Hipoteza przeciągania eteru - Aether drag hypothesis

W XIX wieku szeroko dyskutowano o teorii świecącego eteru jako hipotetycznego ośrodka propagacji fal świetlnych. Hipoteza eteru powstała, ponieważ fizycy tamtej epoki nie mogli wyobrazić sobie rozchodzenia się fal świetlnych bez fizycznego ośrodka, w którym mogliby to zrobić. Kiedy eksperymenty nie wykryły hipotetycznego, świetlistego eteru, fizycy wymyślili wyjaśnienia, które zachowały istnienie hipotetycznego eteru, dla niepowodzenia eksperymentów w jego wykryciu.

Eter przeciągnij hipoteza zaproponował, że eter jest przeciągany przez lub porywane ciągu porusza sprawa. Według jednej wersji tej hipotezy nie istnieje względny ruch między Ziemią a eterem. Według innej wersji Ziemia rzeczywiście porusza się względem eteru, a mierzona prędkość światła powinna zależeć od prędkości tego ruchu („wiatr eteru”), która powinna być mierzalna przez instrumenty spoczywające na powierzchni Ziemi. W 1818 roku Augustin-Jean Fresnel zaproponował, że eter jest częściowo porywany przez materię. W 1845 roku George Stokes zaproponował, że eter jest całkowicie porywany w materii lub w jej pobliżu.

Chociaż prawie stacjonarna teoria Fresnela została najwyraźniej potwierdzona przez eksperyment Fizeau (1851), teoria Stokesa została najwyraźniej potwierdzona przez eksperyment Michelsona-Morleya (1881, 1887). Hendrik Lorentz rozwiązał tę sprzeczną sytuację w swojej własnej teorii eteru , która zakazywała wszelkich form ciągnięcia eteru. Wreszcie, Albert Einstein „s szczególna teoria względności (1905) wyklucza Aether jako medium mechanicznej.

Częściowe przeciąganie eteru

W 1810 roku François Arago zdał sobie sprawę, że zmiany współczynnika załamania światła substancji przewidywane przez teorię korpuskularną zapewnią użyteczną metodę pomiaru prędkości światła. Przewidywania te powstały, ponieważ współczynnik załamania światła substancji takiej jak szkło zależy od stosunku prędkości światła w powietrzu i w szkle. Arago próbował zmierzyć stopień załamania cząstek światła przez szklany pryzmat z przodu teleskopu. Spodziewał się, że ze względu na różne prędkości gwiazd i ruchy Ziemi w różnych porach dnia i roku, będzie istniał szereg różnych kątów załamania światła. Wbrew temu oczekiwaniu odkrył, że nie ma różnicy w załamaniu między gwiazdami, między porami dnia czy między porami roku. Wszystko, co zaobserwował Arago, to zwykła aberracja gwiazdowa .

W 1818 roku Augustin-Jean Fresnel zbadał wyniki Arago za pomocą falowej teorii światła. Zdał sobie sprawę, że nawet gdyby światło było transmitowane jako fale, współczynnik załamania światła na granicy szkło-powietrze powinien się zmieniać, gdy szkło poruszało się w eterze, aby uderzać nadchodzące fale z różnymi prędkościami, gdy Ziemia obracała się i zmieniały się pory roku. Fresnel zaproponował, aby szklany pryzmat niósł ze sobą trochę eteru, tak że „..eter jest w nadmiarze wewnątrz pryzmatu”. Zdał sobie sprawę, że prędkość propagacji fal zależy od gęstości ośrodka, więc zaproponował, że prędkość światła w pryzmacie musiałaby być regulowana o wielkość „przeciągania”. Prędkość światła w szkle bez regulacji wyraża się wzorem: ${\displaystyle v_{n}}$

${\ Displaystyle V_ {n} = {\ Frac {c} {n}}}$

Regulacja oporu jest określona przez: ${\displaystyle v_{d}}$

${\ Displaystyle v_ {d} = v \ lewo (1-{\ Frac {\ rho _ {e}} {\ rho _ {g}}} \ prawej)}$

Gdzie jest gęstość eteru w środowisku, jest gęstością eteru w szkle i jest prędkością pryzmatu względem eteru. ${\ Displaystyle \ rho _ {e}}$${\ Displaystyle \ rho _ {g}}$${\displaystyle v}$

Współczynnik można zapisać jako, ponieważ współczynnik załamania, n, byłby zależny od gęstości eteru. Jest to znane jako współczynnik oporu Fresnela . Prędkość światła w szkle jest wtedy dana wzorem: ${\ Displaystyle \ lewo (1-{\ Frac {\ rho _ {e}} {\ rho _ {g}}} \ po prawej)}$${\ Displaystyle \ lewo (1-{\ Frac {1} {n ^ {2}}} \ po prawej)}$

${\ Displaystyle V = {\ Frac {c} {n}} + v \ lewo (1-{\ Frac {1} {n ^ {2}}} \ prawej)}$

Ta poprawka skutecznie wyjaśniła zerowy wynik eksperymentu Arago. Wprowadza koncepcję eteru w dużej mierze nieruchomego, który jest ciągnięty przez substancje takie jak szkło, ale nie przez powietrze. Jego sukces faworyzował falową teorię światła nad poprzednią teorią korpuskularną.

Problemy z częściowym przeciąganiem eteru

Współczynnik wleczenia Fresnela został bezpośrednio potwierdzony eksperymentem Fizeau i jego powtórzeniami. Ogólnie rzecz biorąc, za pomocą tego współczynnika można wyjaśnić negatywny wynik wszystkich eksperymentów dryfu optycznego eteru wystarczająco czułych do wykrycia efektów pierwszego rzędu (takich jak eksperymenty Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart ). Pojęcie (prawie) nieruchomego eteru jest również zgodne z aberracją gwiazdową . Jednak ta teoria jest uważana za obaloną z następujących powodów:

• Już w XIX wieku wiedziano, że częściowe przeciąganie eteru wymaga, aby prędkość względna eteru i materii była różna dla światła o różnych barwach – co ewidentnie nie jest prawdą.
• Teoria Fresnela (prawie) nieruchomego eteru przewiduje pozytywne wyniki eksperymentów, które są wystarczająco czułe, aby wykryć efekty drugiego rzędu. Jednak eksperymenty, takie jak eksperyment Michelsona-Morleya i eksperyment Troutona-Noble'a , dały negatywne wyniki w granicach ich błędu i dlatego są uważane za obalanie eteru Fresnela.
• W eksperymencie Hammar , przeprowadzonym przez Gustafa Wilhelma Hammara w 1935 r., zastosowano interferometr wspólnej drogi . Po obu stronach tylko jednej nogi interferometru zainstalowano masywne bloki ołowiane. Taki układ powinien powodować różne wielkości oporu eteru, a zatem dawać pozytywny wynik. Jednak wynik był ponownie negatywny.

Całkowite przeciąganie eteru

Dla George'a Stokesa (1845) model eteru, który jest całkowicie nienaruszony lub tylko częściowo dotknięty przez ruchomą materię, był nienaturalny i nieprzekonujący, założył więc, że eter jest całkowicie wleczony w materię i w jej pobliżu, częściowo wleczony na większe odległości, i odpoczywa w wolnej przestrzeni. Również Heinrich Rudolf Hertz (1890) włączył kompletny model przeciągania eteru do swojego opracowania teorii elektromagnetyzmu Maxwella, aby dostosować go do zasady względności Galileusza . Oznacza to, że jeśli założymy, że eter znajduje się w spoczynku w materii w jednym układzie odniesienia, transformacja Galileusza daje wynik, że materia i (uwięziony) eter podróżują z tą samą prędkością w innym układzie odniesienia.

Problemy z całkowitym przeciąganiem eteru

Maszyna eteru Lodge'a. Światło z czułego interferometru o wspólnej ścieżce było kierowane między szybko obracającymi się dyskami.

Całkowite przeciąganie eteru może wyjaśnić negatywny wynik wszystkich eksperymentów z dryfem eteru (takich jak eksperyment Michelsona-Morleya). Jednak ta teoria jest uważana za błędną z następujących powodów:

• Eksperyment Fizeau (1851) wykazuje tylko częściowe porywania światła.
• Efekt Sagnaca pokazuje, że dwa promienie światła, emanujące z tego samego źródła światła w różnych kierunkach na obrotowej platformie, wymagają różnych czasów powrotu do źródła światła. Jeśli jednak eter zostanie całkowicie przeciągnięty przez platformę, efekt ten w ogóle nie powinien wystąpić.
• Oliver Lodge przeprowadził eksperymenty w latach 90. XIX wieku, szukając dowodów na to, że na propagację światła ma wpływ przebywanie w pobliżu dużych wirujących mas, i nie znalazł takiego wpływu.

Całkowite przeciąganie eteru jest niezgodne ze zjawiskiem aberracji gwiazdowej. Na tej ilustracji wyobraź sobie, że gwiazdy są nieskończenie odległe. Aberracja występuje, gdy prędkość obserwatora ma składową prostopadłą do linii, którą pokonuje światło przychodzące od gwiazdy. Jak widać na animacji po lewej, teleskop musi zostać przechylony, zanim gwiazda pojawi się w środku okularu. Jak widać na animacji po prawej, jeśli eter jest przeciągany w pobliżu Ziemi, teleskop musi być skierowany bezpośrednio na gwiazdę, aby gwiazda pojawiła się w środku okularu.

• Jest to niezgodne ze zjawiskiem aberracji gwiazdowej . W przypadku aberracji gwiazdowej pozycja gwiazdy oglądanej przez teleskop zmienia się z każdej strony pozycji centralnej o około 20,5 sekundy łuku co sześć miesięcy. Ta wielkość wahań jest wielkością oczekiwaną, biorąc pod uwagę prędkość poruszania się Ziemi po orbicie. W 1871 Airy wykazał, że aberracja gwiazd występuje nawet wtedy, gdy teleskop jest wypełniony wodą. Wydaje się, że gdyby hipoteza ciągnącego się eteru była prawdziwa, aberracja gwiazdowa nie wystąpiłaby, ponieważ światło poruszałoby się w eterze, który poruszałby się wraz z teleskopem. Pomyśl o wiadrze w pociągu, który ma wjechać do tunelu, a kropla wody kapie z wejścia do tunelu do wiadra na samym środku. Kropla nie uderzy w środek na dnie wiadra. Wiadro jest analogiczne do tuby teleskopu, kropla to foton, a pociąg to ziemia. Jeśli eter zostanie przeciągnięty, kropla będzie jechała razem z pociągiem po upuszczeniu i uderzyłaby w środek wiadra na dole. Wielkość aberracji gwiazdowej , , dana jest wzorem:${\ Displaystyle \ alfa}$

${\ Displaystyle \ tan (\ alfa) = {\ Frac {v \ delta t} {c \ delta t}}.}$ Więc: ${\ Displaystyle \ tan (\ alfa) = {\ Frac {v} {c}}}$

Prędkość z jaką Ziemia okrąża Słońce v = 30 km/s, a prędkość światła c = 299 792 458 m/s co daje = 20,5 sekundy łuku co sześć miesięcy. Obserwowana jest ta wielkość aberracji, co jest sprzeczne z hipotezą całkowitego oporu eteru.${\ Displaystyle \ alfa}$

Odpowiedzi Stokesa na te problemy

Stokes już w 1845 r. wprowadził pewne dodatkowe założenia, aby dostosować swoją teorię do wyników eksperymentalnych. Aby wyjaśnić aberrację, przyjął, że jego nieściśliwy eter jest również irrotacyjny, co w połączeniu z jego specyficznym modelem oporu eteru daje prawidłowe prawo aberracji. Aby odtworzyć współczynnik wleczenia Fresnela (a tym samym wyjaśnić eksperyment Fizeau), argumentował, że eter jest całkowicie wleczony w medium – tj . eter ulega skondensowaniu, gdy wchodzi do medium i rozrzedza się, gdy ponownie je opuszcza, co modyfikuje prędkość eter jak i światło i prowadzi do tego samego wyrażenia co Fresnela.

Mimo że teoria aberracji Stokesa była przez pewien czas uznawana za wykonalną, musiała zostać porzucona, ponieważ Lorentz argumentował w 1886 roku, że kiedy eter jest nieściśliwy, jak w teorii Stokesa, i jeśli eter ma taki sam składowy normalny prędkości jak Ziemia nie miałaby tej samej składowej stycznej prędkości, więc wszystkie warunki postawione przez Stokesa nie mogą być spełnione w tym samym czasie.

Grawitacyjne przeciąganie eteru

Inną wersję modelu Stokesa zaproponowali Theodor des Coudres i Wilhelm Wien (1900). Założyli, że wleczenie eteru jest proporcjonalne do masy grawitacyjnej. Oznacza to, że eter jest całkowicie ciągnięty przez Ziemię, a tylko częściowo przez mniejsze obiekty na Ziemi. Aby ocalić wyjaśnienie aberracji przez Stokesa, Max Planck (1899) argumentował w liście do Lorentza, że ​​eter może nie być nieściśliwy, ale skondensowany przez grawitację w pobliżu ziemi, co dałoby warunki potrzebne do teorii Stokesa. („Teoria Stokesa-Plancka”). W porównaniu z powyższymi eksperymentami, model ten może wyjaśnić pozytywne wyniki eksperymentów Fizeau i Sagnaca, ponieważ niewielka masa tych instrumentów może tylko częściowo (lub wcale) wciągnąć eter, iz tego samego powodu wyjaśnia negatywny wynik eksperymentów Lodge'a. Jest również zgodny z eksperymentem Hammara i Michelsona-Morleya, ponieważ eter jest całkowicie ciągnięty przez dużą masę Ziemi.

Jednak teoria ta została bezpośrednio obalona przez eksperyment Michelsona-Gale-Pearsona (1925). Wielką różnicą tego eksperymentu w porównaniu ze zwykłymi eksperymentami Sagnaca jest fakt, że zmierzono obrót samej Ziemi. Jeśli eter jest całkowicie ciągnięty przez pole grawitacyjne Ziemi, należy się spodziewać wyniku negatywnego - ale wynik był pozytywny.

A od strony teoretycznej Hendrik Antoon Lorentz zauważył , że hipoteza Stokesa-Plancka wymaga, aby na prędkość światła nie wpływał 50-tysięczny wzrost gęstości eteru. Tak więc sam Lorentz i Planck odrzucili tę hipotezę jako nieprawdopodobną.

Lorentz i Einstein

Ponieważ Lorentz został zmuszony do porzucenia hipotezy Stokesa, jako punkt wyjścia wybrał model Fresnela. Udało mu się odtworzyć współczynnik przeciągania Fresnela w 1892 roku, choć w teorii Lorentza reprezentuje on modyfikację propagacji fal świetlnych, a nie wynik porywania eteru. Dlatego eter Lorentza jest całkowicie nieruchomy lub nieruchomy. Prowadzi to jednak do tego samego problemu, który dotknął już model Fresnela: stał w sprzeczności z eksperymentem Michelsona-Morleya. Dlatego George Francis FitzGerald (1889) i Lorentz (1892) wprowadzili skrócenie długości , to znaczy wszystkie ciała kurczą się w linii ruchu o współczynnik . Ponadto w teorii Lorentza transformacja Galileusza została zastąpiona transformacją Lorentza . ${\ Displaystyle {\ sqrt {1-v ^ {2}/c ^ {2}}}}$

Jednak nagromadzenie hipotez ratujących koncepcję stacjonarnego eteru uznano za bardzo sztuczne. Tak więc Albert Einstein (1905) uznał, że do rozwinięcia szczególnej teorii względności i wyprowadzenia teorii względności wymagane jest jedynie przyjęcie zasady względności i stałości prędkości światła we wszystkich inercjalnych układach odniesienia. pełna transformacja Lorentza. Wszystko to zostało wykonane bez użycia koncepcji stacjonarnego eteru.

Jak pokazał Max von Laue (1907), szczególna teoria względności przewiduje wynik eksperymentu Fizeau na podstawie twierdzenia o dodawaniu prędkości bez potrzeby użycia eteru. Jeśli jest prędkością światła względem aparatu Fizeau i jest prędkością światła względem wody i jest prędkością wody: ${\ Displaystyle V}$${\ Displaystyle U}$${\displaystyle v}$

${\ Displaystyle U = {\ Frac {c} {n}}}$

${\ Displaystyle V = {\ Frac {c/n+v}{1+v/nc}}}$

które, jeśli v/c jest małe, można rozszerzyć za pomocą rozwinięcia dwumianowego do postaci:

${\ Displaystyle V \ około {\ Frac {c} {n}} + v \ lewo (1-{\ Frac {1} {n ^ {2}}} \ prawej)}$

Jest to identyczne z równaniem Fresnela .

Hipoteza eteru Allais

Maurice Allais zaproponowany w 1959 roku o eterze hipotezę udziałem prędkość wiatru wynosi około 8 km / s, znacznie niższe niż standardowe wartości 30 km / s obsługiwane przez naukowców z XIX wieku i jest kompatybilny z Michelsona-Morleya i Dayton Miller eksperymentów , a także jego własne eksperymenty dotyczące kontrowersyjnego efektu Allais, nieprzewidywalnego przez ogólną teorię względności. Pomimo opowiadania się za potrzebą innej teorii grawitacji , jego hipoteza nie zyskała znaczącej popularności wśród naukowców głównego nurtu.

Streszczenie

We współczesnej fizyce (opartej na teorii względności i mechanice kwantowej ) eter jako „substancja materialna” w „stanie ruchu” nie odgrywa już żadnej roli. Tak więc pytania dotyczące możliwego „przeciągania eteru” nie są już uważane za sensowne przez społeczność naukową. Jednak przeciąganie klatek zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności , w którym obracające się masy zniekształcają metrykę czasoprzestrzeni , powodując precesję orbit pobliskich cząstek, istnieje. Ale ten efekt jest o rząd wielkości słabszy niż jakikolwiek „przeciąganie eteru” omówione w tym artykule.

Zobacz też

• Historia szczególnej teorii względności
• Testy szczególnej teorii względności
• Testy ogólnej teorii względności
• Przeciąganie ramek

Bibliografia i odniesienia

• Wikibooki: Szczególna Teoria Względności
• Resnick, Robert, Podstawowe pojęcia w teorii względności i wczesnej teorii kwantowej , 1972, John Wiley and Sons Inc.

Zewnętrzne linki

• Mathpages: błąd Stokesa