В 1864 году Максвелл открыл уравнения электродинамики:
Уравнения Максвелла через запаздывающий потенциал описывают распространение электромагнитной волны в пространстве. Из своих уравнений Максвелл вывел дифференциальное уравнение второго порядка:
Это уравнение имеет следующее решение:
Здесь Е(х) – номинальная напряженность стационарного электрического поля в произвольной точке х, А -- ее амплитуда, при прохождении электромагнитной волны. А это решение уже является конкретно уравнением распространения электромагнитной волны в пространстве.
Проанализировав свои уравнения и их решения, Максвелл пришел к выводу, что любое возмущение электрического поля не может оставаться на месте, а распространяется по полю в виде волны, аналогично волне от брошенного в воду камня, или звуковым волнам в воздухе. Кроме того, изменяющееся электрическое поле обязательно вызывает в этом месте возникновение переменного магнитного поля, а возникшее переменное магнитное поле вызывает изменение электрического поля.
Таким образом, при распространении электромагнитной волны в электрическом поле, происходит постоянное взаимное превращение избыточной относительно номинала потенциальной энергии электрического поля в кинетическую энергию переменного магнитного поля. Поэтому электрическая и магнитная волны распространяются по стационарному электрическому полю в виде единой электромагнитной волны. Так Максвелл, за 20 лет до их открытия Герцем, предсказал существование в природе электромагнитных волн теоритически. А вычислив из своих уравнений скорость распространения электромагнитных волн
, Максвелл с удивлением обнаружил, что она в точности равна скорости света. Из этого сделали вывод, что свет это тоже электромагнитная волна, и оптика становится составной частью электродинамики.
Из сказанного в предыдущем абзаце, общепринятое графическое изображение векторов электрической Е и магнитной Н напряженностей в электромагнитной волне следует признать неверным. А именно. Во всех известных волновых процессах, взаимно превращающеся друг в друга потенциальная и кинетическая энергии сдвинуты на графиках на четверть периода. И если потенциальная энергия изображается синусоидой, то кинетическая – обязательно косинусоидой. Оно и понятно: иначе было бы невозможно их взаимное превращение, в результате которого происходит распространение волны в пространстве. Вектора же Е и Н, определяющие потенциальную и кинетическую энергии электромагнитной волны на графике изображают в фазе в виде синусоид. И так, в графическом изображении распространения электромагнитной волны в пространстве, изменение напряженности электрического поля должно откладываться по оси Y в виде синусоиды вдоль оси Х, которая указывает направление распространения электромагнитной волны. Изменение же напряженности магнитного поля должно откладывать по оси Z в виде косинусоиды вдоль оси Х, а не в виде синусоиды, как это делается сейчас.
Далее, неожиданно на фоне всеобщей эйфории от значительных успехов в оптике и электродинамике, обнаружилось, что уравнения Максвелла не инвариантны преобразованиям Галилея. Научная общественность в недоумении: как же так на протяжении сотен лет все уравнения движения были инвариантны преобразованиям Галилея, а уравнения Максвелла, описывающие распространение электромагнитной волны в пространстве, нет. И уравнения Максвелла нельзя было по преобразованиям Галилея переводить в подвижную систему координат и обратно. Первым делом стали грешить на молодые уравнения Максвелла. Пробовали их переделать (Лоренц), несколько подправить и подогнать под преобразования Галилея (Герц), но из этого ничего не получалось. Да и точность, с которой из уравнений Максвелла была получена скорость света, говорила о верности уравнений Максвелла. Но и преобразования Галилея прошли к этому моменту проверку временем более чем в двести лет. Как вышли из этого положения, и как следовало бы выходить, мы разберем несколько позже. А пока вернемся к волновой теории света.
Раз свет это волна, то, по аналогии с волнами на воде и звуковыми волнами в воздухе, должна быть какая-то среда, в которой распространяются световые волны. Эту гипотетическую среду назвали эфиром. Но свет приходит к нам из самых отдаленных глубин космоса и проходит через прозрачные тела, а электромагнитные волны и через непрозрачные. Поэтому предположили, что эфир представляет собой самостоятельную, абсолютно неподвижную среду, которая заполняет собой не только все космическое пространство, но и межмолекулярные и межатомные пространства материальных тел. И, в принципе, можно определить скорость Земли в абсолютно неподвижном эфире
, то есть абсолютную скорость Земли относительно абсолютного, неподвижного пространства.
Таким образом, вроде бы наметилась абсолютно неподвижная среда, о которой мы говорили в самом начале, и с которой можно связать абсолютную систему координат, а все остальные инерциальные системы координат можно привязывать непосредственно к ней. Правда, это предположение противоречило определению пространства Ньютоном. Согласно Ньютону в любом физическом эксперименте мы можем иметь дело только с относительным пространством, а абсолютное пространство это чисто философское понятие, и его никак невозможно обнаружить экспериментально. Но на это несоответствие определения эфира Ньютону никто не обратил внимания.
Из тогдашнего определения эфира следовало, что свет со скоростью с распространяется в абсолютном пространстве-эфире. Земля движется в этом пространстве с какой-то абсолютной скоростью
. Следовательно, согласно преобразованиям Галилея скорость света относительно Земли должна быть
, если Земля движется навстречу свету. Определив каким-то образом скорость света относительно Земли
и вычтя из нее скорость света в эфире
, которую считали постоянной, надеялись получить абсолютную скорость Земли в абсолютном пространстве. Но это есть скорость окружающего эфира относительно Земли, так называемый эфирный ветер.
Эпопея поиска эфира и эфирного ветра, начата более 300 лет назад, после выдвижения волновой теории света и продолжается пока безрезультатно до настоящего времени. По продолжительности и драматизму ее можно сравнить с поиском доказательства великой теоремы Ферма. Теорема Ферма уже 15 лет как доказана, а эфир до сих пор не найден. И основная заслуга в этом принадлежит Эйнштейну, который объявил, что эфира в природе не существует. После этого поиски эфира и эфирного ветра велись уже не так интенсивно. А факты обнаружения эфирного ветра не признавались: ведь Эйнштейн сказал, что эфира в природе нет.
Перечислять все попытки обнаружения эфира и эфирного ветра мы здесь не будем, рассмотрим лишь самые характерные и значимые из них. Но прежде подчеркнем, что аберрация света и изменение месяца Ио в элонгациях на +-15 секунд указывают на то, что свет со скоростью с распространяется в эфире, связанном с Солнцем. Именно с Солнцем, а не с абсолютным пространством, как думали ранее. А эфирный ветер относительно Земли составляет +-30 км/сек.
В 1810 году Араго предпринял следующую попытку по обнаружению эфирного ветра от движения Земли по своей орбите. Исходя из тогдашнего предположения об абсолютном эфире и преобразований Галилея, скорость света от наблюдаемой звезды относительно Земли должна быть на 30 км/сек больше
, когда Земля по своей орбите движется навстречу лучу света, и на 30 км/сек меньше -- когда Земля убегает от луча света. Но от скорости света относительно телескопа зависят углы преломления его оптики. Поэтому фокусы изображения звезды, при наблюдениях за звездой во встречном и попутном движениях Земли, должны быть в разных плоскостях телескопа. Но Араго в своих наблюдениях этой разници не обнаружил. Из опыта Араго сделали вывод, что скорость света в окружающем, как тогда считали, абсолютном эфире относительно Земли всегда одинакова, и не зависит от движения Земли по своей орбите навстречу лучу света или от него.
В 1879 году Максвелл предложил следующий эксперимент, по обнаружению эфирного ветра от движения всей Солнечной системы по орбите Солнца. Он предложил по методу Ремера измерить время прохождения светом диаметра земной орбиты, при движении всей Солнечной системы навстречу лучу света и от него. Время прохождения светом диаметра Земной орбиты составляет 1000 секунд. Расчеты показали: если разница в прохождении светом диаметра Земной орбиты, при движении всей солнечной системы навстречу лучу света и от него, составит всего одну секунду, это будет соответствовать скорости Солнечной системы относительно абсолютного эфира в 150 км/сек. Но за все время астрономических наблюдений никто этой разницы не обнаружил. Из этого сделали вывод, что скорость света в абсолютном эфире относительно Земли всегда одинакова и не зависит от того движется Земля вместе с Солнцем со скоростью 250 км/сек навстречу лучу света или от него.
Самый же известный эксперимент по обнаружению эфирного ветра от движения Земли по ее орбите, за который Майкельсон получил Нобелевскую премию, был проведен им в 1881 году. Для своего эксперимента Майкельсон изобрел интерферометр, который назвали его именем. В этом интерферометре луч света от источника Q делится полупрозрачным зеркалом А на два взаимно перпендикулярных. Эти лучи, пройдя одинаковые расстояния L взаимно перпендикулярных плечей прибора, отразившись от зеркал В и С, возвращаются к полупрозрачному зеркалу А и направляются им на экран Э. Во время испытания одно плечо прибора направляется вдоль движения Земли по орбите, другое – перпендикулярно. Исходя из предположения, что световые волны со скоростью
распространяются в абсолютном окружающем эфире, в котором со скоростью
вместе с Землей движется интерферометр, подсчитали, что время прохождения светом продольного плеча прибора туда и обратно составляет
. Время же прохождения поперечного плеча прибора туда и обратно --
.
То есть, время и путь, пройденный продольным лучом света до попадания на экран несколько больше времени и пути, пройденного поперечным лучом света. Поэтому световые волны попадают на экран со сдвигом фаз и создают на экране интерференционные полосы. После этого интерферометр поворачивается на девяносто градусов. Из-за изменения ориентаций плеч прибора относительно движения Земли на противоположные, интерференционные полосы на экране должны передвинуться. По величине сдвига интерференционных полос
, из формулы
надеялись получить скорость Земли относительно абсолютно неподвижного эфира
. Но при повороте прибора на девяносто градусов Майкельсон никакого сдвига интерференционных полос не обнаружил. А это означало, что Земля вместе с прибором не движется относительно эфира, в котором распространяются световые волны. Научная общественность снова в недоумении. Как же так Земля только по своей орбите движется со скоростью 30 км/сек, а если учесть ее движение со скоростью 250 км/сек вместе с Солнцем, а если еще и вместе с Галактикой. И все это относительно абсолютно неподвижного эфира, а опыт Майкельсона этого движения не обнаруживает.
В 1887 году Майкельсон совместно с Морли значительно усовершенствовали интерферометр. За счет многократного отражения они на полутораметровой базе довели эффективную длину каждого плеча прибора до пяти с половиной метров. За счет этого была значительно увеличена точность прибора, но эфирный ветер все равно не был найден. Пытались объяснить это увлечением эфира Землей в пограничном слое, где проводится опыт Майкельсона. Но в этом случае, как тогда ошибочно считали, не должно быть аберрации света. Поэтому увлечение эфира Землей отвергли. Считая, что с ростом высоты увлечение эфира Землей должно уменьшаться, подобные эксперименты были проведены на различных высотах, как на горе, так и на воздушном шаре. Но результат везде был одинаков. Пытаясь объяснить отсутствие эфирного ветра в опыте Майкельсона-Морли, Лармор, Фицжеральд и Лоренц независимо друг от друга предположили, что все движущиеся тела сжимаются в отношении
. Поэтому, при определении истинной длины продольного плеча интерферометра Майкельсона, ее надо умножить на
. После этого, время прохождения светом продольного и поперечного плечей интерферометра становится одинаковым
, а световые волны взаимно перпендикулярных лучей света в интерферометре Майкельсона приходят на экран в одинаковой фазе. Поэтому при повороте прибора на девяносто градусов никакого сдвига интерференционных полос быть не может, и определение эфирного ветра в опыте Майкельсона становится принципиально невозможным. Лоренц считал сжатие движущихся тел также естественным, как и их температурное расширение. Объяснял же это сжатие Лоренц преодолением движущимися телами электромагнитного сопротивления эфира. Приняв такое объяснение отсутствия эфирного ветра в опыте Майкельсона, стали считать, что все движущиеся тела сжимаются.
Далее, пытаясь найти способ перевода уравнений Максвелла в подвижную систему координат, и исходя из предположения о сжатии движущихся тел, Лоренц интуитивно нашел систему уравнений, которым уравнения Максвелла были инвариантны. Эти уравнения стали называть преобразованиями Лоренца. Преобразования Лоренца были приняты, так как они обеспечивали принцип относительности для уравнений Максвелла. Но из преобразований Лоренца следовало, что время в движущейся системе координат течет медленнее, также в отношении
. Лоренц называл это время местным. Приняв преобразования Лоренца, пришлось признать, что время в движущихся системах координат течет медленнее.
Таким образом, к моменту создания специальной теории относительности в физике существовало два парадокса: неинвариантность уравнений Максвелла преобразованиям Галилея и отсутствие эфирного ветра в опыте Майкельсона, которые фактически уже как-то были разрешены, сжатием движущихся тел и введением преобразований Лоренца.
Эйнштейн же начал копать глубже, пытаясь объяснить упомянутые парадоксы более корректно и фундаментально. В опытах Майкельсона, Араго, Максвелла и множестве других им подобных движение Земли и Солнца относительно абсолютно эфира, то есть эфирный ветер не обнаруживались. Исходя из этого, Эйнштейн сделал вывод, что во всех инерциальных системах координат скорость света одинакова и выдвинул постулат об абсолютности скорости света. Но абсолютность скорости света противоречит самому понятию скорости. Кроме того, как мы уже показали ранее: при определении скорости света относительно Земли, к скорости света в межпланетном пространстве прибавляется скорость Земли в этом пространстве по ее орбите. И эта относительная скорость света объясняет аберрацию и изменение месяца Ио в элонгациях. Но Эйнштейн об этих фактах, похоже, не знал и сделал абсурдный вывод об абсолютности скорости света. Исходя из абсолютности скорости света, Эйнштейн математически вывел преобразования Лоренца. Таким образом, преобразования Лоренца являются математическим выражением постулата об абсолютности скорости света. Но Гречаный ПП показал, что вывод Эйнштейном преобразований Лоренца некорректен.
Уравнения Максвелла инвариантны преобразованиям Лоренца, которые при малых скоростях переходят в преобразования Галилея, которым уравнения Максвелла уже неинвариантны. Исходя из этого, Эйнштейн сделал вывод, что преобразования Лоренца более строго и точно описывают принцип относительности и должны заменить преобразования Галилея и в механике. Считается, что этим Эйнштейн распространил принцип относительности Галилея в механике на все законы физики. Но из уравнений механики и преобразований Лоренца следует, что масса движущегося тела увеличивается также в отношении
. Поэтому, приняв преобразования Лоренца в механике, пришлось признать, что и масса движущегося тела увеличивается.
Синельников.