§ 35. Электродинамика и принцип относительности

Световые явления и принцип относительности Галилея

1. По мере развития электродинамики и оптики становилось всё более очевидным, что классическая физика уже не может достаточно точно описывать и объяснять все явления природы. Первое противоречие в классической физике — противоречие между конечностью скорости распространения света и классическим законом сложения скоростей. Во второй половине XIX в. теоретически и экспериментально было установлено, что свет распространяется в вакууме с конечной скоростью, равной 300 000 км/с.

Проделаем мысленный эксперимент. В середине вагона поезда, движущегося со скоростью 240 000 км/с, поместим источник света (рис. 127). В движущейся системе отсчёта «вагон» свет распространяется до передней и задней стенок вагона с одинаковой скоростью с. В неподвижной системе отсчёта «Земля» в соответствии с классическим законом сложения скоростей скорость света с' при его распространении до передней стенки вагона должна быть равна разности скорости света в движущейся системе отсчёта («вагон») с и скорости движения вагона υ, т. е.

с' = с - υ = 300 000 км/с - 240 000 км/с = 60 000 км/с.

вагон

Скорость света с" при его распространении до задней стенки вагона в системе отсчёта «Земля» должна быть равна

с" = с + υ = 300 000 км/с + 240 000 км/с = 540 000 км/с.

Таким образом, в неподвижной системе отсчёта свет распространяется в разных направлениях с разной скоростью, в то время как в движущейся системе отсчёта эта скорость одинакова во всех направлениях, т. е. закон распространения света, справедливый в одной инерциальной системе отсчёта, оказывается несправедливым в другой, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой. Следовательно, принцип относительности Галилея не распространяется на световые явления.

Представления о эфире

2. Тем не менее в науке предпринимались попытки применить классический принцип относительности Галилея к оптическим явлениям. Для этого предполагали, что свет распространяется в упругой среде, названной эфиром и заполняющей всё пространство.

Теория эфира могла дать качественное объяснение многих оптических явлений, но для точного количественного согласования теории с опытом эфир пришлось наделить рядом довольно необычных свойств. Так, считалось, что эфир должен быть невесомым, не оказывающим сопротивления при движении через него и свободно проникающим внутрь всех прозрачных сред.

Для доказательства существования эфира Майкельсоном в 1881 г. был поставлен опыт, в котором определялась скорость движения Земли относительно эфира. Для этого сравнивались значения скорости распространения света по направлению движения Земли и перпендикулярно ему. Эти скорости, согласно представлениям об эфире, должны различаться. Их разность представляет собой скорость «эфирного ветра» (эфира, который увлекается при движении Земли), которая равна скорости движения Земли.

Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в различных условиях, показал, что скорость света одинакова во всех направлениях и «эфирного ветра» не существует.

Окончание >>>