Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыт Кеннеди–Торндайка как проверка релятивистской формулы для замедления времени

Как было упомянуто в предыдущем разделе, гипотеза Лоренца о сокращении длины движущихся предметов объясняет нулевой результат опыта Майкельсона–Морли. Действительно, с учетом этого сокращения разность хода двух лучей до и после поворота интерферометра на  в единицах длины волны составляет

где  — длина волны света,  — скорость эфирного ветра,  и  — длины плеч интерферометра,  — скорость света в вакууме. Несмотря на то, что сдвиг полос , на разность хода продолжает влиять скорость эфирного ветра, изменение которой должно все же проявляться в сдвиге полос. В эксперименте Майкельсона–Морли плечи выбирались равными, поэтому , и это влияние исключалось. Однако в случае несимметричного интерферометра из гипотезы Лоренца должно было следовать наличие сдвига полос в ночное время по отношению к дневному. Действительно, скорости движения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси должны по-разному складываться ночью и днем, в результате приводя к изменениям скорости эфирного ветра в течение суток. Именно проверка последнего факта и стала предметом эксперимента, проведенного в 1932 году Роем Кеннеди и и Эдвардом Торндайком.

В этом эксперименте использовался интерферометр с неравными плечами, а наблюдения проводились в течение длительных периодов времени. Из теории относительности, существовавшей уже более 25 лет к моменту проведения эксперимента, было известно, что ожидавшегося в теории Лоренца сдвига полос быть не должно. Последнее объяснялось тем, что в движущейся системе отсчета происходит не только лоренцево сокращение длин в продольном направлении, но и замедление времени: два события, произошедшие в покоящейся системе в одной точке с разницей  по времени, в движущейся системе будет разделять промежуток времени

где  — скорость движения одной системы относительно другой. То, что два события происходят в одной точке в исходной системе отсчета, является существенным требованием. В результате время распространения луча от полупрозрачной пластины интерферометра до зеркала и обратно (в ту же точку!), рассчитанное нами в предыдущей статье в системе отсчета неподвижного эфира, необходимо умножить на лоренц-фактор , чтобы получить это же время в системе отсчета, связанной с интерферометром. Только после этого надо делить его на период колебаний света , получая число длин волн, уложившихся на данном оптическом пути. Дополнительный лоренц-фактор и сократит точно такой же корень в знаменателе формулы для разности хода, полученной по теории Лоренца (см. выше). Таким образом, в рамках теории относительности

где  — длина волны света в системе отсчета, жестко связанной с интерферометром. Это можно интерпретировать как независимость скорости света от конкретной инерциальной системы отсчета, а можно и как результат дополнительного, по сравнению с теорией Лоренца, замедления течения времени в движущейся системе отсчета. Для сравнения с экспериментом Майкельсона–Морли надо отметить, что согласно расчетам в рамках теории Лоренца сдвиг должен был составлять порядка нескольких тысячных ширины интерференционной полосы (вместо 0,4 ширины полосы в первом случае) и происходить периодически каждые сутки, а также каждый год. Поэтому точность эксперимента Кеннеди–Торндайка должна была быть гораздо выше, а все посторонние факторы должны были быть устранены.

В эксперименте использовалась установка, изображенная на рисунке выше (рисунок взят из оригинальной статьи Кеннеди и Торндайка). Свет от ртутной лампы проходил через щель , а затем через коллиматор . Полученный плоскопараллельный пучок с помощью призмы  разлагался в спектр, из которого выделялась зеленая линия (), обладающая высокой когерентностью. Пучок снова фокусировался линзой , пропускался через слой воды , отфильтровывающий тепловое излучение, после чего пропускался через николь (поляризатор) , чтобы избежать поляризационных эффектов в интерференции и отражении.

Подготовленный таким образом пучок света входил через прозрачное окошко в вакуумную камеру и после дополнительной фокусировки падал на полупрозрачную пластину  под углом Брюстера, под которым поляризованный свет отражался только от посеребренной поверхности этой пластины, но не от ее стеклянной поверхности. Два когерентных друг другу пучка, полученные после прохождения через , проходили пути до зеркал и , после чего снова отражались от полупрозрачной пластины , выходили из вакуумной камеры через окошко  и интерферировали, оставляя след на фотографической пластинке . Оболочка вакуумной камеры была заполнена водой, которая поддерживалась при температуре, постоянной с точностью до тысячной доли градуса, чтобы избежать влияния деформации оптических элементов на интерференцию.

Необходимо отметить, что результаты для сдвига полос, в силу подтвержденной Майкельсоном и Морли изотропии скорости света в вакууме, не должны были зависеть от угла между плечами интерферометра, а только от его скорости «относительно эфира».

Кеннеди и Торндайк в течение полугода получили серию из 300 снимков интерференционной картины. В результате анализа суточных и сезонных вариаций расположения интерференционных полос было заключено, что, если теория Лоренца справедлива, скорость Солнца относительно эфира должна составлять  (на основе суточных данных) и  (на основе сезонных данных). Это не согласуется хотя бы с порядком скорости движения солнечной системы внутри Млечного пути, а именно сотнями километров в секунду. Таким образом можно заключить, что в эксперименте был получен нулевой результат, говорящий о справедливости специальной теории относительности Эйнштейна.

<<К предыдущему эксперименту  |  Специальная теория относительности  |  К следующему эксперименту>>