¹) A.A. Michelson, W. Morley, American Journal Of Science, 34, 333 (1887).

¹) Т.S. Jasеja, A. Javan, J. Murray, С. Н. Townes, Physical Review, 133, А1221 (1964).

²) R. J. Kennedy, E. M. Thorndike, Physical Review, 42, 400 (1932).

Эксперимент Кеннеди и Торндайка: скорость света имеет одну и ту же численную величину во всех инерциальных системах отсчёта

Подобно Майкельсону и Морли, Кеннеди и Торндайк использовали в качестве движущейся системы отсчёта Землю. Они пытались обнаружить хоть какое-нибудь изменение величины скорости распространения света по замкнутому пути, когда Земля в разное время года двигалась в различных направлениях вокруг Солнца. Их результат был отрицательным, и из степени его точности можно заключить, что нет никакого изменения величины скорости света, по крайней мере большего 2 м/сек, когда свет распространяется по замкнутому пути в двух системах отсчёта, движущихся с относительной скоростью 60 км/сек (удвоенная скорость движения Земли по орбите; см. упражнение 34). В эксперименте Кеннеди — Торндайка эталоном длины было плечо самого интерферометра — цельный кусок плавленого кварца, находящегося в вакууме при температуре, постоянной с точностью около одной тысячной градуса. В качестве эталона времени был взят собственный период колебаний, связанный с зелёной линией в спектре атома ртути. Единственной и важнейшей трудностью в этом эксперименте, проводившемся в Пасадене (Калифорния), было поддержание постоянных условий в течение ряда месяцев, тогда как в опыте Майкельсона — Морли в Кливленде (Огайо) каждая серия сравнений (в разных направлениях) могла проводиться за один день. В этом же состояло и различие между обоими экспериментами. Их результаты сопоставлены в табл. 4 на следующей странице.

Таблица 4. 

Современные критерии для решения вопроса: «Различна ли скорость света на замкнутом пути в разных системах отсчёта?»

ДВЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЁТА

Первая система отсчёта

Земля при её движении в одном направлении относительно Солнца, например в январе

Вторая система отсчёта

Земля при её движении в противоположном направлении (по отношению к неподвижным звёздам) в июле

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ

Результаты опыта Майкельсона — Морли

Первоначальный вариант

Ни в какой системе отсчёта наблюдатели (может быть

один и тот же

наблюдатель на Земле, повторяющий свой опыт спустя 6 месяцев) не могут заметить разницы в скорости света на замкнутом пути в любых двух взаимно перпендикулярных направлениях, большей чем

¹

/

₆

скорости движения Земли по орбите

Модернизированный вариант

Ни в какой системе отсчёта наблюдатели не могут заметить разницы в скорости света на замкнутом пути в любых двух взаимно перпендикулярных направлениях, большей чем 3% скорости движения Земли по орбите

Результаты эксперимента Кеннеди — Торндайка

Скорость света на замкнутом пути одинакова в любой из определённых выше «сезонных» систем отсчёта с точностью приблизительно до 2

м/сек

ИСТОЛКОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ФАКТОВ

Модернизированный вариант опыта Майкельсона — Морли

Скорость Земли по ее орбите вокруг Солнца равна

30

км/сек

= 1/10 000 скорости света

Тогда

разница

в величине скорости света на замкнутом пути,

измеренной в двух взаимно перпендикулярных направлениях,

меньше 3/100 от 1/10 000 скорости света,

т.е. меньше 3/1 000 000 скорости света.

Итак,

принцип относительности

подтверждается этим модернизированным вариантом опыта с точностью

3 : 1 000 000

Эксперимент Кеннеди — Торндайка

Разница

в величине скорости света на замкнутом пути, измеренной в двух системах отсчета,

меньше приблизительно 2

м/сек

,

т.е. меньше 1/100 000 000 скорости света

Итак,

принцип относительности

подтверждается этим экспериментом с точностью

1 : 100 000 000

Хотя ни один из этих экспериментов не обладал чувствительностью экспериментов Этвёша и Дикке (3 : 10¹¹), их результаты тем не менее изумительно точно подтвердили принцип относительности. К тому же планируется повысить чувствительность эксперимента Кеннеди—Торндайка¹). Такое повышение чувствительности очень важно. Ведь принятие метра в качестве единицы времени имеет смысл, лишь если свет проходит один метр длины за одно и то же время во всех системах отсчёта. Равенство скорости света в системе отсчёта ракеты и в лабораторной системе допускает простой способ сравнения часов в этих системах (разд. 5). Возможность такого сравнения решающим образом зависит от отрицательного результата эксперимента Кеннеди — Торндайка.

¹) Т.S. Jasеja, A. Javan, J. Murray, С. Н. Townes, Physical Review, 133, А1221 (1964). Подробный анализ экспериментальных оснований частной теории относительности см. в статье Робертсона «Сравнение постулатов и наблюдений в частной теории относительности», Н. P. Robertson, Reviews of Modern Physics, 21, 378 (1949).

Структура пространства-времени приводит к тому, что Станфордский ускоритель стоит 300 миллионов долларов

В 1905 г. принцип относительности был явной ересью, открытым вызовом интуиции и восприятию природы в рамках «здравого смысла», свойственных большинству тогдашних физиков. Потребовались долгие годы, чтобы привыкнуть к нелепой на первый взгляд мысли о том, что некоторая конкретная скорость обладает одной и той же величиной, в какой бы из двух перекрывающихся и движущихся относительно друг друга инерциальных систем отсчёта её ни измеряли. Теперь принцип относительности применяется ежедневно во множестве областей физики, и там он непрерывно и строго проверяется. Например, Станфордский линейный ускоритель электронов (приблизительная стоимость 300 миллионов долларов) должен иметь длину в 2 мили для того, чтобы разгонять электроны до скорости, почти равной скорости света (разница в скоростях всего лишь 8 : 10¹¹). Если бы были справедливы доэйнштейновские, ньютоновские законы механики, то для такого ускорения было бы достаточно» длины менее чем в один дюйм (см. упражнение 55)!

4. КООРДИНАТЫ СОБЫТИЯ

Почему мы используем координаты?

Для студента-физика инерциальная система отсчёта представляет собой то же, что сетка линий с севера на юг и с востока на запад на местности для землемера. Землемер изучает положение объектов в пространстве. Студент-физик изучает положение событий в пространстве и во времени. Дневной и ночной землемеры могли отказаться от использования координат в направлениях север — юг и восток — запад и попросту измерять расстояния между каждыми двумя городскими воротами, хотя сначала они даже не подозревали о существовании такой величины, как расстояние. Подобным же образом мы могли бы в этой главе ограничиться при определении положений событий в пространстве-времени измерением интервалов между любыми двумя событиями, не рассматривая по отдельности «пространственных» и «временной» координат ²). Однако следует начать с положения физики до 1905 г., совершенно не опираясь на понятие интервала. Это понятие само привлечёт наше внимание подобно тому, как понятие расстояния привлекла к себе внимание землемера. Так, два человека измеряли координаты в направлениях север — юг и восток — запад в двух разных системах координат, и лишь позднее они заметили взаимосвязь между совсем разными числами в своих записях («инвариантность расстояния»). Мы начнём подобным же образом с пространственных и временных координат событий в лабораторной системе отсчёта и с пространственных и временных координат тех же событий в системе отсчёта ракеты. И тогда у нас будут солидные основания для вывода о тождественном равенстве друг другу интервала между двумя событиями, вычисленного из лабораторных координат, и интервала между теми же двумя событиями, вычисленного из совсем других чисел — значений координат, полученных при измерениях в системе отсчёта ракеты («инвариантность интервала»).