Д.К.Миллер. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. Часть 2, 1933 г.

Материал из Эфирный ветер

Перейти к: навигация, поиск


Это окончание статьи. Начало см. Д.К.Миллер. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. Часть 1. 1933 г.

Дэйтон К.Миллер, Кейсовская школа прикладной науки.

(The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth.

Dayton C. Miller, Case Scool of Applied Science)

Перевод с англ. В. А. Ацюковского.

Содержание

[править] Общий анализ проблемы эфирного ветра

[править] Учет различных компонентов движения

Проведенный до 1925 г. эксперимент Майкельсона-Морли всегда применялся для проверки определенной гипотезы. Проверялась только теория абсолютно стационарного эфира, сквозь который Земля движется, не возмущая его никоим образом. Применительно к этой гипотезе эксперимент дал отрицательный результат. Эксперимент был применен лишь для ответа на вопрос в связи с предполагаемыми движениями Земли, а именно, осевым и орбитальным движениями, совместно с движением Солнечной системы по направлению к созвездию Геркулеса со скоростью около 19 км/с. Результаты эксперимента оказались не согласуемыми с предполагаемыми. Внимание было направлено почти полностью на эти составляющие скорости эфирного ветра, и не было предпринято попыток определить апекс иного выявления движения. Эксперимент был приспособлен для проверки гипотезы Лоренца-Фицжеральда, предполагавшей, что размеры тел изменяются при их движении сквозь эфир: были проведены испытания влияния на эффект магнитострикции, радиационного нагрева и гравитационных деформаций рамы интерферометра. Всегда все эти наблюдения, охватывающие все периоды ряда лет, на различные вопросы отвечали «нет», а имеющийся упорно постоянный и относительно малый эффект не находил объяснения.

Эфирно-ветровой интерферометр является инструментом, обладающим достаточной чувствительностью для определения относительного движения Земли и эфира; таким образом, он способен показать направление и скорость абсолютного движения Земли и Солнечной системы в пространстве. Если наблюдения проведены для определения такого абсолютного движения, что же означает результат, независимый от «ожидаемого» результата? Для ответа на этот главный вопрос было решено проделать более обширные наблюдения для некоторых эпох, когда Земля находится на противоположных положениях своей орбиты; это было сделано в апреле, августе и сентябре 1925 г. и в феврале 1926 г.

Можно спросить: почему это не было сделано раньше? Ответ, в частности, таков: действительной целью всегда была проверка конкретных предсказаний так называемой классической теории, и, в частности, совсем не легко создать новую гипотезу при отсутствии к тому прямых показаний. Вероятно, важная причина неудачи заключается в больших трудностях выполнения наблюдений во все времена суток в каждой из эпох. Очень немногие научные эксперименты требуют выполнения такого большого числа продолжительных наблюдений при таких экстремальных трудностях; здесь требуется большее сосредоточение, чем в любых других известных экспериментах. Половину времени, возможно, наблюдения шли непрерывно, прежде чем накопилось достаточно числовых значений для использования, потому что надо было отстроиться от чрезмерного смещения полос из-за изменений температуры или из-за земных или воздушных вибраций. Простое приспособление интерферометра для полос белого света и сохранение его, когда длина светового пути составляет 210 футов и включает в себя 16 различных участков и когда все это происходит на открытом воздухе, требует терпения, а также крепких нервов и твердой руки. Проф. Морли однажды сказал: «Терпение есть качество, без которого никто не должен начинать наблюдения такого рода».[Прим. сост. 1]

Абсолютное движение Земли может быть представлено как результат сложения двух независимых составляющих движения. Одна составляющая — орбитальное движение вокруг Солнца, для которого известны как скорость, так и направление. Для целей настоящего исследования скорость орбитального движения принята равной 30 км/с, а направление непрерывно изменяется в течение года и все время является касательным к орбите. Вторая составляющая движения — это космическое движение Солнца и Солнечной системы. Предположительно оно постоянно как по направлению, так и по скорости, но значения как того, так и другого неизвестны. Хорошо известное движение Солнечной системы по направлению к созвездию Геркулеса со скоростью 19 км/с — это только относительное движение Солнца по отношению к группе ближайших звезд, а это может и не дать информации о движении группы звезд в целом. Действительно, предварительные эксперименты по эфирному ветру ясно показали, что движение по направлению к Геркулесу не является составляющей абсолютного движения Земли. Вращение Земли вокруг своей оси дает скорость на широте наблюдения меньшую, чем 0,4 км/с, и она пренебрежимо мала по сравнению со скоростью абсолютного движения, но это вращение оказывает слабое влияние на видимое направление движения и является неотъемлемой частью решаемой проблемы. Однако, поскольку направление орбитальной составляющей непрерывно меняется, общее решение затруднительно, но при наблюдении результирующего движения, когда Земля находится на различных участках своей орбиты, найти решение реально. Для этой цели необходимо определить изменение скорости и направления эфирного ветра через период в 24 часа в трех или более различных моментах времени года.

Рис. 19.17. Модели, иллюстрирующие суточную вариацию скорости и направления эфирного ветра[Прим. сост. 2]

Интерферометр непрерывно вращается в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси на широте обсерватории. Поскольку Земля поворачивается вокруг своей оси, то продолжение оси интерферометра может быть рассмотрено как элемент, образующий конус, вершина которого находится в центре Земли. Земля в своем орбитальном движении держит этот конус вокруг орбиты, и ось конуса и земная ось сохраняют свое положение в пространстве. В то же время эта система с вращениями вокруг трех различных осей перемещается в пространстве неизвестным образом. Предполагается далее, что эфирно-ветровой интерферометр будет выделять только одну составляющую сложной комбинации перемещения и вращения, которая в каждое мгновение лежит в оптической плоскости интерферометра; это даст скорость и направление этой составляющей. На рис. 19.17 показан глобус с моделью, изображающей интерферометр, размещенный в точке, соответствующей расположению Маунт Вилсон. Проволока, торчащая из полюса глобуса, показывает направление предполагаемого результирующего абсолютного движения. Если Земля находится в положении, показанном в левой части рисунка, на плоскости интерферометра проекция скорости движения, изображенная проволокой, пропущенной через северную и южную точки, меньше, чем полная скорость движения. Когда Земля повернулась вокруг своей оси в положение, показанное в средней части рисунка, проекция абсолютного движения в плоскости интерферометра направлена на северо-запад; если интерферометр поворачивается вокруг своей оси, телескоп будет отмечать максимальное значение составляющей, когда он направлен на северо-запад. Когда Земля повернулась в положение, показанное справа, проекция составляющей движения снова будет направлена с севера на юг и будет иметь максимальное значение, немного меньшее полного. Таким образом, имеется суточная вариация в наблюдаемом азимуте эфирного ветра. Очевидно, что угол, который образует абсолютное движение с плоскостью интерферометра, изменяется в течение суток, так как интерферометр вращается вокруг оси, описывающей конус На иллюстрации абсолютное движение наиболее близко совпадает с плоскостью интерферометра в правой части фигуры, которая соответствует максимуму наблюдаемого эффекта; в левой части фигуры движение наиболее близко к перпендикуляру к плоскости интерферометра, и эффект минимален. Отсюда следует, что имеются суточные вариации величины эффекта, и это совершенно не зависит от вариации азимута.

Рис. 19.18. Модель для изучения составляющих скорости эфирного ветра

Модель, показанная на рис. 19.18, была создана для облегчения изучения астрономического аспекта скорости эфирного ветра. Широкий круглый диск, изображающий плоскость интерферометра, может вращаться вокруг наклонной полюсной оси для установления этой плоскости во всех возможных суточных положениях, соответствующих расположению Маунт Вилсон. В центре диска смонтирован параллелограмм, стороны которого могут быть подобраны так, чтобы изображать предполагаемые скорости двух составляющих абсолютного движения; эти направления могут устанавливаться по желанию, а соответствующая результирующая будет воспроизведена. Небольшая электрическая лампа укреплена так, что когда интерферометр поворачивается вокруг полюсной оси, то, поскольку параллелограмм остается неподвижным, лампа отбрасывает тень результирующей на плоскость интерферометра, показывая, как изменится азимут ветра в течение суток. Угол, который результирующая образует с плоскостью, можно наблюдать, и таким образом можно определить изменение скорости ветра для предполагавшегося движения. Была выбрана вероятная скорость космической составляющей движения, одиночная проволока, изображающая результирующую для некоторой эпохи, заменена параллелограммом, и были изучены суточные изменения в азимуте и скорости дрейфа. На трех видах модели (рис. 19.19) показано, как для предполагаемого движения азимут отклоняется к северо-западу и далее к востоку.

Рис. 19.19. Модель, иллюстрирующая суточную вариацию азимута эфирного ветра

Из этой модели видно, что наблюдаемая скорость эфирного ветра должна быть очень разной для различных результирующих движении и для разных моментов времени года и что она должна меняться в широких пределах для различных широт. Условия, приблизительно соответствующие результатам, необходимо здесь рассмотреть.

[править] Решение проблемы абсолютного движения Солнечной системы

Точка на небосводе, к которой направлено абсолютное движение Земли, названа апексом этого движения. Координаты этой точки определены как прямое восхождение и склонение, так же, как звезд, и формулы практической астрономии непосредственно пригодны для их определения на основе интерферометрических наблюдений. Теоретическое рассмотрение определения апекса движения Земли дано в статье проф. Дж. Дж. Нассау и проф. П. М. Морзе, которая опубликована в Astrophysical Journal в марте 1927 г. [1].

Зная широту обсерватории ~\phi и звездное время наблюдения ~\theta, можно получить два независимых определения прямого восхождения ~\alpha и склонения ~\delta апекса земного абсолютного движения, одно определяется из наблюдаемой скорости ~V а второе — из азимута ~A эффекта эфирного ветра. Влияние эфирного ветра, будучи эффектом второго порядка, имеет период в каждой половине оборота аппарата, отсюда следует, что если основное смешение полос наблюдалось тогда, когда направление телескопа приняло некоторое значение, то точно такой же эффект будет получен, когда интерферометр повернется на 180° и направление телескопа станет противоположным. Интерферометрические наблюдения определяют линию, по которой происходит движение, но они не отличают положительного направления движения по этой линии от отрицательного. Выбор между знаком плюс по направлению к северу и знаком минус по направлению к югу должен быть определен из совмещения результата, когда это движение соединено с известным орбитальным движением Земли. Для упрощения представления формул они будут даны для апекса, имеющего северное склонение, и для обсерватории, помещенной в северном полушарии. Если окончательное решение потребует движения к югу, то новый апекс будет диаметрально противоположен первому определенному апексу, его прямое восхождение будет прямым восхождением первого апекса минус 12 часов и его склонение будет иметь то же самое числовое значение, что и для первого апекса, но со знаком минус. Для обсерватории, размещенной в южном полушарии, должны существовать определенные систематические отличия в формулах, которые нет необходимости излагать здесь.

[править] Апекс абсолютного движения, определенный из направления и скорости эфирного ветра

В статье Нассау и Морзе показано, что, как это и вытекает с очевидностью из модели (см. рис. 19.17), звездное время полностью определяет прямое восхождение апекса, когда составляющая движения, лежащая в плоскости интерферометра, минимальна (~\theta_{v=min});

тогда

~\alpha=\theta_{v=min}.

Очевидно, что составляющая движения в плоскости интерферометра

~v=V\sin z,

где ~V — скорость абсолютного движения, а ~z — зенитное расстояние апекса.

Если ~\delta \ge 90^{\circ} - \phi, то, как можно видеть из модели, значение ~V минимально тогда, когда ~z=\delta-\phi, а максимально тогда, когда ~z=180^{\circ}-(\delta+\phi) и во времени максимум и минимум значений отличаются на 12 ч звездного времени. Если наблюдения занимают полные звездные сутки, максимум и минимум эффекта всегда могут быть получены.

Положим, что ~R есть отношение минимальной наблюдаемой скорости к максимальной, тогда

~R=\frac{v_{min}}{v_{max}} = \frac{\sin(\delta - \phi)} {\sin (\delta+\phi)},

откуда склонение апекса абсолютного движения определится выражением

~\mathrm{tg}~\delta=\frac{1+R}{1-R}\mathrm{tg}~\phi.

Если ~\delta < 90^{\circ} - \phi, линия движения будет совпадать с плоскостью интерферометра дважды в каждые сутки, и максимальное значение наблюдаемой скорости ~V_{max} будет равно действительной скорости ~V. Поскольку скорость будет иметь минимум тогда, когда апекс пересекается меридианом обсерватории, его зенитное расстояние составит ~\phi-\delta, и тогда наблюдаемая скорость будет равна скорости ~V, умноженной на синус угла ~\phi-\delta. Следовательно,

~v_{min}/v_{max} = V \sin (\phi - \delta) / V = \sin (\phi - \delta)

и ~\delta = \phi \pm  \sin^{-1}(v_{min}/v_{max}).

Если апекс находится ниже горизонта в течение звездных суток наблюдаемая скорость будет иметь два максимума, а также два минимума. Максимум будет тогда, когда апекс пересечет горизонт обсерватории, а минимум тогда, когда он пересечет меридиан. Максимумы сойдутся при ~\delta = 90^{\circ}-\phi.

[править] Апекс абсолютного движения, определенный из азимута направления эфирного ветра

Для ~\delta \ge \phi. Если движение Земли проектировать на плоскость интерферометра (см. рис. 19.17), то станет очевидным, что вращение Земли вокруг оси является причиной колебаний азимута апекса, пересекающего вперед и назад меридиан дважды в каждые звездные сутки с интервалом 12 ч. Звездное время ~\theta_{E-W}, когда апекс пересекает меридиан с востока на запад [Прим. сост. 3], есть прямое восхождение апекса, так что

~\alpha=\theta_{E-W}.

Время ~\theta_{W-E}, когда апекс пересекает меридиан с запада на восток, также определено, так что

~\alpha=\frac{1}{2}(\theta_{E-W}+\theta_{W-E})+6 часов.

Поскольку азимут направления ветра в интерферометре соответствует азимуту апекса, то, когда апекс пересекает меридиан, ветер создает максимальное смещение полос сначала к востоку, а затем к западу в каждые звездные сутки. Когда ~\delta \ge \phi, этот максимум азимута может рассматриваться как азимут около полярной звезды на ее восточной или западной элонгации. В учебниках сферической и практической астрономии показано, что азимут элонгации простым образом зависит от склонения звезды и широты обсерватории. Отношение таково:

~\sin A_{max} = \cos \delta / \cos \phi,

соответственно

~\cos \delta = \sin A_{max} \cos \phi.

Когда ~\delta \le \phi, азимут апекса колеблется вокруг горизонта в течение звездных суток. Если ~\theta_{E} есть звездное время, когда азимут приходится точно на восток, то

~\mathrm{tg}~\delta = \mathrm{tg}~\phi \cos(\theta_{E}-\alpha).

При условии, что орбитальная скорость Земли известна, этих формул в основном достаточно для определения апекса и скорости абсолютного движения Земли и эфира с помощью интерферометра. Эти наблюдения, давая просто азимут максимума смещения интерференционных полос при вращении аппарата вокруг оси, вместе с азимутом, при котором возникает максимальное смещение, должны соответственно покрывать период одних звездных суток для каждой эпохи. Полная серия таких наблюдений дает одно определение скорости абсолютного движения и два независимых определения апекса движения.

Определение направления абсолютного движения Земли зависит только от направления, в котором находится телескоп, когда наблюдаемое смещение полос максимально; причем это не зависит от величины самого смещения полос, а также от регулировки полос в части их ширины или отсчета нуля. Действительная скорость земного движения определена амплитудой периодического смещения, которое пропорционально квадрату относительной скорости Земли и эфира и длине светового пути в интерферометре. Два эффекта — скорость и азимут наблюдаемого относительного движения совершенно независимы один от другого.

[править] Гармонический анализ смещения интерференционных полос

Рис. 19.21. Гармонический анализ наблюдений эфирного ветра. По оси абсцисс — угол поворота интерферометра, одно деление равно 1/16 оборота.

Списки действительных интерферометрических наблюдений маунт-вилсоновского цикла состоят из 316 страниц отсчетов положений интерференционных полос в форме, приведенной на рис. 19.8. Каждая серия содержит отсчеты на 20 и более оборотах интерферометра. 20 или более отсчетов для каждого из 16 наблюдаемых азимутов усредняются; в средних значениях скомпенсирован медленный линейный дрейф всей интерференционной системы за период наблюдения, как это объяснялось ранее применительно к рис. 19.9. Затем для целей гармонического анализа средние значения отсчетов для каждой серии наносятся на координатную бумагу в большом масштабе. Части I, II, III и IV на рис. 19.21 показывают отсчеты для Четырех последовательных серий наблюдений, проведенных 2 апреля 1925 г. Нанесенные точки соответствуют положениям центральной черной линии интерференционной картины по отношению к начальной точке отсчета после того, как интерферометр сделал один полный оборот. Единица масштаба ординат — 1/100 ширины полосы, в то время как абсцисса соответствует азимутальному интервалу 22,5°, считая от северного направления и далее вокруг горизонта по часовой стрелке. Графики подобного типа выполнены для каждой серии наблюдений. Эти графики «кривых» для действительных наблюдений содержат не только полупериодный эффект эфирного ветра второго порядка, но также полнопериодный эффект первого порядка и некоторые возможные эффекты высших порядков, включая все инструментальные и случайные погрешности наблюдений. Настоящие исследования эфирного ветра основаны всецело на эффекте второго порядка, который периодичен в каждой половине оборота интерферометра. Этот эффект второго порядка полностью представлен вторым членом гармонического ряда Фурье данной кривой. Чтобы точно оценить влияние эфирного ветра, каждая кривая наблюдений была подвергнута гармоническому анализу с помощью гармонического анализатора Хенрика по первым пяти членам ряда Фурье. Эффект первого порядка в наблюдении показан основной составляющей, которая проведена под соответствующей кривой и наблюдений на рис. 19.21; эффект второго порядка показан кривой, расположенной ниже; каждая четвертая кривая в каждом примере отражает сумму третьей, четвертой и пятой составляющих гармоник. Очевидно, что полученные кривые содержат очень малый след других эффектов любых высших гармоник. Остаточная кривая имеет очень малую амплитуду, и очевиден тот факт, что случайные и беспорядочные погрешности малы. Гармонический анализ и синтез являются методами, которые полностью описаны автором в другой работе [2].

Рис. 19.20. Отношение смещения полос к скорости эфирного ветра для 2D = 112000000λ и λ=5700 Å.

Гармонический анализ наблюдений дает непосредственно амплитуду в сотых долях ширины полос и фазу, отсчитанную от северного направления для второй гармоники кривой, которой соответствует влияние скорости эфирного ветра. Наблюдаемая амплитуда движения полос еще раз пересчитывается в эквивалентную скорость относительного движения Земли и эфира, наблюдаемого в плоскости интерферометра, посредством некоторого развития элементарной теории эксперимента:

~d=2D(v^2/c^2)

и

~v=(dc^2 / 2D)^{1/2}

где ~d — наблюдаемое полупериодическое смещение полос; ~D — длина плеча интерферометра, то есть расстояние от полупрозрачного посеребренного зеркала с добавлением умножающих отражений до концевого зеркала № 8, оба выражены в числах эффективных длин волн света, примененного для интерференции; ~v — относительная скорость Земли и эфира в плоскости интерферометра, км/с; ~c — скорость света, км/с. Номограмма на рис. 19.22 содержит параболическую кривую, которая показывает значение относительной скорости, соответствующей смещению полос, наблюдаемому в интерферометре, примененном в этом эксперименте.

Это выполнено для света с длиной волны ~\lambda=5700A и для полной длины светового пути ~2D=112.000.000\lambda. Азимут эфирного ветра находится в направлении, в которое указывает телескоп, когда полупериодическое смещение положительно и максимально. Этот азимут ~A получается из фазы ~P второй гармонической составляющей наблюдений, как дает анализатор, из следующего соотношения:

~A=(1/2)(P-90^\circ)

Направление, полученное таким образом, соответствует вершине кривой, изображающей вторую гармонику, выраженную в градусах, измеряемых от северного направления; ось х кривой, показанной на рис. 19.21, начинается от северного направления и распространяется на один оборот в 360° через восток, юг и запад и снова на север. На рисунке в графике второй составляющей показано (и это всегда имеет значение), что в пределах изменения азимута на 360° имеются два максимума во второй составляющей, соответствующих двум азимутам, расположенным на расстоянии в 180° друг от друга, между которыми для интерферометра нет разницы. Разброс азимутальных отсчетов много меньше, чем 90°, но непрерывная последовательность наблюдений не устраняет двусмысленности в знаке направления линии движения. Скорость и направление орбитального движения Земли известны; направление изменяется на противоположное через интервал в шесть месяцев, его сочетание с постоянным космическим движением дает результирующее движение, которое различно для двух эпох. Сочетание орбитального и космического движений приводит к результатам, согласующимся с наблюдаемыми эффектами, но только тогда, когда космическое движение дано с правильным знаком и, таким образом, двусмысленность устраняется.

[править] Наблюдения эфирного ветра, выполненные на Маунт Вилсон в 1925—1926 гг

[править] Общая программа наблюдений

Наблюдения эфирного ветра, выполненные автором до 1925 г., состояли из 25 серий, содержащих 995 оборотов и проведенных в содружестве с проф. Морли в 1902—1905 гг., 86 серий из 1146 об., проведенных в Кливленде в 1922—1924 гг. и 166 серий из 1181 об., проведенных на Маунт Вилсон в 1921 и 1924 гг. Эти эксперименты показали с полной очевидностью реальность эффекта, который был систематическим, но малым и неопределенным по азимуту. Программа была ориентирована на обширную серию наблюдений для решения общей проблемы эфирного ветра без каких-либо предположительных эффектов. Чтобы подтвердить основное заключение, необходимо иметь наблюдения, охватывающие 24 часа суток, чтобы выявить влияние вращения Земли вокруг своей оси и в различные времена года, а также влияние орбитального движения Земли. Поскольку орбитальное движение всегда направлено по касательной к орбите, в различные сезоны оно будет иметь различное направление, производя в результирующей абсолютного движения характерные для каждой эпохи отличия. Такие наблюдения были выполнены на Маунт Вилсон для четырех эпох — 1 апреля, 1 августа, 15 сентября 1925 г. и 8 февраля 1926 г.; число серий для этих эпох составляло 36, 96, 83 и 101 соответственно, дав всего 6402 оборота. Модель, показанная на рис. 19.23, изображает относительное положение Земли на ее орбите для этих четырех эпох. Результаты, полученные из полного анализа обработки этих наблюдений, будут рассмотрены подробно.

Можно заметить, что эти наблюдения включали в себя свыше 200.000 отсчетов положений интерференционных полос, требуя при этом, чтобы наблюдатель ходил по небольшому кругу в темноте, проходя дистанцию около 160 миль и делая при этом отсчеты. Более чем половина этих отсчетов были сделаны на Маунт Вилсон в наблюдениях 1925 и 1926 гг. Последние наблюдения дали 12.800 отдельных измерений скорости эфирного ветра и 25.600 отдельных определений апекса движения.

[править] Данные наблюдений

Рис. 19.22. Одиночные наблюдения и усредненные кривые эфирного ветра на Маунт Вилсон в 1925—1926 гг.

Описанным способом были получены из каждой серии наблюдений, соответствующих заданному звездному времени, во-первых, скорость относительного движения Земли и эфира как проекций скорости на плоскость интерферометра, выраженной в километрах в секунду; во-вторых, измеренный от северного направления азимут линии, отображающей это проектируемое на плоскость интерферометра движение. Эти наблюдаемые величины для каждой из четырех эпох показаны графически на четырех графиках рис. 19.22. Каждая точка на верхней кривой каждого графика отображает скорость, а непосредственно под ней нижняя кривая соответствует азимуту одиночного наблюдения. Решение базируется на усредненной кривой наблюдений; поскольку имеется значительный разброс среди отдельных наблюдений, то, чтобы уничтожить все смещения, строится усредненная кривая с помощью простого усреднения 20 эквивалентных значений в каждой точке кривой. Наблюдений в апреле, в первой серии из данных, не было достаточно для двух времен суток, и эти кривые располагают лишь небольшим числом точек. Средние точки отмечены большими кружками, восемь толстых кривых линий, одна — скорости и одна — азимута для каждой из четырех эпох, составляют материал для дальнейшего обсуждения.

Таким образом, имеются четыре кривые, показывающие среднюю наблюдаемую скорость эфирного ветра для звездных суток четырех моментов времени года; каждая из этих кривых позволяет определить скорость относительного движения Земли и эфира, а также прямое восхождение и склонение апекса земного абсолютного движения, характерное для каждой эпохи. Имеется четыре кривые, показывающие средний азимут скорости эфирного ветра на всем протяжении звездных суток для четырех моментов времени года; каждая из этих кривых определяет прямое восхождение и склонение апекса абсолютного движения Земли. Всего имеется четыре определения скорости движения, спроектированного на плоскость интерферометра, по одной для каждого момента времени, и восемь независимых определений апекса движения, по два для каждого момента времени.

Эти наблюдения должны быть обработаны в соответствии с принципами, объясненными в предыдущих разделах, чтобы определить положения апекса результирующего движения для четырех моментов времени. Из каждой кривой для скорости получаются числовые значения максимальной и минимальной ординат и звездное время минимальной ординаты; из каждой кривой для азимута скорости должно быть получено максимальное колебание азимута и два звездных времени, когда кривая пересекает свою ось.

Обработка наблюдений учитывает широту расположения интерферометра. Наблюдения, описанные здесь, были сделаны в Обсерватории Маунт Вилсон на широте +34°13'.

Совершенно очевидно из характера кривых наблюдения, рис.19. 22, что склонение апекса больше, чем дополнение (до 90°) широты обсерватории, это видно из того факта, что отклонение азимутальной кривой от ее оси всегда меньше, чем 90°, а также из того, что амплитуда кривой показывает только единственный максимум и единственный минимум. Это определяет выбор альтернативных формул вычислений. Изучение положений модели приводит к тому же выводу. Кроме того, ранняя обработка этих наблюдений включала рассмотрение апекса со склонением меньшим, чем широтное дополнение, это всегда приводило к несовместимым результатам. Таким образом, в астрономическом отношении апекс должен быть околополярным.

Можно заместить, что как направление, так и скорость эфирного ветра должны изменяться от одного момента времени к другому, потому что его влияние является результатом постоянного космического движения Земли и ее изменяющегося орбитального движения, а эти изменения должны быть систематическими и характеризовать каждый момент времени, как будет объяснено далее.

[править] Окончательные результаты наблюдений

''Таблица 1. ''Прямое восхождение апекса
Эпоха ''α''амп ''α''аз Среднее
Север Юг
8 февраля 18 ч. 0 мин. 18 ч. 0 мин. 18 ч. 0 мин. 6 ч. 0 мин.
1 апреля 13 15 16 10 15 42 3 42
1 августа 15 45 16 10 15 57 3 57
15 сентября 17 5 17 0 17 3 5 5



Таблица 2. Склонение апекса
Эпоха ''δ''амп ''δ''аз Среднее
8 февраля ±79°35' ±75°19' ±77°27'
1 апреля ±78°25' ±75°12' ±76°48'
1 августа ±67°30' ±62°4' ±64°47'
15 сентября ±61°40' ±62°28' ±62°4'



Таблица 3. Скорости и смещения полос
Эпоха Скорость, км/с Смещение (λ — 5700Å)
8 февраля 9,3 0,104 λ
1 апреля 10,1 0,123 λ
1 августа 11,2 0,152 λ
15 сентября 9,6 0,110 λ

В табл. 1 и 2 даны прямые восхождения и склонения апексов наблюдаемого движения Земли для четырех эпох и для двух альтернативных направлений. В таблицах αамп и δамп — значения, полученные из амплитудных кривых; αаз и δаз получены из азимутальных кривых.

Кривые наблюдения (см. рис. 19.22) дают непосредственно значения максимума скорости относительного движения Земли и эфира, наблюдаемой в плоскости интерферометра для четырех эпох; эти скорости приведены в табл. 3. Табл. 3 также показывает смещения интерференционных полос в единицах длин волн, которые были получены в интерферометре, использованном для эксперимента при наблюдении эфирного ветра.

Эти три таблицы содержат все данные, полученные в 316 сериях наблюдений, выполненных на Маунт Вилсон в 1925 и 1926 гг. для решения проблемы эфирного ветра.

В этой работе вычисления выполнены непосредственно на основе реальных наблюдений без каких бы то ни было предположений о полученных результатах. Все первичные наблюдения включены в расчеты без исключений и без приписывания весовых коэффициентов. При использовании наблюдаемых величин не было применено никаких коррекций. Процедуры были лишь те, которые применяли в первых исследованиях и применялись до сих пор для неопознанных эффектов. Настоящие результаты наглядно проиллюстрировали корректность этого метода и, как теперь представляется, сорок шесть лет опоздания в установлении влияния орбитального движения Земли в наблюдениях эфирного ветра произошло вследствие ошибок в подтверждении определенных предсказаний так называемых классических теорий и воздействий традиционных точек зрения.

[править] Абсолютное движение Солнечной системы и определение орбитального движения Земли

[править] Отказ от северного апекса движения Солнца

Как уже объяснялось, интерферометр определяет линию, в которой происходит движение Земли по отношению к эфиру, но не определяет направления движения по этой линии. Результаты наблюдений, данные в табл. 1 и 2, указывают как на то, что апекс размещен около северного полюса, так и на диаметрально противоположное направление около южного полюса эклиптики. Выбор между двумя возможными направлениями движения определен постоянством результатов, удовлетворяющих первичным наблюдениям, взятых как целое и в связи с известными явлениями. Изучение действительных движений и движений по отношению к видимым звездам в нашем скоплении показало, что Солнечная система движется по отношению к ближайшим звездам вперед к апексу, расположенному в созвездии Геркулеса около 42° от северного направления двух апексов, указанных интерферометрическими наблюдениями; скорость этого движения составляет около 19 км/с. Это обстоятельство как будто подкрепляет представление о северном направлении движения, и северный апекс был выбран для дальнейшего изучения проблемы.

Кроме комплекта наблюдений для трех эпох на Маунт Вилсон, соответствующих 1 апреля, 1 августа и 15 сентября 1925 г., было проведено изучение результатов для уточнения предположения о северном апексе. Для определения скорости космического движения были проверены различные варианты решений с помощью параллелограммного аппарата (см. рис. 19.18) с окончательной обработкой методом наименьших квадратов. Эффекты, которые должны были характеризовать различные эпохи вследствие изменения направления орбитального движения, не могли быть найдены из соответствующих кривых данных наблюдений, показывая, что орбитальная составляющая, вероятно, много меньше космической. Кривые для трех эпох были просто усреднены, и было установлено, что когда они изображены в отсчете по местному гражданскому времени, они имеют такие фазовые соотношения, что почти полностью нейтрализуют друг друга; средний эффект для трех эпох, изображенных таким образом, очень мал и не систематичен. Когда же кривые наблюдений были выполнены графически по отношению к звездному времени, выявилось поразительное соответствие их принципиальных характеристик, не только среди трех кривых для азимутов, но также и для амплитуд; кроме того, что производило большое впечатление, было согласование двух серий кривых, что явно говорило о наличии для этого общей причины. Усреднение кривых по звездному времени убедительно показало, что наблюдаемый эффект зависит от звездного времени и не зависит ни от суточных, ни от сезонных изменений температуры и других возмущающих причин и что это космический феномен. Результаты этого изучения были представлены как доклад президенту Американского физического общества на встрече в Канзас-Сити 29 декабря 1925 г. [3]. Заключение гласило, что имеется систематическое положительное влияние эфирного ветра, соответствующее постоянному относительному движению Земли и эфира на Маунт Вилсон имеющее видимую скорость 10 км/с; что вариации в направлении и скорости найденного движения точно такие, какие должны быть произведены постоянным движением Солнечной системы в пространстве вперед к апексу около северного полюса эклиптики, имеющего прямое восхождение 17,5 ч. и склонение +65°. По гипотетической эфирной концепции Стокса эфир частично захватывается материей, движущейся сквозь него; это предполагает, что наблюдаемая скорость 10 км/с может являться лишь частью полной абсолютной скорости движения; если же орбитальная скорость Земли, составляющая 30 км/с, тоже уменьшена пропорционально, то в наблюдаемой скорости эта составляющая должна быть столь мала, что уже не воспринимается; поэтому можно полагать, что реальная скорость космического движения составляет двести километров в секунду или даже больше. Было также отмечено, что по неизвестным причинам все азимуты оказались смещенными к западу.[Прим. сост. 4]

В четырех сериях наблюдений, которые были выполнены на Маунт Вилсон и соответствовали дате 8 февраля, были перепроверены все наблюдения четырех моментов времени, проведенные ранее, исходя из предположения о расположении апекса около северного полюса эклиптики, поскольку они не содержали эффекта орбитального движения Земли, которое не могло быть найдено; поэтому для определения космического движения Солнечной системы результаты четырех серий наблюдений были просто усреднены. Итоги такого детального исследования были доложены в Пасадене 4 и 5 февраля 1927 г. на конференции по эфирному ветру [4]; было показано, что существует постоянное космическое движение с теми же параметрами, что были доложены в Канзас-Сити для апекса, имеющего прямое восхождение в 17 ч. и склонение +68°. В то же время стало понятно, что процесс усреднения наблюдений четырех дат уничтожает орбитальный эффект, поскольку два положения Земли на орбите почти диаметрально противоположны друг другу, как показано на рис. 19.24. На конференции в Пасадене было заявлено, что орбитальный эффект, если он существует, весьма мал, и хотя исследования оказались неудачными с точки зрения демонстрации этого воздействия, автор все же уверен, что он может быть найден и что дальнейшие исследования и наблюдения должны преследовать эту же цель. Можно добавить, что адекватные анализ и вычисления наблюдений для четырех эпох сверх обычных плановых исследований требуют длительного времени для проверки вычислений, возможно, целого года. Это и другие соображения, такие, как вытекающие из дальнейших наблюдений в Кливленде в 1927 и 1929 гг., задержали переосмысление наблюдений на Маунт Вилсон до осени 1932 года.

Как объяснено в последующем разделе, новое изучение проблемы основано на предположении о движении Солнечной системы в южном направлении, что дает согласующиеся результаты как для космического движения Солнечной системы, так и для орбитального движения Земли. По этой причине северный апекс солнечного движения был отвергнут и предпочтен южный апекс.

[править] Выбор южного апекса движения Солнца

Рис. 19.23. Карта наблюденного апекса для результирующей абсолютного движения Земли

Начиная с осени 1932 г. была переосмыслена проблема эфирного ветра, а также закончен пересчет результатов наблюдении, выполненных на Маунт Вилсон в 1925 и 1926 гг. Использование альтернативной возможности — противоположного направления движения Солнечной системы по предварительно определенной траектории, то есть направления к апексу Южного полюса эклиптики, дало полное решение вопроса. На первое время это позволило определить числовое значение абсолютного движения Солнечной системы и положительно выделить эффект орбитального движения Земли с помощью эфирно-ветрового интерферометра.

Рис. 19.24. Модель, иллюстрирующая положение Земли на ее орбите для четырех дат наблюдения

Апексы, установленные на основании наблюдений четырех эпох, определены их прямым восхождением и склонением, приведенными в табл. 1 и 2, а также показаны на карте (рис. 19.23), которая изображает район южного полушария небесной сферы. Наблюдаемые апексы получены из азимутальных кривых, они показаны квадратиками, а полученные из амплитудных кривых отмечены треугольниками; средние для двух положений каждой эпохи указаны звездочками и представляют собой окончательные наблюдаемые положения апекса абсолютного движения Земли для прошлых эпох. Четыре апекса должны лежать на земной «отклоненной» орбите, центр которой есть апекс космической составляющей движения Земли. Эта отклоненная орбита есть проекция земной орбиты на небесную сферу и, поскольку центр ее смещен на 7° от полюса эклиптики, эта проекция есть окружность. Центр окружности, которая наиболее близко соответствует четырем наблюдаемым апексам, изображенным звездочками, найден графическим методом. Этот центр есть первое приближение к апексу космического движения Земли. Четыре апекса не только лежат замечательно близко к окружности, но они должным образом соответствуют их эпохам, как показано моделью орбиты на рис. 19.24.

С помощью закона треугольника теперь можно найти приближенное решение для скорости космического движения Земли. Объяснение упростится, если воспользоваться моделью (см. рис. 19.24), показывающей относительные положения Земли на ее орбите для четырех эпох; над каждым из четырех глобусов помещен проволочный параллелограмм, который в примерном масштабе показывает отношение орбитальной и космической составляющих движения и их результирующую; космическая составляющая движения направлена вниз. Направление и скорость орбитальной составляющей движения известны, направление результирующего движения дано наблюдениями (его скорость не требовалась), космическая составляющая направлена к центру отклоненной орбиты именно так, как было найдено. Таким образом, имеются заданные направления трех сторон треугольника и длина одной стороны, что определяет длины других сторон. Таким же способом было найдено в первом приближении, что скорость космической составляющей движения должна составлять порядка 200 км/с.

Имея приблизительное значение скорости космического движения и используя законы сферической триангуляции, можно найти апекс космической составляющей; это сделано независимо для каждой из четырех эпох путем использования направлений результирующего движения, данных четырьмя наблюдаемыми результирующими апексами, а также скоростью и направлением орбитального движения Земли, соответствующим четырем датам времени. Таким образом, получены четыре приближенных местоположения апекса космического движения, основанных на предполагаемом значении скорости; они должны совпадать с центром отклоненной орбиты, но возможно, что они будут разбросаны вокруг этого центра.

''Таблица 4. ''Центры наклоненной орбиты
Дата наблюдения ''α'' ''β''
8 февраля 5 ч 14 мин -69°54'
1 апреля 4 ч 46 мин -70° 4'
1 августа 4 ч 40 мин -72°00'
15 сентября 4 ч 54 мин -70°11'
Средний апекс 4 ч 54 мин -70°33'

Дальнейшие попытки были предприняты с предполагаемыми значениями скорости космической составляющей движения 205, 210 и 215 км/с, в результате чего было сделано заключение, что скорость 208 км/с космической составляющей дает наиболее плотное группирование четырех независимых локализаций космического апекса. В табл. 4 даны прямое восхождение и склонение указанных четырех точек и, таким образом, средние значения координат, которые приняты как местоположение апекса космического движения. Апексы, определенные из наблюдений каждой даты независимо друг от друга, показаны четырьмя точками около центра окружности на рис. 19.23; при этом среднее значение этих местоположений показано точкой вблизи центра окружности. Это и есть окончательное решение для космической составляющей движения Земли и направления абсолютного движения Солнечной системы как целого; это космическое движение Земли имеет скорость 208 км/с и направлено к апексу, имеющему прямое восхождение 4 ч. 54 мин. и склонение −70°33'.[Прим. сост. 5]

Местоположение апекса, таким образом, определено в созвездии Золотой Рыбы и находится около 20° южнее звезды Канопус, второй ярчайшей звезды небосвода. Она находится в середине прекрасного Большого Магелланова скопления звезд. Апекс находится около 7° от полюса эклиптики и около 6° от полюса постоянной плоскости Солнечной системы, таким образом, видимое движение Солнечной системы почти перпендикулярно этой плоскости. Это означает, что Солнечная система может быть рассмотрена как динамический диск, который проходит через сопротивляющуюся среду и который поэтому сам устанавливает перпендикуляр к линии движения.

Тот факт, что Солнце движется по направлению к южному апексу со скоростью 208 км/с и в то же самое время существует несомненное движение по отношению к ближайшим звездам в противоположном направлении к созвездию Геркулеса со скоростью 19 км/с, означает, что группа звезд как целое движется вперед к южному апексу со скоростью 227 км/с.

[править] Необъяснимое уменьшение скорости и смещение азимута

Направление движения Земли в пространстве определено из предположения, что движение спроектировано на плоскость интерферометра, и путем наблюдения различий, произведенных проекцией составляющей вращения Земли вокруг Солнца. Скорость движения определена путем сравнения со смещением полос, предположительно вызванным известной орбитальной скоростью Земли.

Оценка наблюдаемого эффекта основана на предположении, что это есть эффект второго порядка и что эфир полностью неподвижен и не завихрен движением Земли сквозь него. Наблюдения выявили два эффекта, которые никак не объясняются такой простой теорией.

''Таблица 5. ''Космические скорости
Дата наблюдения Скорость, км/с ''k''
наблюдаемая вычисленная
8 февраля 9,3 195,2 0,048
1 апреля 10,1 198,2 0,051
1 августа 11,2 211,5 0,053
15 сентября 9,6 207,5 0,046
Значение, принятое для вычислений, ''k'' = 0,0514

Смещение интерференционных полос, всегда меньшее ожидавшегося, показало уменьшение скорости относительного движения; значит, эфир, через который интерферометр переносится движением Земли, не находится в абсолютном покос. Когда скорость движения Земли, рассчитанная по результатам этих исследований, сравнивается со скоростями, наблюдаемыми с помощью интерферометра, полученное числовое значение коэффициента уменьшения скорости остается необъяснимым. В табл. 5 показан максимум наблюдаемой результирующей скорости, полученной пересчетом данных табл. 3, совместно с вычисленной результирующей скоростью в плоскости интерферометра, и коэффициент уменьшения «k» для каждой даты наблюдения. Значение «k», которое приводит к результирующей скорости, наиболее согласованной с реальными наблюдениями для всех дат наблюдений, равно 0,0514, и это единственное значение, которое использовано в вычислении теоретических кривых. Однако до сих пор физическая природа этого уменьшения коэффициента остается непонятной [Прим. сост. 6], и не нужно полагать, что этот коэффициент постоянен для всех дат наблюдений. Похоже, что космическая и орбитальная составляющие движения уменьшаются в одной и той же пропорции.

Рис. 19.25. График, показывающий наблюдаемое смещение оси азимута эфирного ветра

В соответствии с простой теорией направление космического движения должно колебаться назад и вперед через линию север-юг, пересекая се и совершая одно колебание в звездные сутки вследствие вращения Земли вокруг ее оси. Когда наблюдаемый азимут нанесен на карту, результирующая кривая направления пересекает свою ось дважды в каждые сутки, как показано на рис. 19.25, но эта ось изменяет свое положение относительно меридиана. Для эпохи февраля ось смещена на 10° к северо-западу, для апреля смещена на 40° к востоку, для августа — 10° к востоку, и для сентября — 55° к востоку.

[править] Обоснованность решения

Рис. 19.26. Наблюдаемые и рассчитанные скорости и азимуты эфирного ветра для четырех дат наблюдения, привязанные к звездному времени

Для каждой возможной причины возмущений, подлежащей упразднению, должен быть развит адекватный метод соответствующей процедуры, предполагающий, что устойчивые наблюдаемые эффекты хотя и малы, но систематичны и происходят вследствие реального эфирного ветра. Наблюдаемое смещение интерференционных полос по некоторым неизвестным причинам соответствует лишь составляющей скорости Земли в пространстве. Теоретическое решение проблемы абсолютного движения, которое рассматривалось, включает только относительные значения наблюдаемого эффекта и не требует знания ни причины уменьшения видимой скорости движения, ни размеров этого уменьшения. Обоснованность решения показана использованием недавно определенных скорости и направления космического движения вместе с известными скоростью и направлением орбитального движения Земли для вычисленного результирующего эффекта для каждой из четырех эпох.

Скорость и направление результирующего движения как проекции на плоскость интерферометра рассчитаны через интервал 2 ч звездных суток для каждой эпохи. Амплитуды, умноженные на уменьшающий коэффициент k, показаны на рис. 19.26 с помощью широких линий кривых слева. Азимуты рассчитанных направлений по отношению к осям кривых показаны гладкими широкими линиями кривых справа. Сопоставление этих восьми кривых есть средние кривые действительных наблюдений, приведенных на рис. 19.22.

Рассчитанные кривые соответствуют наблюдениям особенно хорошо, отражая природу эксперимента. Поскольку космическая составляющая движения относительно велика, ее эффект превалирует так, что фазы кривой остаются почти постоянными, если они привязаны к звездному времени, так что минимум у всех приходится на 17 часов. Это есть кривая орбитальной составляющей, которая вызывает колебания кривых в феврале и апреле и приводит к выраженному минимуму шесть месяцев спустя. Эффект орбитальной составляющей является причиной явного наклона вперед азимутальных кривых августа и сентября.


Рис. 19.27. Наблюдаемые и рассчитанные скорости и азимуты эфирного ветра для четырех дат наблюдения, привязанные к звездному времени

Близость критических параметров теоретических кривых для различных эпох наблюдений наиболее поразительна, когда кривые нанесены на карту относительно местного гражданского времени, как на рис. 19.27. Преобладающий эффект космической составляющей времени остается постоянным в звездном времени, создавая минимум, который имеется при восходе Солнца в феврале, прогрессивно смещаясь в гражданском времени каждые сутки, изменяясь сезонно, так что в сентябре он приходится близко к закату Солнца; время, когда азимутальная кривая пересекает свою ось подобным же образом, прогрессивно смещается в гражданском времени.

Продолжая астрономическое описание, следует сказать, что были найдены элементы отклоненной орбиты абсолютного движения Земли; они были использованы для вычисления видимого места наблюдений. Скорость и апекс постоянной космической составляющей движения Земли только что найдены из комбинации с известной орбитальной скоростью по данным четырех эпох наблюдений, чтобы найти четыре апекса результирующего движения четырех эпох. Наблюдаемые и вычисленные прямые восхождения и склонения апексов приведены в табл.6.

''Таблица 6. ''Результирующие апексы, наблюдаемые и вычисленные
Дата наблюдения ''α''Н ''αВ'' ''δ''Н ''δ''В
8 февраля 6 ч 0 мин 5 ч 40 мин −77°27' −78°25'
1 апреля 3 ч 42 мин 4 ч 00 мин −76°48' −77°50'
1 августа 3 ч 57 мин 4 ч 10 мин −64°47' −63°30'
15 сентября 5 ч 5 мин 5 ч 00 мин −62°4' −62°15'
Рис. 19.28. Наблюдаемый и рассчитанный апексы абсолютного движения Солнечной системы

Апексы космической составляющей, определенные предварительно и приведенные в табл.4, показаны большой звездочкой на рис. 19.28, а для Четырех вычисленных апексов результирующего движения и для четырех эпох показаны маленькими кружочками, которые, как видно, лежат на окружности, изображающей вычисленную отклоненную орбиту. Наблюдаемые апексы для четырех эпох изображены меленькими звездочками. Местоположение полюса эклиптики также показано. Точное согласие между вычисленными и наблюдаемыми апексами должно приводить к очевидному заключению об обоснованности решения наблюдений эфирного ветра для абсолютного движения Земли и также для эффекта орбитального движения Земли, которые до настоящего времени не были доказаны.

Может показаться неожиданным, что такое полное согласие между наблюдаемыми и вычисленными местоположениями оказалось возможным получить из наблюдений таких минутных эффектов и эффектов, считающихся трудно определяемыми и неопределенными. Возможным объяснением является то, что звездочки, изображающие окончательный результат для февральской эпохи, есть эффект от усреднения 8080 отдельных определений этого местоположения; звездочка для августовской эпохи отображает 7680 отдельных определений, соответственно для сентябрьской — 6640 и для апрельской — 3208 определений.

19.29. Модель, иллюстрирующая составляющие эфирного ветра

Обращает на себя внимание то, что результаты, полученные здесь, не противоречат первоначальным результатам, полученным Майкельсоном и Морли в 1887 г.; действительно, они согласуются с ними и подтверждают ранние результаты. С добавлением новых наблюдений интерпретация должна пересматриваться и расширяться.

Модель, приведенная на рис. 19.29, изображает в пропорциональном масштабе конструкцию для изучения абсолютного движения Земли. Земля изображена мячом, расположенным около вершины модели, а плоскость эклиптики — горизонтальной пластиной, проходящей через центр Земли. Космическая составляющая движения Земли, являющаяся абсолютным движением Солнечной системы, направлена к апексу, расположенному около южного полюса эклиптики; она изображена стрелой, помещенной около вершины модели, и дорожкой, продлевающей ее ниже «Земли». Орбитальные составляющие движения для четырех дат этих наблюдений отображены стрелками, лежащими в горизонтальной плоскости. Четыре результирующих движения отображены диагоналями четырех параллелограммов, соответствующим отдельным датам. Результирующее движение в виде направленна годовой траектории на небесной сфере наклоненной орбиты Земли изображено кругом, расположенным в нижней части модели; четыре позиции, соответствующие датам наблюдений, промаркированы нижними стрелками. Эта часть модели соответствует орбитальной окружности на карте (см. рис. 19.28) и модели орбиты с четырьмя глобусами (см. рис. 19.24).

[править] Вероятная погрешность

Изучение числовых результатов, приведенных на рис. 19.26, показывает, что вероятная погрешность определения наблюдаемой скорости, имеющей значение от 10 до 11 км/с, составляет ±0,33 км/с при вероятной погрешности определения азимута ±2,5°. Вероятная погрешность определения прямых восхождений и склонений в полярных координатах (см. рис. 19.28) составляет ±0,5°.

[править] Полнопериодический эффект

Хотя внимание в этих экспериментах было сосредоточено на полупериодическом эффекте второго порядка, в них присутствует эффект первого порядка, сравнимый по величине. Теория эксперимента эфирного ветра, как она обычно дается, точна, но абстрактна, основана на допущении простейших условий работы аппаратуры, которых никогда не существует в реальном эксперименте. В действительности интерференционные линии зависят не только от скорости и направление эфирного ветра, но также и от геометрического расположения зеркал. Простая теория предполагает, что зеркала на концах двух плеч интерферометра перпендикулярны к лучам света; но это даст полосы бесконечно большой ширины, все поле зрения будет однообразно засвечено, критические условия не только не желательны, но и не применимы на практике. Чтобы создать серию прямых полос, пригодных для измерения смещений, как показано на рис. 19.7, необходимо, чтобы одно из концевых зеркал было повернуто вокруг вертикальной оси на очень малый угол так, чтобы две действительных интерферирующих плоскости пересеклись. Ширина полос и число полос в поле зрения прямо зависят от отклонения концевого зеркала. Угол отклонения света на зеркале, как это было в данных эксперимента, составил от 0° до ±4''. Позже проф. В. М. Хикс из Университетского колледжа (Шеффилд) детально обсудил теорию [5], используя методы не только строгие, но и общие, применяя их к некоторым приспособлениям в оптических путях аппаратуры. В теории Хикса показано, что когда имеются периодические изменения относительной фазы двух лучей света в интерферометре с зеркалами, приспособленными к реальной практике, вносится дополнительный эффект смещения полос, период которого составляет полный оборот инструмента. Амплитуда этого полнопериодического смещения зависит от ширины полос, использованных во время наблюдений и примерно равна амплитуде смещения полос под давлением эфирного ветра, когда в поле зрения имеется восемь полос; с обычной надежной установкой шести полос в поле зрения полнопериодическое смещение полос меньше, чем полупериодической эффект, как показано на рис. 19.21.

Рис. 19.30. Полнопериодический эффект: отношение смещения полос к их ширине

Полнопериодическое смещение, которое обычно наблюдается, присутствует во всех наблюдениях, включая первоначальные наблюдения Майкельсона и Морли. Хикс обратил внимание на этот факт и вычислил смещение полос. К несчастью, ни в каких наблюдениях, сделанных до сих пор, не проводилось числовое измерение ширины полос, определяемой углом отклонения зеркала, и поэтому невозможно использовать полнопериодический эффект для решения проблемы эфирного ветра. Однако приближенное число полос, видимых в поле зрения, чаще всего записывалось. Сравнение ширины полос с полнопериодическим эффектом показывает прямо пропорциональное отношение, как этого и требует теория Хикса; это отношение показано на рис. 19.30.

[править] Гипотеза увеличения эфира

Чтобы объяснить приведенные здесь результаты, кажется необходимым признать реальность модифицированного сокращения Лоренца-Фицжеральда или постулировать вязкость захватывающего эфира. В комментарии по предварительному отчету о настоящей работе, представленному Национальной академии наук в апреле 1925 г. д-р Л.3ильберштейн сказал:

«С точки зрения теории эфира здесь представлены результаты столь же хорошие, что и другие, предварительно открытые, легко объяснимые эфирной концепцией Стокса, модифицированной Планком и Лоренцем и обсужденной автором (Зильберштейном) в „Philosophical Magazine“[6]».

Теория Стокса может быть описана посредством следующего изречения, заимствованного из трактата «Эфир и материя» сэра Джозефа Лармора (стр. 10, 13, 35 и 36):

«Поскольку сэр Джордж Стокс не был расположен допустить, что эфир может свободно проходить сквозь промежутки материальных тел в соответствии со взглядом Френеля, и поскольку некоторые другие теории его движения, которые могут быть согласованы с фактами астрономической аберрации, требуют незавихренных течений, объяснение ограничения таких течений, как он полагает, найдено. Эту цепь аргументов — что аберрация требует возмущений, которые должны быть незавихренными, что движение тел возмущает эфир, что это может быть объяснено только рассеиванием возникающих вихревых возмущений с помощью поперечных волн, и далее, что излучение само вовлекает поперечное волновое движение, — он считает взаимно согласующейся и самоподдерживающейся и, далее, формирующей совершенно очевидную, в соответствии с этим взглядом, конституцию эфира… Затем возникает вопрос, насколько далеко распространяется это объяснение применительно к случаю, в котором эфир увлекается материей, движущейся сквозь него».

Существуют систематические различия в так называемой константе аберрации и в стандартном расположении звезд, определенные различными наблюдениями, которые могут быть объяснены гипотезой различного эфирного ветра вследствие различий в местном коэффициенте увлечения. Увлечение эфира на любой данной станции может зависеть более или менее от высоты, местного контура и возмущений большими массами, расположенными на поверхности Земли, такими, как горные хребты. Эксперименты по эфирному ветру никогда не проводились на уровне моря, а также нигде, это факт, исключая Маунт Вилсон, с достаточно полными точными измерениями эффекта. Теперь очевидно, что скорость ветра на Маунт Вилсон не сильно отличается от скорости ветра на Кливленде и что на уровне моря она будет, вероятно, той же. Уменьшение измеренной скорости 200 км/с или более до наблюдаемой 10 км/с может быть объяснено на основе теории сокращения Лоренца-Фицжеральда без привлечения представлений об увлечении эфира. Это сокращение может зависеть или не зависеть от физических свойств твердого тела и это может быть, а может и не быть точно пропорционально квадрату относительной скорости Земли и эфира. Очень небольшое отклонение сокращения от значения, вычисленного Лоренцем, должно объяснить наблюдаемый эффект. Сэр Оливер Лодж в автобиографии написал:

«Я еще упорно придерживаюсь идеи, что фицжеральдовское сокращение — реальность, которая должна быть учтена при рассмотрении физического устройства Вселенной» [7].

Поэтому необходимо обсудить, какие имеются возможности для уточнения теорий эфира, чтобы они были согласованы с фактом уменьшения наблюдаемой скорости абсолютного движения и со смещением азимута. Трудности, созданные этими аномалиями, конечно, не больше, чем подобные трудности, существующие во многих других областях экспериментальных исследований.

[править] Другие современные эксперименты по эфирному ветру

Поскольку сообщение об очевидности абсолютного движения Солнечной системы сделано в Канзас-Сити в 1925 г. были проведены некоторые другие эксперименты по обнаружению эфирного ветра интерферометром различными экспериментаторами в различных условиях, приведя к результатам, обычно рассматривающимся как отличные от выводов, сделанных в настоящей статье. Краткое изложение этих экспериментов будет сделано без детального анализа.

Д-р Рой Дж. Кеннеди из Пасадены применил интерферометр с оптическим устройством оригинальной конструкции, обеспечившим высокую чувствительность [8]. Длина оптического пути до оконечного зеркала, обозначенная D в формуле, данной ранее, составляла 200 см. Аппарат был запечатан в металлическую коробку, заполненную гелием. Заключение гласило, что скорость индицированного эфирного ветра должна быть менее 2,5 км/с; этот предел был позднее уменьшен Иллингвортом до 1 км/с.

Проф. А.Пиккар и Е.Стаэль из Брюсселя, полагая, что высота над поверхностью Земли может иметь влияние на скорость эфирного ветра, разместили интерферометр в аэростате, который подняли на высоту 2500 м [9]. Аэростат вращался вокруг вертикальной оси посредством пропеллера. Длина оптического пути интерферометра D = 280 см; он имел самозаписывающий прибор и термостат и был заключен в герметизированный металлический ящик. [Прим. сост. 7] Индицированная скорость могла составить 7 км/с, что было ограничено точностью интерферометра. Этот интерферометр был позже перенесен на вершину Риги в Швейцарии, на высоту 1800 м, где наблюдения показали верхний предел возможной скорости эфирного ветра 1,5 км/с [10].

Позже проф. Майкельсон, Ф. Г. Пис и Ф.Пирсон использовали интерферометр, смонтировав его в обсерватории Маунт Вилсон в Пасадене; длина оптического пути составляла 1616 см и позже была увеличена до 2592 см. Отсчеты делались по вертикальной оси интерферометра, наблюдатель помещался в комнате, расположенной над аппаратом. Результат не дал смещения больше, чем 1/50 того, которое ожидалось из предположения эффекта, вызванного движением Солнечной системы со скоростью 300 км/с [11].

Проф. Георг Джус, работающий в Йене, использовал интерферометр, смонтированный на кварцевой основе, подвешенной в вакуумированном металлическом (разрядка моя — В. А.) строении, и снабженный фотографической регистрацией. Интерферометр имел длину оптического пути D=2099 см. Результаты показали, что существующий эфирный ветер не мог превысить 1 км/с [12].

В трех экспериментах из четырех интерферометр был заключен в массивный металлический корпус, размещенный в подвальной комнате фундаментального здания ниже уровня земной поверхности; в эксперименте Пиккара и Стаэля была использована металлическая герметизированная камера, а в эксперименте Майкельсона, Писа и Пирсона интерферометр находился в камере с постоянной температурой, но не вакуумированной. При исследовании вопроса увлечения эфира наличие массивных непрозрачных экранов нежелательно. Эксперимент, рассчитанный на обнаружение очень малых влияний на скорость света со стороны проходящего сквозь него эфира, должен быть построен так, чтобы не существовало экранов между свободным эфиром и световым путем в интерферометре. Запланировано непосредственно изучить эту сторону проблемы.

Ни в одном из других экспериментов не было проведено наблюдений такой длительности и такой непрерывности, какие требуются для выявления суточных и сезонных изменений.

Поскольку интерферометр, использованный Кеннеди, более чувствителен, чем приборы обычного типа, то вызывает сомнение, что точность результатов, полученных с его помощью, выше тех, которые были получены при очень большом числе отсчетов, сделанных при всех температурных условиях и сезонах на интерферометрах обычного типа, обладающих много меньшей чувствительностью к возмущающим факторам.

Ограниченность метода прямого отсчета была осознана, но он был принят потому, что он прост и позволяет набрать большое число отсчетов в кратчайшее время. Можно поверить, что некоторый недостаток в точности каждого отдельного отсчета полностью компенсируется большим числом отсчетов и использованием интерферометра с длинным оптическим путем, и поэтому высокой изначальной чувствительностью. Интерферометр, использованный в описанных здесь экспериментах, имеет длину оптического пути D = 3203 см.

[править] Другие доказательства космического движения

Различные астрономические определения движения Солнечной системы в пространстве с помощью различных методов показали наличие относительного движения и дали некоторую косвенную информацию об абсолютном движении. Однако некоторые недавно проведенные важные эксперименты в различных областях с очевидностью указали на существование космического движения. Д-р Эсклагон, Директор Парижской обсерватории, провел детальное изучение земных течений — деформации земной коры и океанских течений. В последней работе он рассмотрел 166.500 результатов наблюдений, охватывающих период в 19 лет [13]. Имеется составляющая эффектов, связанных с приливами и отливами, которая указывает на движение Солнечной системы в плоскости, в которой находится меридиан звездного времени 4,5 ч и 16,5 ч.

При изучении отражения света Эсклагон установил с полной очевидностью то, что он назвал «оптической диссимметрией пространства», ось симметрии которой лежит в меридиане 8 и 20 ч звездного времени. Этот эффект можно было бы объяснить наличием эфирного ветра; эти результаты находятся в строгом соответствии с наблюдениями эфирного ветра, описанными здесь [14].

Множество недавних наблюдений космических лучей показало совершенно определенно максимум радиации в направлении, отмеченном меридианом в 5 и 17 ч звездного времени. Этот эффект показали весьма обширные наблюдения Кольхестера и фон Салиса, Бюттнера и Фельда, а также Стейнке [15]. Наблюдения, выполненные на немагнитном корабле «Карнеги» показали тот же эффект для наблюдений, выполненных между 30° северной и 30° южной широты [16].

Свидетельства галактического движения, которое относится более или менее к абсолютному движению Солнечной системы, найдены Харловом Шаплеем, изучающим межзвездную среду, Дж. С.Пласкеттом из изучения движений звезд В-типа и Г.Штрембергом из исследований звездных скоплений и туманностей [17].

Л.Курвуазье провел исследования некоторых типов открытых свидетельств абсолютного движения Земли. Его эксперименты относятся к области отражения света, деформации Земли, удлинению орбит спутников Юпитера и аберрационной константы. Р.Томашек и В.Шиффернихт выполнили наблюдения на ряде связанных друг с другом явлениях [18].

Имеются отдельные аномалии в астрономических наблюдениях менее определенного характера, которые, однако, могут быть объяснены наличием эфирного ветра. Такие аномалии имеются в наблюдениях констант аберрации, стандартного расположения звезд и коррекции часов, определенных в различное время суток.

Карл Г.Джански из Телефонной лаборатории Белла нашел свидетельства существования специфического шипящего звука в коротковолновом радиодиапазоне, который приходит с определенного космического направления, лежащего в меридиане 18 ч звездного времени [19].

[править] Благодарности

Представленные здесь эксперименты включали овладение громадным количеством материала для наблюдений, большая часть которого предназначалась для регулировки и подготовительной проверки условий работы: только небольшая часть, которая все же очень велика, использована в окончательных вычислениях. Уменьшение этой массы материала оказалось чрезвычайно трудным делом. Не удается припомнить каких-либо других экспериментов, которые включали бы такое количество деталей и такого продолжительного изучения. Это потребовало значительного внимания многих лиц. Автор особенно обязан проф. Дж. Дж. Нассау из отделения астрономии Кейсовской школы прикладной науки за очень большую помощь в проведении анализа и в математическом решении числовых и астрономических задач, возникших в работе с самого начала наблюдений на Маунт Вилсон в 1921 г. Д-р Г.Штремберг и другие члены персонала Обсерватории Маунт Вилсон помогли советами и консультацией высочайшей ценности. Некоторые помощники, каждый на значительный период, полностью отдавали себя работе, а также обработке наблюдений и вычислениям, среди них следующие должны быть названы персонально: Р. Ф. Ховей (1920—1923 гг.), Г. А. Притчард (1923 г.), Виллард Самуелсон (1924 г.), Г.Брукс Эрнест (1925 г.), Ф. В. Тэйлор (1925—1926 гг.), Дональд Х.Спикер (1926—1927 гг.) и Джеймс Р.Мак-Кинли (1932—1933 гг.). Д-р Р. М. Лагнер был наиболее действенным помощником во всех наблюдениях, выполненных на Маунт Вилсон в 1925 и в 1926 гг.; он подготовил принципиальный материал для окончания настоящего доклада. Проф. Филип М.Морзе очень эффективно помогал в первом анализе общей проблемы абсолютного движения Солнечной системы, он выполнил важную часть вычислений для первого решения проблемы в 1925—1926 гг. Коллеги автора по исследованиям — проф. Джон Р.Мартин (1927—1931 гг.) и м-р Роберт С.Шэнкланд (1932—1933 гг.) непосредственно участвовали в осмыслении проблемы, которое завершилось окончательным определением абсолютного движения Солнечной системы и орбитальным движением Земли так, как представлено в настоящей работе.

Кейсовская школа прикладной науки сделала возможным продолжительное изучение проблемы эфирного ветра. Вашингтонский институт Карнеги и обсерватория Маунт Вилсон создали исключительно благоприятные условия в Маунт Вилсон для проведения наблюдательных работ с 1921 по 1926 гг. М-р Экштейн Кейс обеспечил фонды для очень значительных расходов, которые были вызваны проведением серий экспериментов и испытаний.

[править] Список литературы

  1. J.J.Nassau, P.M.Morse // Astrophys.J. 1927. Vol.65. P.73.
  2. D.C.Miller. The Science of Musical Sounds. 1916. P.123; J.Frank.Inst. 1916. Vol. 181. P.51; 1916. Vol.182. P.283.
  3. D.C.Miller //Science. 1926. Vol.63. P.433.
  4. D.C.Miller //Astrophys. J. 1928; Vol.68. P.341; Contrib. Mt. Wilson Obs., 1928. № 373. P. 12.
  5. W.M.Hicks // Phil.Mag. 1902. Vol.3. № 6. 9. P.256,555.
  6. L.Silberstein // Phil.Mag. 1920. Vol.39. P.161.
  7. О.J.Lodge. Past Years. 1932. P.206.
  8. R.J.Kennedy // Proc. Nat. Acad. Sci. 1926. Vol. 12. P.621; Astrophys.J. 1928. Vol.68. P.367.
  9. A.Piccard, E.Stahel //Comptes Rendus. 1926. Vol.183. P.420; Naturwiss. 1928. B.16. S.935.
  10. A.Piccard, E.Stahel //Comptes Rendus. 1927. Vol.185. P.1198; Naturwiss. 1928. B.16. S.25.
  11. A.A.Michelson, F.G.Peas, F.Pirson // Nature. 1929. Vol.123. P.88; J.Opt. Soc. Am. 1929. Vol.18. P.181.
  12. G. Joos // Ann. d. Phys. 1930. Vol.7. № 5. P.385.
  13. E.Esclagon //Comptes Rendus. 1926. Vol.183. P.921; 1926. Vol.183. P.116.
  14. E.Esclagon // Comptes Rendus. 1927. Vol.185. P.1593.
  15. Kohlhorster, Steinke, Buttner// Zelts. f. Phys. 1928. B.50. S.808.
  16. Report Carnegie Inst. 1928. Vol.27. P.255.
  17. Harlow Shapley // Nature. 1928. Vol.122. P.482; J.S.Plaskett // Science. 1930. Vol.71. P.152; G.Stromberg // Astrophys.J. 1925. Vol.61. P.353.
  18. L.Courvoisier // Astronomische Nachrichten. Nos 5416, 5519, 5599, 5715, 5772, 5910; R.Tomaschek, W.Schaffernicht // Aitronomische Nachrichten, Nos. 5844, 5929; Ann. d.Physik. 1932. B.15. S.787.
  19. Karl G.Jansky // Electronics. 1933. Vol.6. P. 173.

[править] Примечания

  1. «Patience is a possession without which no one is likely to begin observation of this kind.» (прим. перев.)
  2. Модели частично перерисованы с целью улучшения качества картинки (прим. ред.)
  3. Обозначение ~\theta_{E-W} содержит сокращения E (от англ. East — Восток) и W (от англ. West — Запад) (прим. перев.).
  4. Предположительно, это влияние кориолисовой силы, воздействующей на поток эфира, вследствие его движения относительно атмосферы и вращения Земли. — В. А.
  5. Есть основание полагать, что Миллер ошибся в определении южного направления эфирного ветра, поскольку, как им правильно показано ранее, в выборе знака направления возможен произвол, данные же строении Земли указывают на то, что эфирный ветер обдувает Землю с севера — В. А.
  6. Причиной уменьшения относительной скорости эфира и Земли является вязкость эфира. В пограничном слое эфира, как и каждого реального газа, относительная скорость уменьшается по мере приближения к поверхности движущегося в газе тела. Наличие (земной атмосферы существенно увеличивает толщину пограничного слоя — В. А.
  7. Металлический ящик полностью заэкранировал интерферометр от эфирного ветра — это обрекло эксперимент на неудачу. — В. А.

Это окончание статьи. Начало см. Д.К.Миллер. Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли. Часть 1, 1933 г.

[править] См. также


Из сборника «Эфирный ветер». Сб. статей/Под ред. — В.А.Ацюковского. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 288 с. — ISBN 5-283-04990-6; М.: Энергоатомиздат, 2011. 419 с. ISBN 978-5-283-03319-8 - Скачать в формате PDF 33,8 Мб.

Эфирный ветер. ПредисловиеДж.К.Максвелл, 1877Дж.К.Максвелл, 1879А.Майкельсон, 1881А.А.Майкельсон, Э.В.Морли, 1887Э.В.Морли и Д.К.Миллер, Лорду Кельвину, 1904Э.В.Морли, Д.К.Миллер, 1905А.Эйнштейн об эфиреА.А.Майкельсон, 1925А.А.Майкельсон, Генри Г.Гель, при участии Ф.Пирсона, 1925Д.К.Миллер, 1925А.К.Тимирязев, 1926Д.К.Миллер, 1926А.К.Тимирязев, 1927Рой Дж. Кеннеди, 1926К. К. Иллингворт, 1927 • Конференция в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г. (Введение 1 2 3 4 5 6 7 8) • Е.Стаэль, 1926А.Пиккар, Е.Стаэль, 1927А.А.Майкельсон, Ф.Г.Пис и Ф.Пирсон, 1929Ф.Г.Пис, 1930 • Д.К.Миллер, 1933 (Часть 1 Часть 2) • Г.Йоос, Д.К.Миллер, 1934Дж.П.Седархольм и др., 1958Дж.П.Седархольм, Ч.Х.Таунс, 1959Ю.М.Галаев, 2011Е.И.Штырков, 2007В.А.Ацюковский. Эфирный ветер: проблема, ошибки, задачиПараметры эфира в околоземном пространстве

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Сборник «Эфирный ветер»
Инструменты