Hypotéza tažení éteru - Aether drag hypothesis

V 19. století byla teorie světelný éter jako hypotetický střední pro šíření světla byla široce diskutována. Důležitou součástí této diskuse byla otázka týkající se stavu pohybu Země s ohledem na toto médium. The hypotéza aetherového tažení se zabýval otázkou, zda je světelný éter tažen nebo unášen pohybující se hmotou. Podle první varianty neexistuje žádný relativní pohyb mezi Zemí a éterem; podle druhého existuje relativní pohyb, a tedy rychlost světla by měla záviset na rychlosti tohoto pohybu („éterový vítr“), která by měla být měřitelná pomocí nástrojů v klidu na zemském povrchu. Specifické éterové modely vynalezl Augustin-Jean Fresnel který v roce 1818 navrhl, aby byl éter částečně strhán hmotou. Druhý navrhl George Stokes v roce 1845, ve kterém je éter zcela stržen uvnitř nebo v blízkosti hmoty.

Zatímco Fresnelova téměř stacionární teorie byla zjevně potvrzena Fizeau experiment (1851), Stokesovu teorii zjevně potvrdila Michelson – Morleyův experiment (1881, 1887). Tuto rozporuplnou situaci vyřešili práce Hendrik Antoon Lorentz (1895, 1904) jehož Lorentzova etherová teorie vykázal jakoukoli formu tažení éteru a nakonec s prací Albert Einstein (1905), jehož teorie speciální relativita neobsahuje vůbec éter jako mechanické médium.^[1][2][3]

Částečné přetažení éteru

V roce 1810 François Arago si uvědomil, že variace indexu lomu látky předpovězené korpuskulární teorií by poskytly užitečnou metodu pro měření rychlosti světla. Tyto předpovědi vznikly, protože index lomu látky, jako je sklo, závisí na poměru rychlostí světla ve vzduchu a ve skle. Arago se pokusil změřit, do jaké míry se budou krvinky světla lámat skleněným hranolem v přední části dalekohledu. Očekával, že bude existovat řada různých úhlů lomu kvůli rozmanitosti různých rychlostí hvězd a pohybu Země v různých časech dne a roku. Na rozdíl od tohoto očekávání zjistil, že neexistuje žádný rozdíl v lomu mezi hvězdami, mezi denní dobou nebo mezi ročními obdobími. Vše, co Arago pozorovalo, bylo obyčejné hvězdná aberace.^[4]

V roce 1818 Augustin-Jean Fresnel zkoumal Arago výsledky pomocí vlnové teorie světla. Uvědomil si, že i když se světlo přenáší jako vlny, index lomu rozhraní sklo-vzduch se měl měnit, jak se sklo pohybuje éterem, aby zasáhlo přicházející vlny různými rychlostmi, když se Země otáčela a roční období se měnily. Fresnel navrhl, aby skleněný hranol nesl část éteru spolu s ním, takže „… aether je uvnitř hranolu přebytek“.^[5]Uvědomil si, že rychlost šíření vln závisí na hustotě média, a tak navrhl, že rychlost světla v hranolu bude muset být upravena množstvím „odporu“. Rychlost světla ${ displaystyle v_ {n}}$ ve skle bez jakýchkoli úprav je dáno:

${ displaystyle v_ {n} = { frac {c} {n}}}$

Nastavení tažení ${ displaystyle v_ {d}}$ darováno:

${ displaystyle v_ {d} = v vlevo (1 - { frac { rho _ {e}} { rho _ {g}}} vpravo)}$

Kde ${ displaystyle rho _ {e}}$ je hustota éteru v prostředí, ${ displaystyle rho _ {g}}$ je hustota éteru ve skle a ${ displaystyle v}$ je rychlost hranolu vzhledem k éteru.

Faktor ${ displaystyle left (1 - { frac { rho _ {e}} { rho _ {g}}} right)}$ lze psát jako ${ displaystyle left (1 - { frac {1} {n ^ {2}}} right)}$ protože index lomu, n, by závisel na hustotě éteru. Toto je známé jako Fresnelův koeficient odporu. Rychlost světla ve skle je pak dána vztahem:

${ displaystyle V = { frac {c} {n}} + v vlevo (1 - { frac {1} {n ^ {2}}} vpravo)}$

Tato oprava byla úspěšná při vysvětlování nulového výsledku Aragoova experimentu. Zavádí koncept převážně stacionárního éteru, který je tažen látkami, jako je sklo, ale nikoli vzduchem. Jeho úspěch upřednostňoval vlnovou teorii světla před předchozí korpuskulární teorií.

Problémy s částečným přetažením éteru

Fresnelov koeficient tažení byl přímo potvrzen Fizeau experiment a jeho opakování. Obecně s pomocí tohoto koeficientu je negativní výsledek všech experimentů s optickým éterovým driftem dostatečně citlivých na detekci za prvé účinky objednávky (například experimenty Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart ) lze vysvětlit. S představou (téměř) stacionárního éteru je také v souladu hvězdná aberace. Tato teorie je však považována za vyvrácenou z následujících důvodů:^[1][2][3]

• Již v 19. století bylo známo, že částečné tažení éteru vyžaduje, aby relativní rychlost éteru a hmoty byla odlišná pro světlo různých barev - což zjevně neplatí.
• Fresnelova teorie (téměř) stacionárního éteru předpovídá pozitivní výsledky experimenty, které jsou dostatečně citlivé na detekci účinků druhého řádu. Experimenty jako např Michelson – Morleyův experiment a Trouton – ušlechtilý experiment, dal negativní výsledky v rámci jejich hranice chyby, a jsou proto považovány za vyvrácení Fresnelova éteru.
• V Hammarův experiment, provádí Gustaf Wilhelm Hammar v roce 1935, a interferometr se společnou cestou byl použit. Masivní olověné bloky byly instalovány na obou stranách pouze jedné nohy interferometru. Toto uspořádání by mělo způsobit různé množství aetherového odporu, a proto by mělo přinést pozitivní výsledek. Výsledek však byl opět negativní.^[6]

Dokončete přetahování éteru

Pro George Stokes (1845) model éteru, který je zcela nedotčen nebo jen částečně ovlivněn pohybující se hmotou, byl nepřirozený a nepřesvědčivý, takže předpokládal, že aether je zcela vtažen do hmoty a v její blízkosti, částečně tažen na větší vzdálenosti a zůstává na odpočívejte ve volném prostoru.^{[7][8][9][10]} Taky Heinrich Rudolf Hertz (1890) začlenil do svého zpracování Maxwellovy teorie elektromagnetismu kompletní model aetherového odporu, aby jej uvedl do souladu s Galileanem princip relativity. To znamená, pokud se předpokládá, že aether je v klidu v hmotě v jednom referenčním rámci, je Galileova transformace dává výsledek, že hmota a (strhaný) éter cestují stejnou rychlostí v jiném referenčním rámci.^[1]

Problémy s úplným přetažením éteru

Lodgeův etherový stroj. Mezi rychle rotující disky bylo vedeno světlo z citlivého interferometru běžné dráhy.

Kompletní přetažení éteru může vysvětlit negativní výsledek všech experimentů s éterovým driftem (jako Michelson – Morleyův experiment). Tato teorie je však považována za nesprávnou z následujících důvodů:^[1][11]

• The Fizeau experiment (1851) naznačil pouze částečné stržení světla.
• The Efekt Sagnac ukazuje, že dva paprsky světla vyzařované ze stejného zdroje světla v různých směrech na rotující plošině vyžadují pro návrat ke zdroji světla různé časy. Pokud je však éter platformou zcela přetažen, tento efekt by se vůbec neměl objevit.
• Oliver Lodge provedl experimenty v 90. letech 19. století a hledal důkazy o tom, že šíření světla je ovlivněno tím, že je v blízkosti velkých rotujících hmot, a nenašel žádný takový vliv.^[12][13]

Úplné přetažení éteru je v rozporu s fenoménem hvězdné aberace. Na tomto obrázku si představte, že hvězdy jsou nekonečně vzdálené. Aberace nastává, když má rychlost pozorovatele složku, která je kolmá na čáru, kterou prochází světlo přicházející z hvězdy. Jak je vidět na animaci vlevo, dalekohled musí být nakloněn, než se hvězda objeví uprostřed okuláru. Jak je vidět na animaci vpravo, je-li éter tažen v blízkosti Země, musí být dalekohled namířen přímo na hvězdu, aby se hvězda objevila ve středu okuláru.

• Je to v rozporu s jevem hvězdná aberace. Při hvězdné aberaci se poloha hvězdy při pohledu dalekohledem každých šest měsíců otočí z každé strany centrální polohy přibližně o 20,5 obloukových sekund. Toto množství švihu je očekávané množství, když se vezme v úvahu rychlost pohybu Země na oběžné dráze. V roce 1871 Vzdušný prokázal, že k hvězdné aberaci dochází, i když je dalekohled naplněn vodou. Zdá se, že pokud by byla hypotéza aetherového tahu pravdivá, hvězdná aberace by nenastala, protože světlo by cestovalo v éteru, který by se pohyboval společně s dalekohledem. Zvažte kbelík ve vlaku, který má vstoupit do tunelu, a kapka vody kape ze vchodu do tunelu do kbelíku v samém středu. Kapka nezasáhne střed ve spodní části vědra. Vědro je analogické tubusu dalekohledu, kapka je foton a vlak je země. Je-li éter tažen, pak by kapka při pádu cestovala s vlakem a zasáhla by střed kbelíku dole. Míra hvězdné aberace, ${ displaystyle alpha}$, darováno:

${ displaystyle tan ( alpha) = { frac {v delta t} {c delta t}}.}$ Tak: ${ displaystyle tan ( alpha) = { frac {v} {c}}}$

Rychlost, kterou Země obíhá kolem Slunce, v = 30 km / s, a rychlost světla je c = 299 792 458 m / s, což dává ${ displaystyle alpha}$ = 20,5 obloukových sekund každých šest měsíců. Toto množství aberace je pozorováno a to je v rozporu s úplnou hypotézou aetherového odporu.

Stokesovy reakce na tyto problémy

Stokes již v roce 1845 zavedl několik dalších předpokladů, aby uvedl svou teorii do souladu s experimentálními výsledky. Aby vysvětlil aberaci, předpokládal, že i jeho nestlačitelný éter je irrotační, což by v souvislosti s jeho konkrétním modelem aetherového tahu dalo správný zákon aberace.^[7] K reprodukci Fresnelova koeficientu tažení (a tedy k vysvětlení Fizeauova experimentu) tvrdil, že éter je zcela přetažen v médiu - tj. aether se zkondenzuje, když vstoupí do média, a zředí se, když ho znovu opustí, což mění rychlost éteru i rychlosti světla a vede ke stejnému výrazu jako Fresnelovo.^[8]

I když byla Stokesova aberační teorie po určitou dobu považována za životaschopnou, bylo nutné ji vzdát, protože Lorentz v roce 1886 tvrdil, že když je éter nestlačitelný jako v Stokesově teorii, a pokud má éter stejnou normální složku rychlosti jako Země by neměla stejnou tangenciální složku rychlosti, takže nelze splnit všechny podmínky, které představuje Stokes.^[14]

Gravitační přetažení éteru

Další verzi Stokesova modelu navrhl Theodor des Coudres a Wilhelm Wien (1900). Předpokládali, že tažení éteru je úměrné gravitační hmotnosti. To znamená, že éter je zcela tažen Zemí a jen částečně tažen menšími objekty na Zemi.^[15] A abychom zachránili Stokesovo vysvětlení aberace, Max Planck (1899) argumentoval v dopise Lorentzovi, že éter nemusí být nestlačitelný, ale kondenzovaný gravitací v blízkosti Země, což by poskytlo podmínky potřebné pro Stokesovu teorii („Stokesova-Planckova teorie“). Ve srovnání s experimenty výše může tento model vysvětlit pozitivní výsledky experimentů Fizeaua a Sagnaca, protože malá hmotnost těchto přístrojů může jen částečně (nebo vůbec ne) táhnout éter a ze stejného důvodu vysvětluje negativní výsledek Lodgeových experimentů. Je také kompatibilní s Hammarovým a Michelson-Morleyovým experimentem, protože éter je zcela tažen velkou hmotou Země.

Tuto teorii však přímo vyvrátil Michelson – Gale – Pearsonův experiment (1925). Velkým rozdílem tohoto experimentu oproti obvyklým Sagnacovým experimentům je skutečnost, že byla měřena samotná rotace Země. Pokud je éter zcela tažen zemským gravitačním polem, je třeba očekávat negativní výsledek - ale výsledek byl pozitivní.^[11]

A z teoretické stránky to bylo poznamenáno Hendrik Antoon Lorentz, že Stokesova-Planckova hypotéza vyžaduje, aby rychlost světla nebyla ovlivněna zvýšením hustoty éteru 50 000krát. Samotní Lorentz a Planck tuto hypotézu odmítli jako nepravděpodobnou.^[1][16]

Lorentz a Einstein

Jelikož byl Lorentz nucen opustit Stokesovu hypotézu, vybral si jako výchozí bod Fresnelov model.^{[Citace je zapotřebí ]} Byl schopen reprodukovat Fresnelovu koeficient tažení v roce 1892, i když v Lorentzově teorii to představuje modifikaci šíření světelných vln, nikoli výsledek jakéhokoli unášení éteru. Proto, Lorentzův éter je zcela nehybný nebo nepohyblivý. To však vede ke stejnému problému, který již postihl Fresnelov model: stál v rozporu s experimentem Michelson – Morley. Proto, George Francis FitzGerald (1889) a Lorentz (1892) kontrakce délky, to znamená, že všechna těla se smršťují v řadě pohybu faktorem ${ displaystyle { sqrt {1-v ^ {2} / c ^ {2}}}}$. Navíc v Lorentzově teorii Galileova transformace byl nahrazen Lorentzova transformace.^[17]

Akumulace hypotéz k záchraně konceptu stacionárního éteru však byla považována za velmi umělou. Tak to bylo Albert Einstein (1905), který uznal, že je pouze nutné převzít princip relativity a stálost rychlosti světla ve všech setrvačné referenční rámce, za účelem rozvoje teorie speciální relativita a odvodit úplnou Lorentzovu transformaci. To vše bylo provedeno bez použití konceptu stacionárního éteru.^[18]

Jak ukazuje Max von Laue (1907), speciální relativita předpovídá výsledek Fizeauova experimentu z přidání rychlosti věta bez nutnosti éteru. Li ${ displaystyle V}$ je rychlost světla vzhledem k Fizeauovu aparátu a ${ displaystyle U}$ je rychlost světla vzhledem k vodě a ${ displaystyle v}$ je rychlost vody:

${ displaystyle U = { frac {c} {n}}}$

${ displaystyle V = { frac {c / n + v} {1 + v / nc}}}$

který, pokud je v / c malý, lze rozšířit pomocí binomické expanze na:

${ displaystyle V cca { frac {c} {n}} + v vlevo (1 - { frac {1} {n ^ {2}}} vpravo)}$

Je to stejné jako Fresnelova rovnice.^[19]

Allaisova éterová hypotéza

Maurice Allais navrhl v roce 1959 éterovou hypotézu zahrnující rychlost větru asi 8 km / s, mnohem nižší než standardní hodnota 30 km / s podporovaná vědci devatenáctého století, a je kompatibilní s Michelson-Morley a Dayton Miller experimenty,^[20] stejně jako jeho vlastní experimenty týkající se kontroverzních Allaisův efekt nepředvídatelné obecnou relativitou.^[21][22] Přes obhajobu potřeby druhého teorie gravitace,^[23] jeho hypotéza nezískala mezi hlavními vědci významnou pozornost.

souhrn

V moderní fyzice (která je založena na teorie relativity a kvantová mechanika ), éter jako „hmotná látka“ se „stavem pohybu“ již nehraje žádnou roli. Vědecká komunita tedy otázky týkající se možného „aetherového tažení“ již nepovažuje za smysluplné. Nicméně, tažení rámu jak předpovídal obecná relativita, ve kterém rotující masy narušují časoprostorová metrika, způsobující a precese orbity blízkých částic existuje. Tento efekt je ale řádově slabší než jakýkoli „aetherový tah“ pojednávaný v tomto článku.

Viz také

• Historie speciální relativity
• Zkoušky speciální relativity
• Testy obecné relativity
• Přetažení rámu

Bibliografie a odkazy

• Wikibooks: Special Relativity
• Resnick, Robert, Základní pojmy relativity a rané kvantové teorie, 1972, John Wiley and Sons Inc.

externí odkazy

• Mathpages: Stokesova chyba