир в трубке движется со скоростью v/n². Коэффициент увлечения эфира с точки зрения неподвижного наблюдателя равен 1/n².
В опыте Физо наблюдатель - экран, на котором появляются интерференционные полосы - находится вне жидкости, движущейся в трубке. Следовательно, скорость движения эфира в трубке, обусловленная движением жидкости, относительно этого экрана равна v/n². Тогда коэффициент увлечения эфира равен 1/n² , а не 1 - 1/n², как полагал Физо. При n = 1,33 получим k = 0,56, тогда как Физо получил k = 0,46. Учитывая ошибку, допущенную Физо при постановке его опыта, результаты этого опыта следует признать недостоверными.
Продолжением описанного выше опыта Физо явился его опыт 1859 г. Установив, как он полагал, "... справедливость теории частичного увлечения для жидких и газообразных сред", Физо решил проверить ее для твердых тел. Для этой цели он использовал явление поворота плоскости поляризации при преломлении поляризованного света на границе двух сред. Угол поворота зависит от показателя преломления среды, а последний - от скорости света в данной среде.
По мнению Физо, изменение ориентации прибора относительно направления поступательного движения Земли должно было изменить относительную скорость света в среде.
Проанализировав результаты 2000 опытов, Физо в 1859 г. объявил о подтверждении формулы Френеля и о наличии влияния движения Земли на поворот плоскости поляризации.[3].
Сама постановка этого опыта свидетельствует о непонимании Физо сути теории Френеля, согласно которой "эфирный ветер", обусловленный движением Земли, в атмосфере Земли не возникает, а потому не может быть обнаружен никакими опытами. "Никто не мог обнаружить ошибку в этих опытах, а трудность их постановки была столь велика, что только через 43 года они были повторены и дали отрицательный результат" (У.И.Франкфурт). Однако главная ошибка Физо, свидетельствующая о непонимании им сути теории Френеля, так и осталась незамеченной.
"... в 1868 г. Хук поставил опыт, в котором наблюдал земной источник света в телескоп через двухметровый столб воды. Отсутствие предполагаемого сдвига изображения, обусловленного суточным вращением Земли, Хук объяснил на основе теории Френеля. Он пришел к выводу, что Френелевский коэффициент увлечения справедлив с точностью до 2%... В свою очередь Клинкерфус поставил аналогичный опыт с 8-дюймовым столбом воды и получил увеличение постоянной аберрации на 7,1" (по его теории ожидалось увеличение на 8"). Для разрешения этого противоречия серию точных опытов провел в 1871 - 1872 гг. Эйри. Он наблюдал звезду вблизи зенита с помощью вертикально установленного телескопа высотой 35,3 дюйма, заполненного водой. По теории Клинкерфуса за полгода угловое смещение звезды должно было составить около 30", в то время как на опыте смещение не превышало 1" и лежало в пределах ошибок эксперимента". (У.И.Франкфурт).
Постановка этих опытов, как и опытов Физо 1859 г., свидетельствует о непонимании исследователями сути теории Френеля - вследствие полного увлечения эфира атмосферой Земли "эфирный ветер", обусловленный движением Земли, в атмосфере Земли не возникает, а поэтому не может возникнуть и в телескопе, заполненном водой. Исходя из этого, опыты Эйри являются наиболее достоверными.
Непонимание сути теории Френеля сохранилось в науке вплоть до настоящего времени. Как считает У.И.Франкфурт, в теории Френеля "Все происходит так, как будто эфир внутри тела движется относительно внешнего эфира со скоростью v(1 - 1/n²), т.е. медленнее, чем само тело.
Частичное увлечение эфира Френель понимал в том смысле, что движущееся тело увлекает не весь содержащийся в нем эфир, а только ту часть, которая соответствует превышению плотности эфира в теле над его плотностью в окружающей среде. В ...теории Френеля можно выделить следующие основные положения:
· внешний эфир совершенно не увлекается неподвижными телами;
· внутренний эфир почти не увлекается непрозрачными телами;
· внутренний эфир частично увлекается прозрачными телами.
Установив справедливость теории частичного увлечения для жидких и газообразных сред, Физо решил проверить ее для твердых тел"..
Очевидно, что Физо считал, что газообразные среды увлекают эфир внутри них в соответствии с формулой Френеля, как и жидкие среды или твердые тела. Это мнение считается правильным или, по крайней мере, не отвергается современной наукой. Однако как только речь идет о возможности обнаружения абсолютного движения Земли (т.е. движения Земли относительно эфира) возможность увлечения эфира атмосферой Земли полностью исключается:
"Наиболее простой представлялась гипотеза полного увлечения: тела увлекают за собой эфир подобно тому, как Земля увлекает все находящиеся на ней тела и атмосферу" (У.И.Франкфурт).
Очевидно, что тела, находящиеся на Земле, как и атмосфера, являются внешними по отношению к поверхности Земли, находятся "на ней", следовательно, увлечение эфира Землей рассматривается как увлечение внешнего по отношению к Земле эфира, а не как увлечение эфира внутри атмосферы Земли.
"В этом случае (т.е. в случае увлечения эфира поверхностью Земли - В.П.) все оптические явления при движении тел происходят точно так же, как и в покое, и опыт Араго легко объясним. Однако аберрацию звезд объяснить нельзя. Это обстоятельство послужило причиной того, что Юнг отверг гипотезу полного увлечения (Землей внешнего по отношению к ней эфира - В.П.) и допустил, что движущаяся Земля не влияет на состояние эфира, который проходит через нее так же легко, как ветер сквозь рощу. Тогда аберрация объяснима. Объяснить одновременно опыт Араго и аберрацию на основе рассмотренных гипотез полностью увлекающегося (поверхностью Земли - В.П.) или неподвижного (т.е. не увлекающегося поверхностью Земли - В.П.) эфира не представлялось возможным".(У.И.Франкфурт).
Однако если учесть увлечение эфира атмосферой Земли (внутри атмосферы Земли), тогда можно объяснить одновременно и опыт Араго, и аберрацию звезд.
"Первую математическую теорию аберрации на основе полного увлечения эфира дал Стокс. Скорость эфира вблизи поверхности Земли принималась равной скорости Земли. По мере удаления от Земли она убывает до нуля" (У.И.Франкфурт).
Здесь очевидно имеется в виду увлечение внешнего по отношению к Земле эфира, тогда как в теории Френеля речь идет об увлечении эфира внутри движущихся тел или сред. Атмосфера Земли, как считал Стокс, не влияет на характер увлечения эфира.
Однако если атмосфера Земли как среда увлекает эфир в соответствии с формулой Френеля, т.е. внутри атмосферы Земли, и опыты Физо, как считается, подтверждают увлечение эфира внутри движущихся сред, то картина увлечения эфира прямо противоположна теории Стокса: так как коэффициент преломления воздуха уменьшается с увеличением расстояния от поверхности Земли, скорость "эфирного ветра" в атмосфере Земли уменьшается от величины около 18 м/с у поверхности Земли при n = 1,0003 до нуля при n = 1, т.е. "эфирный ветер", обусловленный движением Земли, в верхних слоях атмосферы Земли отсутствует, следовательно, не может возникнуть и у поверхности Земли. В этом и заключается, на наш взгляд, главная ошибка, допущенная наукой при объяснении результатов опыта Майкельсона-Морли.

Заключение главы 2

1. Теория Френеля основана на ошибочных результатах опытов Араго, не подтверждается в опытах Эйхенвальда и Вильсона; опыты Физо также не являются достаточно убедительным доказательством истинности Френелевской формулы сложения скоростей. Таким образом, теория Френеля не удовлетворяет двум критериям истинности, а потому не может считаться истинной. По этой причине не может считаться истинной любая теория, включающая или обосновывающая Френелевскую формулу сложения скоростей.
2. Так как результаты опытов Араго являются ошибочными, согласовывать результаты этих опытов с явлением аберрации нет необходимости.

Общие итоги обсуждения

1. Согласовать опыты Майкельсона-Морли и явление аберрации можно только при условии полного увлечения эфира внутри атмосферы Земли при ненулевой ее вязкости и полного неувлечения эфира атмосферой при нулевой ее вязкости.
2. Опыты Физо, а впоследствии и опыты Гарреса подтверждают, что эфир внутри движущихся сред - жидкости в опыте Физо, прозрачных твердых кристаллов в опыте Гарреса - увлекается движением этих сред, т.е. движется с определенной скоростью относительно неподвижного экрана, на котором наблюдается изменение интерференционной картины, соответствующей скорости движения эфира. Таким образом, и в оптике, и в электродинамике, как это подтверждают опыты Эйхенвальда с вращающимся диэлектриком, движение эфира относительно наблюдателя всегда сопровождается вполне наблюдаемыми эффектами даже при скорости движения порядка нескольких метров в минуту. Предположение Эйнштейна, поддерживаемое официальной наукой, что с понятием "эфир" нельзя связывать понятие "движение", не соответствует действительности.
3. В опытах Физо скорость движения эфира относительно экрана или, что то же самое, скорость движения экрана относительно эфира внутри движущейся жидкости составляла величину порядка нескольких метров в минуту, при этом изменение интерференционной картины оказывалось вполне наблюдаемым, хотя точность измерения этого изменения оказалась недостаточно высокой.
В опытах Майкельсона-Морли ожидаемая скорость движения прибора относительно эфира составляла величину порядка 30 километров в секунду, при этом никакого изменения интерференционной картины обнаружить не удалось. Так как, согласно опытам Физо, движение относительно эфира всегда сопровождается изменением интерференционной картины, необходимо заключить, что в опытах Майкельсона-Морли отсутствовало движение прибора относительно эфира, что вполне соответствует предположению о полном увлечении эфира внутри атмосферы Земли.
Литература
1. У.И.Франкфурт. Специальная и общая теория относительности. М. Наука, 1968.
2. Л.И.Мандельштам. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М. Наука, 1972.
3. У.И.Франкфурт. Оптика движущихся сред и специальная теория относительности. Эйнштейновский сборник 1977, Москва, Наука, 1980.
4. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Москва, "Мир", 1976.

Экспериментальные основания теории относительности. Петров Валерий Владимирович, пр-т Ленина, 30, кв. 9, 54029 г.Николаев Украина