Досліди Ейхенвальда і Вільсона

Експериментальні основи теорії відносності

Валерій Петров

Основний постулат теорії відносності Ейнштейн виклав у такий спосіб:

... не тільки в механіки, але і в електродинаміки ніякі властивості явищ не відповідають поняття абсолютного спокою ... для всіх координатних систем, для яких справедливі рівняння механіки, справедливі ті ж електродинамічні і оптичні закони ... Це припущення (вміст якого в подальшому буде називатися «принципом відносності») ми маємо намір перетворити на передумову ...

Припустимо, наприклад, що на рухомим судні виконуються досліди з визначення швидкості звуку на відкритій палубі і в закритому приміщенні - каюті або трюмі судна. Закони механіки «справедливі» як в одному, так і в іншому випадку, однак у першому випадку - при виконанні дослідів на відкритій палубі - потрібно враховувати швидкість руху судна, тоді як в іншому - при виконанні дослідів в закритому приміщенні - Ні. Незалежність явищ, що відбуваються в деякій системі, від стану спокою системи або її рівномірного і прямолінійного руху і становить суть принципу відносності для явищ механіки, який Ньютон виклав у такий так:

Відносні руху один по відношенню до одного тіл, ув'язнених (підкреслено мною - В.П.) в будь-якому просторі, однакові, спочиває чи це простір, або рухається рівномірно і прямолінійно без обертання.

Таким чином, в механіці Ньютона принцип відносності виявляється вірним не для всіх координатних систем, що рухаються рівномірно і прямолінійно без обертання, але тільки для таких, в яких тіла виявляються «в'язнями» у цих системах.

Як підкреслював Галілей, при виконанні будь-яких спроб у закритій каюті рухається судна рух судна «громадськості» усіх предметів, також і повітрю (в каюті - В.П.):

... усамітнитися з ким-небудь з друзів в просторе приміщення під палубою корабля ... рух корабля загально усім, хто знаходиться на ньому предметів, також і повітрю (у приміщенні під палубою корабля - В.П.).

Припустимо, далі, що на відкритій палубі рухається судна встановлена якась ємність з рідиною. І в цьому випадку швидкість звуку в рідині також буде однаковою незалежно від швидкості руху судна, оскільки і в цьому випадку рух судна «Громадськості» і ємності, і, що знаходиться в ній рідини. Таким чином, явища механіки будуть однакові в тому випадку, коли стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху координатної системи, в якій описуються ці явища, і стан спокою або руху середовища, яке заповнює цю систему, будуть «Загальними». Щоб підкреслити цю обставину, введемо поняття «замкнутої фізичної системи », як такої системи, рух якої повністю передається середовищі, що заповнює цю систему. Тоді незалежність явищ механіки від стану руху такої системи, або принцип відносності, можна сформулювати наступним чином:

Явища механіки, що відбуваються в замкнутій системі координат, однакові, покоїться ця система або ж рухається рівномірно і прямолінійно без обертання.

Тепер, якщо ми хочемо поширити або узагальнити принцип відносності для явищ механіки також і на оптичні і електродинамічні явища, необхідно встановити, перш за все, можливість існування замкнутих систем щодо деякої середовища, яке заповнює світовий простір і «пронизує собою», як висловився Ейхенвальд, всі тіла, назвемо ми цю середу «фізичним вакуумом» або «Світлоносні ефіром», зрозуміло, якщо таке середовище взагалі існує і рух щодо цього середовища супроводжується якими-небудь явищами, відповідними швидкості такого руху. Відомо, що Ейнштейн виходив з припущення, що «Світлоносний ефір» взагалі не існує, тому питання про можливість існування замкнутих по відношенню до «світлоносного ефіру» систем у нього взагалі не виникало. Сучасна наука вважає, що «світлоносний ефір» і фізичний вакуум - два різні назви однієї і тієї ж реальної фізичної середовища. Разом з тим, загальновизнаним (що не обов'язково означає - правильним) є думка, що рух щодо цього середовища не супроводжується будь-якими оптичними або електродинамічними явищами. Подивимося, наскільки ця думка відповідає реальній фізичної дійсності.

У 1838. Фарадей припустив, «... що якщо підвісити заряджений шар і змусити його рухатися в певному напрямку, то ефект буде дорівнює тому, як якби ми порушили струм в напрямку руху кулі »[1]. Отже, електричний струм являє собою потік електричних зарядів, що рухаються в одному напрямі. Як випливає з електромагнітної теорії Максвелла, що рухаються електричні заряди породжують їх в навколишньому просторі магнітне поле. Виникає, однак, питання, що таке заряд рухомий і нерухомий? Щодо чого слід вимірювати швидкість руху заряду? Припустимо, деяку кількість електричних зарядів рухається разом з Землею. Чи буде в цьому випадку рух зарядів супроводжуватися виникненням магнітного поля? Вирішення цього питання запропонував Герц. «Герц виходив з того, що ефір повністю захоплюється тілами ... За Герцу, на електромагнітних явища не позначається не тільки рух Землі по орбіті, але і її добове обертання ... Досліди Роуланд, Рентгена, Ейхенвальда, Вільсона ... вказують на ... слабке місце теорії Герца -- мовчазно допускається повне захоплення ... ефір повинен рухатися з тією ж швидкістю, що й тіла, повинен повністю захоплюватися як всередині, так і поза тіл » [2].

У 1876р., як про це пише Л. І. Мандельштам, «... Роуланд взяв два позолочених скляних диска, між якими обертався обклеєний золотою фольгою ебонітовий диск (рис.1). Обкладки на диску заряджалися, скажімо, позитивно, а обкладки на склі заземляється. Астатичними магнітна стрілка була підвішена над верхньою скляною кришкою, і при обертанні ебонітового диска спостерігалося відхилення цієї стрілки ...»

Рис. 1. Схема досвіду Роуланд

«Кілька років по тому (1888г.) Рентген провів інший досвід - з поляризованим діелектриком. Тим різнойменної зарядженими обкладками обертався диск з незарядженого ізолятора (рис.2). Відхилення стрілок магнітометри показувало, що і в цьому випадку виникає струм ... Рентген домагався високої чутливості пристрою ... Однак він не зміг отримати необхідної точності. Кількісні результати були досягнуті Ейхенвальдом у 1904р. »[1]. Як показали досліди Ейхенвальда з обертовими дисками, величина струму, що створює магнітне поле, відповідає формулі Герца.

Згідно загальноприйнятої точці зору, «... внутрішні сторони скляних дисків і обидві боку ебонітового диска ... являють собою обкладання конденсатора. У дослідах Роуланд і Ейхенвальда один диск зарядженого конденсатора рухався щодо іншого, нерухомого диска, або заряди обох дисків рухалися щодо середовища, що знаходиться між дисками. У дослідах з обертовим діелектриком поверхневі заряди діелектрика рухалися щодо нерухомих зарядів на дисках конденсатора. При обертанні дисків конденсатора разом з поміщеним між ними діелектриком відносного переміщення зарядів не було, однак і в цьому випадку виникало магнітне поле ». [3].

Припустимо, що диски конденсатора обертаються разом з поміщеним між ними діелектриком. У цьому випадку відносного переміщення зарядів немає - має місце переміщення зарядів щодо середовища між дисками. Величина струму відповідає формулі Герца. Середовищем між дисками в дослідах Ейхенвальда є повітря, проте досліди Ейхенвальда неважко повторити у вакуумній камері. У цьому випадку середовищем між дисками виявиться чистий вакуум або ефір. Тоді причиною виникнення магнітного поля слід вважати рух зарядів щодо ефіру, що знаходиться між дисками. Той факт, що величина магнітного поля виявляється пропорційною швидкості обертання дисків, означає, що зовнішній по відношенню до рухаються дискам ефір зовсім не захоплюється їх рухом.

Припустимо, далі, що обертається тільки диск з діелектрика. Відомо, що заряди на діелектрику не можуть переміщатися щодо його поверхні і при обертанні діелектрика будуть обертатися разом з ним з тією ж швидкістю і в тому ж напрямку, що і діелектрик. Заряди на металевому диску, на відміну від зарядів на діелектрику, можуть переміщатися щодо його поверхні. Будучи пов'язані з зарядами на діелектрику загальним для них електричним полем, заряди на поверхні металевого диска будуть обертатися в ту ж сторону і з тією ж швидкістю, що й заряди на поверхні діелектрика. Відносного переміщення зарядів немає і в даному випадку, має місце переміщення зарядів щодо середовища між дисками.

Припустимо, нарешті, що обертається тільки металевий диск. Так як диск з діелектрика нерухомий, нерухомі і заряди на його поверхні. Заряди на поверхні металевого диска, пов'язані з зарядами на поверхні діелектрика загальним для них електричним полем, також залишаються нерухомими - немає не тільки відносного переміщення зарядів, а й руху зарядів щодо середовища між дисками. Тим не менше, і в цьому випадку виникає магнітне поле, величина якого знову-таки відповідає формулі Герца. При обертанні тільки диска з діелектрика або одночасному обертанні металевих дисків і диска з діелектрика можна припустити, що причиною появи магнітного поля в цих випадках є обертання електричних зарядів щодо магнітної стрілки. Однак при нерухомому диску з діелектрика немає не тільки відносного руху зарядів або їх руху щодо середовища між дисками, а й руху зарядів щодо магнітної стрілки. Що ж є причиною виникнення магнітного поля в цьому випадку? Припустимо, що ефір не тільки оточує тіла, а й міститься всередині них. Тоді виникнення магнітного поля при нерухомому діелектрику можна пояснити рухом зарядів щодо ефіру, укладеного усередині обертового металевого диска. Той факт, що величина магнітного поля і в цьому випадку пропорційна швидкості обертання металевого диска, означає, що ефір всередині рухомих тел повністю захоплюється їх рухом. Відповідність результатів дослідів Ейхенвальда з обертовими дисками формулою Герца означає, що теорія Герца вимагає повного захоплення ефіру всередині рухомих тіл і повного його не інтереси поза рухомих тел.

Таким чином, єдиною причиною виникнення магнітного поля в дослідах Роуланд, Рентгена, Ейхенвальда є рух електричних зарядів щодо ефіру - при обертається диск з діелектрика має місце рух зарядів щодо ефіру, що знаходиться між дисками, при нерухомому диску з діелектрика - рух зарядів щодо ефіру, укладеного всередині металевого диска. Досліди Роуланд, Рентгена, Ейхенвальда доводять, що зовнішній по відношенню до рухомих тіл ефір зовсім не захоплюється їх рухом. Це надає можливість виявити «ефірний вітер», обумовлений орбітальним рухом Землі, за допомогою дослідів, аналогічних дослідів Роуланд, Рентгена, Ейхенвальда. Відомо, що в одній із серії дослідів Ейхенвальд замінив обертальний рух діелектрика зворотно-поступальним. Схема дослідів Ейхенвальда зображена на рис.3.

Рис. 3. Схема досвіду Ейхенвальда

Діелектрик містився між двома пластинами і міг рухатися зворотно-поступально. У відміну від дослідів з обертовими дисками, прилад можна встановити так, що напрям зворотно-поступального руху діелектрика виявиться паралельним напряму орбітального руху Землі. Тоді величина магнітного поля, обумовленого рухом діелектрика щодо ефіру, має бути пропорційною величиною

v1 = vо + поки або v2 = vо - ще

залежно від напрямку руху діелектрика (тут vо - швидкість орбітального руху Землі, поки - швидкість зворотно-поступального руху діелектрика).

Ейхенвальд встановив, що величина магнітного поля в дослідах зі зворотно-поступальним рухом діелектрика відповідає формулі:        

i = |