Классическая формула сложения скоростей и скорость света

Справедливость преобразований Галилея может быть проверена сравнением следствий из них с экспериментом. Важнейшим следствием является формула сложения скоростей (3.6.4)

Именно экспериментальная проверка этой формулы показала ее приближенный характер, и отклонения от нее оказались тем значительнее, чем больше скорость движения объекта; особенно значительные отклонения от соотношения (3.6.4) наблюдались при скоростях, близких к скорости света с.

Впервые указанные отклонения были открыты при исследовании скорости света, поведение которой с точки зрения классической физики оказалось необъяснимым.

Если свет - волнообразное движение однородной среды, то его скорость относительно этой среды является некоторой постоянной величиной, определяемой свойствами среды. Скорость же света относительно источника и наблюдателя является переменной величиной, зависящей от скорости источника или наблюдателя относительно этой среды, и находится по правилу сложения скоростей (3.6.4).

Если свет есть поток быстрых корпускул, летящих от источника, то естественно считать, что скорость этих корпускул относительно источника имеет некоторое постоянное значение, а относительно наблюдателя складывается, согласно (3.6.4), со скоростью движения наблюдателя относительно источника.

В начале XIX века новые открытия в оптике способствовали тому, что корпускулярная теория была полностью вытеснена из науки и общепризнанной стала точка зрения на свет, как на волновой процесс в среде. Эта среда, заполняющая всю вселенную, получила название «Мирового эфира», заполняющего всё пространство, в котором движутся материальные тела, и неподвижного в этом пространстве. Согласно изложенным представлениям, материальные тела движутся относительно неподвижного эфира, и это движение тел относительно эфира носит абсолютный характер. Измерив скорость тела относительно света (или наоборот), можно определить скорость тела относительно эфира.

Представим себе, что свет распространяется от некоторого источника, связанного с системой отсчета К (рис. 8.3). Для наблюдателя этой системы и = с.

Для наблюдателя системы К', движущейся со скоростью о относительно системы К, скорость света, в соответствие с преобразованиями Галилея, должна быть и' = с - и (рис. 8.4).

Казалось бы, измерив скорость света и в движущейся системе, можно найти скорость движения о системы отсчета. На этой идее было основано много опытов, в том числе, опыт Майкельсона по определению абсолютной скорости движения Земли и в мировом пространстве.

Идея и схема Майкельсона - Морли по определению абсолютной скорости Земли состоит в сравнении прохождения светом двух путей, из которых один совпадает с направлением движения тела в эфире, а другой ему перпендикулярен.

Измерялась скорость движения света в направлении по движению Земли по орбите и против движения Земли по орбите. Согласно преобразованиям Галилея, скорость с должна быть разной, а она получилась одинаковой, что следовало и из уравнений Максвелла.

В В В Рис. 8.4

Рис. 8.3 В В В Рис. 8.4

Опыты привели к отрицательному результату, то есть скорость движения Земли таким образом измерить не удалось. Оказалось, что скорость света не зависит от движения наблюдателя, то есть и' = и = с .

Можно обратить внимание на значение отрицательного результата подобных опытов: «абсолютную скорость движения Земли в мировом пространстве» невозможно обнаружить. Существует только скорость одних тел по отношению к другим.

Итак, скорость света не зависит от движения наблюдателя. А зависит ли она от движения источника?

На этот вопрос с большой убедительностью отрицательно отвечает наблюдение двойных звезд.

Двойной звездой называются две близкорасположенные друг к другу звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс. Таких звезд очень много в нашей галактике. Скорости их орбитального движения весьма велики - порядка нескольких десятков тысяч метров в секунду. Представим себе, что наблюдение двойной звезды ведется с большого расстояния / (расстояние много больше радиуса орбиты) и направление от наблюдателя на звезду лежит в плоскости орбиты. (Пусть при этом объекты А и В (рис. 8.5) одинаковы по массе и движутся по круговой орбите).

В данный момент скорость орбитального движения и звезды А направлена к наблюдателю, а звезды В от наблюдателя.

Если световой сигнал удаляется от источника со скоростью с, а по отношению наблюдателя скорость зависит от движения источника, то свет от звезды А, идет к наблюдателю со скоростью с + и, а от звезды В

со скоростью с- о. В этом случае световые сигналы, испущенные в положении указанном на рис. 7.5, дойдут до наблюдателя в разное время:

II /(с + о)-/(с-и)В 2/о

tA =-, tB=-, отсюда At = tB-tA =-----= —-7.

с + о с- оВ с" — и**В с — и"

Рис. 8.5

При большом расстоянии разница во времени At может быть очень

значительной. Например, при о =30— и расстоянии / в 100 световых

с

лет, свет от звезды А должен прийти на неделю раньше, чем от звезды В. Если при этом период обращения двенадцать суток, то за шесть дней звезда В займет положение звезды А, и сигнал из ее нового положения придет на один день раньше, чем из прежнего положения. Из каких-то двух положений звезды В лучи будут подходить к наблюдателю одновременно.

Вообще, движение двойных звёзд должно казаться чрезвычайно странным (звезда может видеться сразу в нескольких местах), если скорость света действительно зависит от движения источника. Между тем, никаких странностей здесь не наблюдается. Видимое движение звёзд подчиняется законам Кеплера.

Таким образом, опыт показывает, что скорость света в вакууме не зависит ни от движения наблюдателя, ни от движения источника; она постоянна и одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчёта, что вполне согласуется с выводами из уравнений Максвелла, но зато явно противоречит классическому правилу сложения скоростей, вытекающему из преобразований Галилея.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >