Теория относительности

К силам инерции относятся, в частности, так называемые центробежные силы и силы Кориолиса.

Пример 1. Определим силу F, стремящуюся растянуть, а потом и разорвать круговой обруч радиуса R массы M, равномерно вращающийся вокруг своей оси с угловой скоростью ?.

Рассмотрение проведем в неинерциальной системе отсчета, вращающейся вместе с обручем с угловой скоростью ?, в которой обруч покоится. В этой системе любая малая часть обруча тоже покоится. Рассмотрим бесконечно малый элемент обруча, стягиваемый центральным углом d?. Кроме реальных физических сил, действующих на этот элемент обруча (к которым относятся силы F, действующие со

стороны примыкающих к обоим концам элемента остальных частей обруча и стремящиеся растянуть этот элемент обруча), надо рассмотреть теперь также и мифическую центробежную силу F_цб. , действующую на элемент нашего обруча. При этом, согласно закону центробежной силы, на бесконечно малый элемент обруча, стягиваемый центральным углом d?, действует сила

,

где k- масса в расчете на единицу длины обруча, или линейная плотность массы, т. е. k=M/2?R.

Сумма трех векторов сил, действующих на рассматриваемый бесконечно малый элемент, должна равняться нулю, так как этот элемент обруча в рассматриваемой неинерциальной системе отсчета покоится. Другими словами,

Или



и окончательно получаем

Пример 2. Найти угол наклона к горизонтали свободной поверхности жидкости, налитой в сосуд прямоугольной формы, скатывающийся с наклонной плоскости, имеющей угол наклона к горизонту ?.

Рассмотрение снова удобно вести в неинерциальной системе отсчета, жестко связанной с сосудом с жидкостью, в которой жидкость покоится. Эта неинерциальная система равномерно ускоренно движется вниз вдоль наклонной плоскости с ускорением a=g sin ?.

Таким образом, на каждую малуюжидкую частицу массы m в этой инер циальной системе действует не только сила тяжести F=mg, направленная вертикально вниз, но и сила инерции F_ин. =ma, направленная в противоположную сторону движения, т. е. вверх вдоль наклонной плоскости.

Жидкость в прямоугольном сосуде как бы находится в однородном поле новых сил тяжести, имеющих ускорение g', которое составляет некоторый угол с вертикалью. Следовательно, свободная поверхность жидкости в скатывающемся сосуде, перпендикулярная направлению нового ускорения g', будет составлять такой же угол с горизонтальной плоскостью. Найдем угол. Имеем косоугольный треугольник

Применим к нему теорему синусов , ,

Следовательно, искомый угол ? равен углу ?, т. е. свободная по верхность жидкости в скатывающемся по наклонной плоскости сосуде будет параллельна наклонной плоскости.

2.4 Астрономические и земные измерения скорости света

Впервые скорость света была измерена в конце XVII в. в 1675 г. датским астрономом О. Ремером (1644-1710), который смог найти ее значение из наблюдений за спутниками Юпитера - четырьмя "медичейскими звездами", открытыми Галилеем в 1610 г. В настоящее время открыто 11 спутников Юпитера.

Периоды обращений этих спутников порядка нескольких дней; они малы по сравнению с периодом обращения Юпитера (12 лет) и Земли (1 год) вокруг Солнца. Ремер наблюдал за первым спутников Юпитера с периодом обращения 42 час 28 мин. Он заметил, что когда Земля двигалась по своей орбите, удаляясь от Юпитера, период обращения спутника становился длиннее. Когда Земля, наоборот, приближалась к Юпитеру, период обращения спутника становился короче. Ремер из этих наблюдений сделал правильный вывод, - что разность максимального и минимального периодов обращений спутника равна времени, необходимого свету для прохождения расстояния равного диаметру земной орбиты.

Орбита Юпитера, как и других планет, лежит приблизительно в плоскости орбиты Земли - в плоскости эклиптики; все планеты вращаются в одну сторону.

На рисунке L обозначает расстояние между Землей и спутником Юпитера в тот момент, когда он входит в тень Юпитера. Момент затмения наблюдается на Земле с запаздыванием, равным ?t=L/c, где c - скорость распространения света в межзвездной среде - эфире. Очевидно время запаздывания минимально или максимально, когда расстояние между Юпитером и Землей, соответственно, минимально или максимально.

Рассмотрим сначала наблюдаемый с Земли интервал времени T между двумя последовательными затмениями спутника, т. е. период обращения спутника вокруг Юпитера. Обозначим через T₀ истинный интервал времени между двумя последовательными затмениями, или истинный период обращения спутника вокруг Юпитера.

Рассмотрим, например, для определенности случай, когда Земля движется по направлению к Юпитеру со скоростью v. Тогда первое затмение спутника мы зафиксируем на Земле с запаздыванием, равным l/c, где l - расстояние от Земли до Юпитера в момент первого затмения, c - скорость света. Второе затмение спутника мы зафиксируем на Земле немного с другим запаздыванием, равным (l-?l)/c, где ?l - расстояние, пройденное Землей к Юпитеру за время T₀, прошедшее между двумя последовательными затмениями. Таким образом, отличие наблюдаемого периода T между двумя затмениями и истинного периода T-0 между ними равно ; но очевидно , а потому , т. е. наблюдаемый с Земли период обращения T оказывается меньше истинного периода T₀.

Если теперь Земля удаляется от Юпитера со скоростью v, то отличие наблюдаемого периода T обращение спутника от истинного периода T₀ будет равно , т. е. наблюдаемый с Земли период обращения спутника T окажется больше истинного периода T₀.

Предположим теперь, что мы будем наблюдать затмения спутника Юпитера в течение полугода, когда Земля перемещается из точки A в точку C.

Если наблюдать два последовательных затмения с Земли, находящейся в некоторой промежуточной точке M на своей орбите, то очевидно где - угол ASM, который равен ? =2?t/T₃, где t- время, протекающее с момента, когда Земля находилась в точке A своей орбиты, T₃ - период обращения Земли вокруг своей орбиты. В течение полугода, когда Земля перемещается вдоль пути ABC, изменение периода варьируется от T=0 в точке A до максимального значения ?T=T₀v/c в точке B и вновь до значения T=0 в точке C.

Возьмем сумму изменений периода ?T за полгода: где k-номер наблюдаемого периода.

Очевидно сумму можно рассматривать как интегральную сумму для следующего интеграла так как t_k=kT₀, t_k=T₀. Вычисляя приведенный интеграл, находим Следовательно приходим к формуле

т. е. сумма изменений наблюдаемых с Земли периодов обращения спутника за полгода равна времени, которое требуется свету для прохождения диаметра земной орбиты. Если в первую половину года, когда Земля двигалась по пути ABC, т. е. удаляясь от Юпитера, наблюдаемые с Земли периоды T_k обращения спутника были больше истинного периода T₀, то во вторую половину года, когда Земля будет двигаться по пути CDA, т. е. приближаясь к Юпитеру, наблюдаемые периоды T_k обращения спутника будут меньше истинного периода T₀ причем для второй половины года

Таким образом, истинное значение периода T₀ обращения спутника вокруг Юпитера можно определить, составив сумму наблюдаемых периодов T_К обращения спутника за год и разделив её на полное число N наблюдаемых за год периодов:Сам Ремер получил заниженное значение скорости света, равное приблизительно с=214000км/с, при этом его ошибка в основном объяснялась неточным знанием значения диаметра земной орбиты. Фактически Ремер привел не значение для скорости света, а значение для времени требующемуся для свету на прохождение расстояния от Солнца до Земли, которое он считал равным 11 мин=660 сек (на самом деле это время равно примерно 8 мин 20 сек=500 сек). Позднее, уже в 18 и 19 веках Деламбр (1790 г. ) дал значение времени 493, 2 сек. и Глазенап (1874 г. ) - значение 500, 8 сек. Сэмпсон в 1909 г. приводит значение 498, 790, 02 сек. Неровности поверхности Юпитера ведут к неизбежным ошибкам времени наблюдений затмений спутника.

Следующее, тоже астрономическое измерение скорости света было произведено английским астрономом Дж. Д. Брэдли (1692-1762). В 1728 г. он нашел правильное объяснение увиденного им необычного явления в движении звезд, которое было названо вскоре аберацией.

Одной из важнейших задач наблюдательной астрономии последних десятилетий XVII в. и первых десятилетий XVIII в. было обнаружение параллаксов звёзд, необходимость наблюдений которых непосредственно вытекала из коперниковой системы мироздания, а их отсутствие служило существенным доводом против этой системы; здесь речь идет, конечно, не о суточных, а о так называемых годичных параллаксах (“суточный” - это угол, под которым виден радиус Земли с небесного тела; “годичный” - это угол, под которым виден с небесного тела радиус орбиты Земли вокруг Солнца). Брэдли как раз и стремился обнаружить эти так называемые “годичные параллаксы”, то есть углы растворов конусов, отбрасываемых на небесную сферу линиями визирования, направленными на звезду с различных точек земной орбиты. Однако вместо параллаксов (которые вследствие их чрезвычайной малости из-за огромной удаленности звезд от Земли впервые были измерены только в конце XIX в. Бесселем, то есть через 100 лет после Брэдли), Брэдли открыл не параллакс, а аберрацию.

На рисунке показано, как образуются звездой круговые траектории на небесной сфере для звезды, расположенной точно в полюсе эклиптики. На левом рисунке проиллюстрировано явление годичного параллакса, на правом - явление аберрации. Видим, что положения звезды на круге при параллаксе и при аберрации для фиксированного положения Земли на орбите разные; они различаются поворотом на 90⁰.

Брэдли наблюдал за ежесуточными проходами через меридиан звезды в голове созвездия Дракона, находящейся вблизи полюса эклиптик. Начав наблюдения в декабре 1725 г. , Брэдли заметил, что эта звезда всё более отклонялась к югу. Её смещение достигло 20`` к началу марта. Затем звезда на несколько дней остановилась, а затем стала снова двигаться, но теперь в обратную сторону - к северу. К июню звезда заняла свое прежнее положение, какое у неё было в декабре, прошла его и в течение второго полугодия проделала точно такой же путь на север и обратно. Это движение звезды нельзя было объяснить как результат параллакса (если бы это было годовое параллактическое движение, то движение звезды к югу должно начаться не в декабре, а в марте, а движение её к северу не в июне, - а в сентябре) и Брэдли догадался, что наблюдаемый им эффект обязан конечности скорости распространения света и годичному движению Земли по своей орбите.

Брэдли пишет : “Наконец я догадался, что если свет распространяется во времени, то кажущееся положение неподвижного предмета, когда глаз находится в покое, будет иное, чем когда глаз движется в направлении, уклоняющемся от линии, соединяющей предмет с глазом, и что когда глаз движется в различных направлениях, то и кажущееся положение объекта будет различным”.

Объяснение Брэдли эффекта аберрации было следующее.

Пусть прямая CA - путь луча света, идущего от источника C, по которому движется световая корпускула. Пусть глаз наблюдателя движется вдоль прямой BA со скоростью v, которая относится к скорости света c, как BA относится к CA. Корпускула света, которая обеспечивает видение глазом источника C в точке A, должна была быть испущена источником C в тот момент, когда глаз находился в точке B.

Трубу телескопа, которую Брэдли мысленно представил себе движущейся параллельно самой себе вдоль прямой BA надо направить вдоль прямой BC, чтобы получить свет от источника C. Трубу телескопа, Брэдли взял такого диаметра, чтобы она пропускала только одну световую корпускулу. Угол BCA = ? характеризует угол наклона линии визирования на источник к линии, вдоль которой движется глаз. Очевидно sin ? ? (v/c)sin?, при ? = 90⁰, то есть для звезды в полюсе эклиптики, имеем sin ? ? v/c ;при ? = 0⁰, то есть для звезды на эклиптике, имеем sin ? = 0.

Скорость v - это скорость движения Земли на орбите. Она Брэдли была известна, так как радиус земной орбиты был уже к тому времени давно точно измерен. Зная длину пути, пройденного Землей за год, можно было вычислить, что v = 30 км/с. Зная эту скорость и угол аберрации ?, по приведенной формуле можно было легко рассчитать скорость света c. Создав теорию для ? Дракона, Брэдли перешел к её подтверждению путем наблюдений за другими звездами. В 1726-28 гг. он наблюдал аберрацию ещё для 7 звёзд вблизи полюса эклиптики и для всех них полная амплитуда углового смещения на небе составила величину 40``-41`` (среднее 40``, 4). Таким образом, угол аберрации ? оказался равным 20``, 2. Этот угол даёт значение скорости света 301000 км/с, но Брэдли на самом деле приводит не это значение, а значение для времени распространения света от Солнца до Земли, которое он считал равным 8 мин 12 сек.

Брэдли объяснил открытую им в 1728 г. аберрацию неподвижных звёзд на основе корпускулярной теории света. В 1804 г. Юнг показал, однако что аберрацию можно объяснить и на основе волновой теории света. При этом Юнг сделал следующее предположение. Земля и все тела на Земле пронизаны, пропитаны эфиром, но при движении Земли и тел на её поверхности они не могут этот эфир увлечь за собой или сколь-либо существенным образом его возмутить. Поэтому возникает “эфирный ветер”, пронизывающий все тела на движущейся Земле. Тела не способны задерживать эфир, как “неспособны удерживать ветер кроны деревьев”, как писал Юнг.

Таким образом, световые волны, идущие от звезды, не будут принимать участия в движении телескопа, и если считать что телескоп направлен на истинное положение звезды, а Земля, для простоты, пусть движется перпендикулярно направлению на звезду, то изображение звезды будет смещено от центрального перекрестья в фокусе на расстояние, равное тому, которое пройдет Земля за время, пока свет будет идти через трубу телескопа.

На рисунке MN = c KN = v, где время, требующееся свету, чтобы пройти через трубу телескопа. Таким образом, угол аберрации

Здесь рассматривается для простоты случай, когда направление движения Земли составляет точно прямой угол с направлением на звезду.

В земных условиях скорость света сумели измерить только в середине XIX в. Это сделали Физо (1849 г. ) и Фуко (1865 г. ) двумя различными методами (с использованием быстро вращающегося зубчатого колеса и с использованием быстро вращающегося многогранного зеркала), при этом было подтверждено значение скорости света c = 300000 км/с, полученное астрономическим методом.

2.5 Теория Френеля частичного увлечения эфира движущимся телом и его теория аберрации. Опыты Араго и Физо

Аберрационной константой называется отношение v/c, скорости v Земли на орбите (v=30 км/с) к скорости c света в пустоте (c=300000км/с). Она очень мала :

Вопрос о том, преломляются ли по-разному стеклянной призмой лучи, идущие от звезды и от земного источника, был поставлен в первой четверти XIX в. Араго. Рассуждения его были следующие. Так как Земля движется в неподвижном эфире со скоростью v, то скорость света, идущего от звезды, в стекле призмы при приближении к звезде будет c - v, а при удалении от звезды (через полгода) будет c + v. Таким образом, показатель преломления n призмы, через которую наблюдается звезда, для света звезды должен в течение года периодически изменяться от значения n ( c - v ) до значения n ( c + v ), а потому луч от звезды должен периодически отклоняться от своего начального положения и по прошествии года должен возвращаться в свое начальное положение.

Араго в 1810 г. произвёл такой эксперимент со стеклянной призмой, направленной на определенную звезду. Он наблюдал преломление луча света звезды в призме, когда Земля двигалась к звезде (через полгода), когда Земля удалялась от звезды. Араго ожидал получить угловое смещение 2`. Но получил отрицательный результат - никакого смещения не было. Так он пришёл к заключению, что преломление в движущейся призме идентично преломлению в покоящейся призме.

Получив такой результат, Араго обратился к Френелю с просьбой объяснить его. В письме к Араго от 1818 г. , опубликованном во французском научном журнале в том же 1818 г. , Френель не только нашел объяснение отрицательного результата опыта Араго, но и сделал принципиально новый шаг в теории аберрации. Фактически с этого письма Френеля начинается вся оптика движущихся сред. Френель поставил более широкий вопрос - как влияет движение Земли на оптические явления на Земле? Аберрация, таким образом, у Френеля перестала быть изолированным астрономическим оптическим явлением, требующим для своего объяснения особых рассуждений.

Френель сразу отказался от объяснения опыта Араго тем, что эфир полностью увлекается Землёй, так как тогда, как пишет Френель, невозможно объяснить явление аберрации, ибо её объяснение он видел, следуя Юнгу, в том, что эфир не увлекается движущейся Землёй.

В отличие от Юнга Френель, однако, предположил, что Земля сообщает пропитывающему и окружающему её эфиру очень малую часть своей скорости (очень “пористая” Земля “частично” увлекает эфир). С помощью этого предположения Френель объяснил удовлетворительным образом не только аберрацию звёзд, но также и опыт Араго и все другие оптические явления, связанные с движением Земли.

Френель принял фактически две следующие гипотезы:

1) Различие скоростей света в стекле призмы и в окружающем её неподвижном эфире происходит исключительно из-за различия плотности эфира , пронизывающего тело призмы, и плотности эфира , находящегося вне призмы, так чтогде -показатель преломления стекла призмы. Упругость эфира вне призмы и внутри неё Френель посчитал одинаковой. Таким образом, он пришёл к соотношению

2) Далее Френель посчитал, что движущаяся в неподвижном эфире призма увлекает с собой не весь эфир, её пропитывающий, а только его часть, которая является избытком плотности эфира над плотностью эфира в пустом пространстве, т. е. плотность эфира, переносимого призмой равна

Френель предположил, что когда движется только часть такой комбинированной среды, а другая её часть покоится, скорость волны в среде, распространяющейся в направлении движения среды, увеличивается на скорость движения центра масс комбинированной системы, составленной из покоящейся и движущейся частей среды, т. е. в нашем случае увеличивается на величину таким образом, имеем формулу увеличения:Коэффициентв этой формуле называется “коэффициентом увеличения”.

Здесь -это скорость движения эфира, заключённого в объёме движущегося со скоростью тела; скорость эфира в теле , как было бы, если бы эфир совсем не увлекался движущимся, и скорость эфира в теле , как было бы, если бы эфир полностью увлекался движущимся телом.

Френель убедился в справедливости своей формулы в частных предельных случаях. Эта формула очевидно верна, когда плотность увлекаемой части эфира равна нулю, - тогда , так как по формуле

Формула очевидно также верна и тогда, когда весь эфир увлекается; тогда , так как по формуле

Фактически, как мы видим, Френель попросту угадал свою формулу увлечения, предположив простую экстраполяционную линейную зависимость для увеличения скорости волны в среде от степени увлечения среды.

Стокс в 1846 г. вывел формулу увлечения Френеля из следующей физически разумной модели. Он предположил, что при движении прозрачного тела через неподвижный эфир, входящий в тело эфир, при проходе через переднюю границу движущегося тела, скачком увеличивает свою плотность от плотности в пустом пространстве до плотности внутри тела, причём в системе отсчёта, в которой тело покоится, на переднюю границу тела, которая считается для простоты плоской, в единицу времени на единицу площади натекает масса эфира , а вытекает из неё масса эфира , где -относительная скорость движения эфира относительно тела (если -абсолютная скорость движения тела, -абсолютная скорость движения эфира, заключённого в теле, то

Так как эфир на рассматриваемой границе тела не накапливается и не исчезает с течением времени, тоа следовательно,

Возвратимся к рассуждению Френеля. Следуя Френелю, рассмотрим теперь стеклянную призму на поверхности Земли с прямым углом при вершине и углом при вершине . Пусть эта призма движется вместе с Землёй в неподвижном эфире с постоянной скоростью в направлении слева направо. Пусть на её грань нормально падает плоская световая волна с фронтом , идущая от далёкой звезды, расположенной на горизонте. На передней грани призмы, входя в стекло, волна не преломляется, так как падает на эту грань нормально. Она преломляется при выходе из стекла на задней грани призмы.

На рисунке изображено два положения призмы и в два разных момента времени, скажем, в нулевой момент времени и в момент времени за которое фронт волны как раз продвинулся из положения в положение , изображенное на рисунке.

Обозначим через - скорость световой волны в неподвижном эфире и через - скорость световой волны в неподвижной призме. Тогда, согласно волновой теории света, показатель преломления стекла призмы равен

Согласно гипотезе Френеля о частичном увлечении эфира, скорость света в движущейся призме равна

Найдем значение угла , на который отклоняется фронт (или луч) света от звезды, проходя через движущуюся призму .

Рассматривая прямоугольные и с общей гипотенузой , для отрезков и получаем очевидные соотношения:Таким образом,

Вычислим теперь отрезки и по-другому. Очевидно из рисунка, что имеем следующие простые соотношения:Из приведённого чертежа имеем, кроме того, также следующие соотношения: где - угол поворота фронта волны после прохождения его через призму. Таким образом, Учтём теперь, чтои что при малых имеем приближённое равенствопри этом, считая отношение малым, мы заменили угол , на угол , его значение при . Учтём, кроме того, что при малой разности имеем приближённое равенствоПриходим, таким образом, к следующему приближённому уравнению для определения угла :При и очевидно отсюда имеем соотношениесправедливое для неподвижной призмы, которое позволяет сократить в вышеприведённом уравнении члены нулевого порядка в обеих частях приведённого равенства. Тогда окончательно придём к уравнениюПреобразуем выражение, стоящее в правой части. Очевидно, чтоТаким образом, приходим к уравнениюкоторое позволяет вычислить угол отклонения луча от звезды, движущейся со скоростью , призмой, если известен угол отклонения для этого луча покоящейся призмой.

В качестве луча, отклонение которого мы рассмотрим, возьмём луч , изображённый на рисунке. Как видим, угол преломления в движущейся призме всегда несколько меньше угла преломления в покоящейся призме.



Проследим теперь за дальнейшей судьбой луча после выхода его из призмы. Этот луч света, вышедший из призмы, движущейся вместе с Землёй, из-за движения Земли, попадёт на экране, тоже движущемся, как и призма, со скоростью , не в точку , а в точку , которая определяется из условия, что за время, пока свет распространится от точки до точки , двигаясь со скоростью , точка попадёт в точку , двигаясь со скоростью . Таким образом, если -время распространения света от точки до точки , то

Рассмотрим теперь косоугольный C₁KN и применим к нему теорему синусов. Получим соотношение:

следовательно:

Учитывая, что , получаем:

.

Как видим, для определения угла получили в точности такое же уравнение, как и уравнение для определения . Сл-но мы должны заключить, что .

Итак, мы рассчитали положение точки K на экране, в которую падает луч света от звезды, учитывая и эффект частичного увлечения эфира движущейся призмой и эффект аберрации. Оба эти эффекта в точности скомпенсировали друг друга, т. к. , как это непосредственно видно из чертежа, в точку K наш луч от звезды попадет и в том случае, когда призма и экран покоятся. Действительно, отрезок C₁K перпендикулярен “мнимому” фронту волны, отклоняющемуся в призме на угол .

Видим, что движение Земли в первом порядке по константе аберрации не оказывает никакого влияния на преломление света от звезды.

Френель из своей формулы частичного увлечения эфира вывел еще одно интересное следствие. Если трубу телескопа наполнить водой, то наличие воды в телескопе никак не будет влиять на величину аберрации.

Произвести измерение угла аберрации с помощью телескопа, труба которого наполнена водой, предложил Бошкович (1711-1787), горячий сторонник идей Ньютона и их неустанный проповедник в Италии. Такой опыт был произведен, однако, только в 1871 г. Эйри(1801-1892). Опыт подтвердил, в согласии с теорией Френеля, что угол аберрации для наполненной трубы остается таким же, как и для пустой.

Как свидетельствует Майкельсон, “внимание физиков впервые было обращено на влияние действия среды на скорость света в связи с опытом Эйри”.

Изложим теперь, следуя Лоренцу, рассуждение Френеля, объясняющее, почему заполнение трубы телескопа водой не изменяет значения угла аберрации.

Телескоп для простоты заменим примитивным оптическим прибором без линз, позволяющим, тем не менее, определить направление на звезду. Этот прибор пусть состоит из экрана ab с отверстием AB и расположенного за ним параллельно экрана ef. По взаимному расположению светлого пятна EF на экране ef и отверстия AB можно судить о направлении на звезду.

Оба этих экрана, разумеется, неподвижны относительно друг друга. Пусть прибор находится на Земле, движущейся с постоянной скоростью , скажем, в направлении слева направо.

Френель предполагает, что эфир неподвижен в межпланетном пространстве и что Земля и прибор никак не увлекают его своим движением. Это значит, что в системе отсчета, жестко связанной с Землей и прибором, эфир натекает на прибор однородным сплошным потоком с постоянной скоростью справа налево и сносит своим движением любое имеющееся в нем световое возмущение.

Ограничимся рассмотрением звезды, расположенной точно в полюсе эклиптики. Свет от такой звезды представляет собой у поверхности Земли практически неограниченную плоскую волну, которая падает перпендикулярно на отверстие AB, вырезающее ограниченно малую часть волнового фронта.

В течение времени , пока образованный отверстием AB фронт ограниченных размеров (изображаемый на рисунке отрезком AB) распространится в эфире по вертикальному направлению вниз и достигнет экрана ef, он будет постоянно сносится движением эфира в горизонтальном направлении, справа налево, так что в конце интервала времени фронт AB попадет на место EF экрана. При этом вырезанный экраном пучок света ABEF окажется наклоненным к вертикальному направлению на некоторый угол , который и является углом аберрации. При этом , где -- скорость света в неподвижном эфире, , где -- скорость движения Земли, так что

Отношение очень мало, примерно 10^-4.

Обратим внимание, что кажущееся направление на звезду (которое только и наблюдается с помощью телескопа или описанного примитивного прибора) определяется не направлением волновой нормали, которая перпендикулярна фронту волны и направлена перпендикулярно вниз по прямой , а направлением луча, т. е. направлением прямой и характеризует наклон образованного отверстием светового пучка , по отношению к вертикальному направлению.

Лоренц определяет лучи, как прямые, которые показывают, каким образом световые пучки ограничены сбоку (дифракцией полностью пренебрегается).

Изменим теперь немного конструкцию нашего примитивного оптического прибора, используемого для определения направления на звезду. Возьмем снова два параллельных экрана и , верхний снова с отверстием , но теперь заполним нижнюю часть прибора -- между плоскостями и -- плоско-параллельным слоем некоторой прозрачной среды, например, водой, с покзателем преломления , где -- скорость света в еподвижном эфире, -- скорость света в неподвижном стекле. Снова возьмем свет, приходящий на Землю от звезды, расположенной точно в полюсе эклиптики, и снова все рассмотрение будем в системе отсчета, жастко связанной с Землей и прибором, в которой эфир однороодным сплошным потоком натекает на прибор справа налево со скоростью .

Из практически бесконечного фронта плоской световой волны, приходящей на Землю от рассматриваемой звезды, отверстие вырежет малую часть . Ограниченное в первый момент времени краями отверстия световое возмущение дальше, -- между экраном и поверхностью среды , -- распространяется в эфире, движущемся справа налево однородным сплошным потоком со скоростью . Поэтому образуется световой пучок , наклоненный к вертикали под очень малым углом аберрации

как мы это объяснили выше.

Определим теперь наклон светового пучка в прозрачной среде, который образуется из светового пучка . Если бы движение эфира через прозрачную среду отчутствовало, то мы имели бы пучок , имеющий угол наклона к вертикали, определяемый из закона Снеллиуса:

;

считая, что угол , а следовательно и угол очень малы. Таким образом, для длины отрезка имеем выражение

если предположить, что -- толщина слоя прозрачной среды в приборе. Движение эфира через прозрачную среду, однако, происходит. Согласно гипотезе частичного увлечения эфира прозрачным телом, эфир протекает через плоскопараллельный слой прозрачной среды справа налево горизонтальным непрерывным сплошным потоком, движущемся со скоростью

;

она меньше скорости движения Земли, которую эфир имел бы, если бы он не увлекался прозрачной средой. Вследствие переносного движения, фронт волны , распространяющийся в прозрачной среде вертикально вниз до экрана со скоростью -- скоростью света в среде -- за время

,

при попадании на экран будет снесен в горизонтальном направлении влево на расстояние



Получили для отрезка тот же результат, что и выше, когда делали предположение, что движение эфира отсутствует.

Таким образом мы должны сделать вывод, что движение рассматриваемого оптического прибора вместе с Землей со скоростью сквозь неподвижный эфир никак не сказывается на ходе лучей в нем; закон преломления остается таким же. Луч, приходящий от звезды, ведет себя в точности так же, как и луч такого же направления, идущий от земного источника.

2.6 Геометрическая оптика неоднородной прозрачной среды, пронизываемой движущимся через нее эфиром. Теорема Лоренца

Свою оптико-геометрическую теорию движущихся вместе с Землей оптических приборов Лоренц развил в 1886 г. с целью объяснения следующих трех к тому времени уже твердо установленных опытных фактов:

существует яаление астрономической аберрации положений звезд, заключающееся в том, что звезды в течение года описывают на небе маленькие эллипсы (переходящие в окружности для звезд, находящихся вблизи полюса эклиптики, и дважды покрытые отрезки для звезд, находящихся вблизи экватора эклиптики);

свет от любой звезды, фиксируемый на Земле как свет, приходящий по определенному направлению и определенной частоты, будучи использованным в любых оптических экспериментах -- по отражению, по преломлению, по интерференции и т. д. , ведет себя в точности так же, как и свет от земного источника, распространяющийся по тому же направлению и обладающий той же частотой;

ни в одном оптическом эксперименте, который можно произвести с земным источником света, нельзя неблюдать никакого эффекта, связанного со скоростью движения Земли на ее орбите вокруг Солнца, если ограничиться членами первого порядка малости по , где -- скорость света в пустоте.

Любой как угодно сложный оптический прибор, содержащий линзы, призмы, щели, диафрагмы и т. д. , можно считать кусочно однородной средой (т. е. средой, состоящей из пространственных областей с разными показателями преломления). Будем, однако, следуя Гамильтону, полагать, что имеем дело не с такой специфической кусочно-однородной, а с произвольной оптически неоднородной средой, оптические свойства которой характеризуются заданной функцией локального показателя преломления , где -- показатель преломления в точке среды с координатами .

Среду будем считать твердой, прозрачной, неподвижной и жестко связанной с Землей, движущейся сквозь эфир, покоящийся в мировом пространстве.

Лоренц проводит рассуждение в декартовой прямоугольной системе координат , жестко связанной со средой и с Землей. При этом он предполягает, что Землю и прозрачную среду пронизывает “эфирный ветер”, характеризующийся стационарным (не зависящим от времени) полем скоростей .

Таким образом Лоренц берет развитую им самим обобщенную формулировку принципа Гюйгенса, учитывающую, что эфир движется относительно прозрачной среды, в которой мы исследуем распространение световых волн, т. е. что в среде имеется эфирный ветер.

Как при формулировке обычного принципа Гюйгенса, для неподвижного эфира, возьмем два бесконечно близких положения волнового фронта, или фронта волны, распространяюшейся в покоящейся относительно Земли, но движущейся относительно мирового пространства среде, увлекающей с собой частично эфир, в два бесконечно близких момента времени t и t+dt. Пусть эти положения характеризуются двумя геометрическими поверхностями S и S¹, см. рис.

Чтобы исходя из поверхности волнового фронта S построить поверхность волнового фронта S¹, надо взять каждую точку P на поверхности S и мысленно испустить из этой точки в момент времени t т. е. взять бесконечно малую поверхность около точки P, до которой к моменту времени t+dt это возмущение дошло. Такую поверхность назовем фронтом элементарной волны. На приведенном рисунке кривая ab изображает часть поверхности фронта элементарной волны, испущенной из точки P, рассматриваемой в момент времени t+dt.

Согласно принципу Гюйгенса, поверхность S¹, будет геометрической огибающей поверхностью фронтов всех элементарных волн, построенных для всех точек P поверхности S.

Одновременно с построением положения последующего фронта волны мы узнаем и дальнейший ход всех лучей. Прямой отрезок, проведенный из точки P на поверхности P, являющестя центром испускания элементарной волны, в точку P¹, расположенную на поверхности S¹ и являющуюся точкой касания этой элементарной волной огибающей поверхности S, является элементом луча. Один из элементов луча изображен отрезком PP¹ на рисунке.

Точки P и P¹, принадлежащие соответственно поверхностям S и S¹ и являющиеся началом и концом одного и того же элемента луча, называются сопряженными точками.

При помощи геометрического построения Гюйгенса можно найти последовательные положения S, S¹, S¹¹, . . . фронта распространяющейся волны и последовательные элементы PP¹, P¹P¹¹, P¹¹P¹¹¹, . . . любого луча. Каждый такой луч проходит через ряд сопряженных точек, следующих одна за другой через бесконечно малые расстояния.

В случае отсутствия в среде эфирного ветра кажная из рассмотренных бесконечно малых элементарных волн представляет собой бесконечно малую сферу радиуса c₁t, с центром, расположенным в соответствующей точке P, где c₁ - локальная скорость света в точке P среды. Для неоднородной среды скорость света является заданной функцией с₁=с₁(x, y, z) точки среды и поэтому различные элементарные волны будут иметь разные радиусы, см. рис.

В случае наличия в среде эфирного ветра элементарные волны тоже являются бесконечно малыми сферическими поверхностями, но эти поверхности теперь непрерывно сносятся движением эфира, и поэтому центры их в момент времени t+dt располагаются не в точках P испускания волн, а в бесконечно мало сдвинутых точках Q, которые находятся на бесконечно малых, прямолинейных отрезках PR, вдоль точки P эфира перемещаются при его движении за интервал времени t, t+dt. Отрезок PR имеет длину v·dt, где v - скорость эфира в точке P и он направлен вдоль вектора скорости v эфирного ветра в этой точке P. Радиусы сфер элементарных волн, однако, все равно равны c₁·dt, как в неподвижной среде, см. рис.

Точка Q может находиться и в начале (Q=P), и в конце (Q=R) отрезка PQ, а также может лежать и внутри этого отрезка. Соответственно Лоренц пользуется одной из следующих гипотез.

а) Если Q=P, то эфир не увлекается движущейся средой.

б) Если Q=P, то эфир полностью увлекается движущейся средой.

в) Если PQ=(1/n²)PR, то эфир частично увлекается движущейся средой; здесь n - локальный показатель преломления для неподвижной среды в точке P.

Рассмотрим теперь важный частный случай движения Земли и прозрачной Среды, когда они движутся в мировом пространстве поступательно равномерно прямолинейно вдоль некоторого направления с некоторой постоянной скоростью v.

Длина отрезка PQ теперь равнапричем направления отрезков PR и скорости v во всех точках P будут одинаковы.

Для частного случая поступательного равномерного прямолинейного движения Земли и прибора сквозь мировой эфир Лоренц доказал следующую замечательную теорему.

Теорема Лоренца. С точностью до членов первого порядка включительно по отношению скоростей v/c, где v - поступательно равномерного прямолинейного движения оптического прибора через неподвижный эфир, с - скорость света в пустоте, геометрический ход лучей в оптическом приборе не зависит от движения среды.



Приступим к доказательству сформулированной теоремы. Рассмотрим ход лучей в приборе относительно декартовых прямоугольных осей координат Oxyz, жестко связанных с ним. Прибор движется равномерно прямолинейно поступательно с постоянной скоростью v через неподвижный эфир.

Обратмся еще раз к рассмотренному выше рисунку. Обозначим ?P¹PQ между направление светового луча, исходящего из точки P, и направлением движения среды - через ?, см. рис.

На рисунке полупрямая QP направлена вдель направления эфирного ветра. Согласно теореме косинусов, примененной к ?P¹PQ, имеем следующее соотношение. Отрезок P¹Q, согласно лоренцеву принципу Гюйгенса, равен c₁·dt, где c₁ - локальная скорость света в точке P. Отрезок PQ, согласно тому же принципу, равен k·v·dt, где k=1/n², n - локальный показатель преломления в точке P, v - скорость эфирного ветра. Отрезок PP¹ равен с₁^дв·dt, где с₁^дв - локальная скорость света в точке P для Среды с эфирным ветром. Таким образом, приведенное соотношение можно представить в седующем виде:

или в виде квадратного уравнения из которого можно определить скорость с₁^дв. Решая это квадратное уравнение получимочевидно перед корнем надо взять знак плюс, иначе получили бы отрицательное значение для скорости с₁^дв. Считая скорость v движения среды через неподвижный эфир или, что то же самое, скорость эфирного ветра малой по сравнению со скоростью света с и разлагая корень в ряд по малости v², имеемСледовательно, с точностью до членов третьего порядка малости по v/c получаем приближенную формулу. Из этой формулы сразу выведем еще одну приближенную формулу, которая нам понадобится в дальнейшем: или справедливо с точностью ло членов порядка малости v³/c³₁.

Определив, с помощью лоренцева обобщенного принципа Гюйгенса, скорость с₁^дв распространения света по лучу для поступательно равномерно прямолинейно движущейся прозрачной среды, воспользуемся теперь принципом Ферма для определения хода лучей в оптическом приборе, жестко связанном с движущейся Землей и перемещающимся вместе с ней. Согласно принципу Ферма, для истинного пути L светового луча, выходящего из какой-то фиксированной точки А и приходящего в другую фиксированную точку В, криволинейный интеграл представляющий собой время распространения света по лучу, должен принять минимальное значение. Здесь ds - длина элемента дуги кривой ALB.

Пренебрегая членами второго порядка малости v²/c²₁ в выше вриведенной формуле для 1/ с₁^дв, получаем следующую простую формулу для времени для любого мысленно воображаемого пути ALB:

Множитель v мы вынесли из-под знака интеграла, так как скорость движения среды - постоянна. Учтем далее, что показатель преломления Среды определяется формулой из которой сразу получаем с₁n=c, где с - скорость света в пустоте, - некоторая универсальная константа. Таки м образом, множитель имеет постоянное значение, и его тоже можно вынести из-под знака интеграла. Так приходим к формуле для времени распространения света по лучу ALB Легко видеть, что второй интеграл не зависит от формы пути ALB, так как он равем длине проекции прямолинейного отрезка АВ на направление эфирного ветра в нашей прозрачной среде. Первый интеграл не зависит от скорости движения среды, так как с₁ - это линейная скорость света в неподвижной среде.

При отыскании минимума времени ? для различных путей ALB, соединяющих фиксированные точки А и В, второй интеграл, не зависящий от формы пути ALB, можно поэтому игнорировать. А так как первый интергал не зависит от скорости движения нашей среды, т. е. оптического прибора, то мы видим, что форма пути истинного луча между точками А и В в движущемся оптическом приборе будет в точности токой же, как и в покоящемся приборе.

Тем самым теорема Лоренца доказана.

2.7 Теория абберации Стокса

В 1845 г. Стокс опубликовал знаменитую работу “Об абберации света”, в которой изложил свою теорию абберации. В момент написания этой работы Стокс не знал еще работы Френеля 1818 г. по теории абберации, о чем свидетельствует отсутствие ссылок на работу Френеля в его работе 1845 г. и его статья, появившаяся через несколько месяцев, уже в 1846 г. , в которой Стокс подробно излагает по-своему теорию Френеля, называет ее “замечательной” и дает ей инетерсное дальнейшее развитие. Однако здесь же, в этой статье 1846г. Стокс отмечает, что теперь “мы столкнулись с любопытным случаем существования двух совершенно различных теорий, одинаково хорошо объясняющих явление”. И здесь же говорит о том, что не может проверить “без хорошего доказательства”, что эфир может свободно проходить через твердую массу Земли.

В работе 1845 г. Стокс пишет упоминает только об известном элементарном объяснении абберации с помощью корпускулярной теории света, говорили о больших успехах волновой теории света, которая “просто и красиво объяснила многие сложные явления”, об отсутствии объяснения аберрации в рамках волновой теории.

Приступим к изложению содержания работы Стокса 1845 г. Однако несколько формализуем рассуждения Стокса, для лучшего понимания их сути.

Стокс предполагает, что Земля, двигаясь с постоянной скоростью в межпланетном пространстве переносит какую-то часть эфира с собой, вследствие того, что эфир вблизи её поверхности покоится относительно её поверхности, как бы “прилипает” к ней, причём скорость эфира нарастает при удалении от поверхности Земли, пока на не очень большом расстоянии, она не станет равной скорости эфира, покоящегося в межпланетном пространстве, относительно Земли. Таким образом, можно предположить, что в системе отсчёта, жёстко связанной с Землёй, эфир натекает на Землю стационарным сплошным потоком, обтекая её со всех сторон, с некоторым полем скоростей , не зависящим от времени t.

Предположим, что положение фронта световой волны, распространяющейся в стационарно движущемся эфире, в момент времени t, даётся уравнением вида составим дифференциальное уравнение, которое позволило бы определить последовательные положения фронта световой волны в различные моменты времени, т. е. определить эволюцию волнового фронта. Для этого надо найти функцию ?.

Возмущение эфира, каковым является световая волна, в случае покоящегося эфира перемещается за интервал времени t, t+dt из точки x, y, z в точку с координатами где с -- скорость света в покоящемся эфире и где считаем, что возмущение распространяется по нормали к поверхности ???? взятой в точке x, y, z. Возмущение в движущемся эфире, с заданным полем скоростей, по определению Стокса, за интервал времени t, t+dt из точки x, y, z перемещается в точку с координатами т. е. Стокс считает, что распространяющееся в эфире возмущение просто сносится движением эфира. Таким образом, положение фронта в движущемся эфире в момент времени t+dt даётся уравнением . Разлагая последнее уравнение по малости dt, получаем искомое уравнение, описывающее эволюцию волнового фронта оптической волны, распространяющейся в движущемся эфире: или ;

Хотя этого рассуждения Стокс и не приводит, но оно неявно содержится в его рассуждениях. Знак ? соответствует неопределённости направления нормали, задаваемой вектором с компонентами

Будем теперь считать, что скорость эфира, т. е. величины u, ???? малы по сравнению со скоростью света с и построим частное приближённое решение дифференциального уравнения, которое Стокс фактически и рассматривает в своей работе 1845 г. по теории аберрации.

Нулевое приближение. Положим u =--u--=--w--=--_-- в приведённом уравнении для ¦, т.е. рассмотрим покоящийся эфир. Тогда легко убедиться, что уравнение нулевого приближения имеет следующее частное решение: , это решение описывает оптическую плоскую волну, распространяющуюся в отрицательном направлении оси z. Действительно, уравнение нулевого приближения имеет вид здесь мы взяли знак минус перед корнем, причём для приведенной нулевой функции справедливы соотношения: перед корнем мы берём знак “-”.

Первое приближение. Считая теперь скорости u, u,--w малыми величинами, первого порядка малости, найдём приближённое решение приведённого полного уравнения, со знаком “-” перед корнем, переходящее при пренебрежении величинами u, u,--w в решение ¦_{_}--, в виде функции где является малой величиной первого порядка малости по u, u,--w--. Следуя Стоксу, считаем, что поправочная функция z зависит только от координат x, y и не зависит от координаты z. Это предположение, разумеется, несколько ограничивает произвол отыскиваемого решения. Но если нам удастся его построить, то всё в порядке. Из полного уравнения, которому удовлетворяет функция ¦, со знаком “-” перед корнем, имеем следующее приближённое уравнение для определение функции z : из которого непосредственно получаем приближённое уравнение для определения функции z. Интегрируя полученное уравнение по t, приходим к соотношению

Таким образом, окончательно приходим к следующему приближённому уравнению для определения положения фронта рассматриваемой волны в момент времени t:

Составим выражения для компонент ненормированной нормали к этой поверхности волнового фронта в точке x,y,z = - ct в момент времени t. Имеем

Обозначим через направляющие косинусы для нормали, взятой к найденной приближённо волновой поверхности. Так как величина w--/c мала, то углы так что приближённо можно положить .

В этом месте своих рассуждений Стокс прибегает к гипотезе о потенциальности поля скоростей эфира.

Гипотеза Стокса. Поле скоростей эфира потенциально, т.е. существует такая функция j(x,y,z), что

Согласно гипотезе Стокса имеем следующие очевидные простые соотношения для компонент поля скоростей: используя которые, выведенные приближённые формулы для углов a----и--b можно записать в виде

...