Hypotéza aerodynamického odporu - Aether drag hypothesis

V 19. století byla široce diskutována teorie světelného éteru jako hypotetického média pro šíření světelných vln. Hypotéza éteru vznikla, protože fyzici té doby nedokázali pojmout světelné vlny šířící se bez fyzického média, ve kterém by tak učinily. Když se experimentům nepodařilo odhalit hypotetický světelný éter, fyzikové vymysleli vysvětlení, která zachránila existenci hypotetického éteru, pro neschopnost experimentů jej detekovat.

Éter táhnout hypotéza se navrhuje, aby luminiferous éteru je tažena nebo unášena pohybující záležitost. Podle jedné verze této hypotézy neexistuje žádný relativní pohyb mezi Zemí a éterem. Podle jiné verze se Země pohybuje relativně vůči éteru a naměřená rychlost světla by měla záviset na rychlosti tohoto pohybu („éterový vítr“), který by měl být měřitelný přístroji v klidu na povrchu Země. V roce 1818 Augustin-Jean Fresnel navrhl, aby byl éter částečně stržen hmotou. V roce 1845 George Stokes navrhl, aby byl éter zcela unášen uvnitř hmoty nebo v její blízkosti.

Ačkoli Fresnelova téměř stacionární teorie byla zjevně potvrzena Fizeauovým experimentem (1851), Stokesovu teorii zjevně potvrdil experiment Michelson – Morley (1881, 1887). Hendrik Lorentz vyřešil tuto rozporuplnou situaci ve své vlastní teorii éteru , která zahnala jakoukoli formu přetahování éteru. A konečně, Albert Einstein ‚s speciální teorie relativity (1905) vylučuje éteru jako mechanický média.

Částečné přetahování éteru

V roce 1810 si François Arago uvědomil, že variace indexu lomu látky předpovídané 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 by se světelné kuličky lámaly skleněným hranolem v přední části dalekohledu. Očekával, že díky různým rychlostem hvězd a pohybu Země v různých denních a ročních dobách bude existovat řada různých úhlů lomu. Na rozdíl od tohoto očekávání zjistil, že neexistuje žádný rozdíl v lomu mezi hvězdami, mezi denní dobou nebo mezi ročními obdobími. Vše, co Arago pozoroval, byla obyčejná hvězdná aberace .

V roce 1818 zkoumal Augustin-Jean Fresnel výsledky Araga pomocí vlnové teorie světla. Uvědomil si, že i kdyby světlo bylo přenášeno jako vlny, index lomu rozhraní sklo-vzduch by se měl měnit, jak se sklo pohybovalo éterem, aby při otáčení Země a změnách ročních období dopadalo na příchozí vlny různými rychlostmi. Fresnel navrhl, aby skleněný hranol nesl část éteru spolu s ním, takže „.. éter je v hranolu nadbytek“. Uvědomil si, že rychlost šíření vln závisí na hustotě média, které bylo navrženo tak, že rychlost světla v hranolu bude muset být upravena množstvím „odporu“. Rychlost světla ve skle bez jakékoli úpravy je dána vztahem: ${\ displaystyle v_ {n}}$

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

Úprava odporu je dána vztahem: ${\ displaystyle v_ {d}}$

{\ displaystyle v_ {d} = v \ left (1-{\ frac {\ rho _ {e}} {\ rho _ {g}}} \ right)}

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

Faktor lze zapsat tak, že index lomu, n, bude záviset na hustotě éteru. Toto je známé jako Fresnelův součinitel odporu . Rychlost světla ve skle je pak dána vztahem: ${\ Displaystyle \ left (1-{\ frac {\ rho _ {e}} {\ rho _ {g}}} \ right)}$ ${\ Displaystyle \ left (1-{\ frac {1} {n^{2}}} \ right)}$

{\ Displaystyle V = {\ frac {c} {n}}+v \ left (1-{\ frac {1} {n^{2}}} \ right)}

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

Problémy částečného přetahování éteru

Fresnelův přetahovací koeficient byl přímo potvrzen Fizeauovým experimentem a jeho opakováním. Obecně lze pomocí tohoto koeficientu vysvětlit negativní výsledek všech experimentů s driftem optického etheru dostatečně citlivých na detekci efektů prvního řádu (jako jsou experimenty Araga, Fizeaua, Hoeka, Airye, Mascarta ). S hvězdnou aberací je také v souladu pojem (téměř) stacionárního éteru . Tato teorie je však považována za vyvrácenou z následujících důvodů:

Již v 19. století bylo známo, že částečné přetahování éteru vyžaduje, aby relativní rychlost éteru a hmoty byla odlišná pro světlo různých barev - což evidentně neplatí.
Fresnelova teorie (téměř) stacionárního éteru předpovídá pozitivní výsledky experimenty, které jsou dostatečně citlivé na detekci efektů druhého řádu. Experimenty, jako experiment Michelson – Morley a experiment Trouton – Noble , však poskytly negativní výsledky v mezích chyby, a jsou proto považovány za vyvrácení Fresnelova éteru.
V Hammarově experimentu , který provedl Gustaf Wilhelm Hammar v roce 1935, byl použit interferometr se společnou cestou . Masivní olověné bloky byly instalovány na obou stranách pouze jedné nohy interferometru. Toto uspořádání by mělo způsobit různá množství éterového odporu, a proto by mělo přinést pozitivní výsledek. Výsledek však byl opět negativní.

Dokončete přetahování éteru

Pro George Stokese (1845) byl model éteru, který je zcela neovlivněn nebo jen částečně ovlivněn pohybující se hmotou, nepřirozený a nepřesvědčivý, takže předpokládal, že éter je zcela vlečen uvnitř hmoty a v její blízkosti, částečně vlečen na větší vzdálenosti, a zůstává v klidu ve volném prostoru. Také Heinrich Rudolf Hertz (1890) začlenil do svého zpracování Maxwellovy teorie elektromagnetismu kompletní model éterového odporu, aby jej uvedl do souladu s galilejským principem relativity . To znamená, že pokud se předpokládá, že éter je v klidu v hmotě v jednom referenčním rámci, galilejská transformace dává výsledek, že hmota a (strhaný) éter cestují stejnou rychlostí v jiném referenčním rámci.

Problémy úplného přetažení éteru

Lodgeův etherový stroj. Mezi rychle rotujícími disky bylo vedeno světlo z citlivého interferometru se společnou cestou.

Kompletní přetahování éteru může vysvětlit negativní výsledek všech experimentů s éterovým driftem (jako experiment Michelson – Morley). Tato teorie je však považována za nesprávnou z následujících důvodů:

Fizeau experiment (1851) je uvedeno pouze částečnou strhávání světla.
Na efekt Sagnac ukazuje, že dva paprsky světla, vyzařovaly ze stejného zdroje světla v různých směrech na otočné plošině, vyžadují různou dobu, aby se vrátil do světelného zdroje. Pokud je však éter zcela přetažen platformou, nemělo by k tomuto efektu vůbec dojít.
Oliver Lodge prováděl experimenty v 90. letech 19. století a hledal důkaz, že šíření světla je ovlivněno tím, že se nachází v blízkosti velkých rotujících hmot, a žádný takový vliv nenašel.

Kompletní přetahování éteru je v rozporu s fenoménem hvězdné aberace. Na této ilustraci si představte, že hvězdy jsou nekonečně vzdálené. K aberaci dochází, když má rychlost pozorovatele složku, která je kolmá na přímku procházející světlem přicházejícím z hvězdy. Jak je vidět na animaci vlevo, dalekohled musí být nakloněn, než se hvězda objeví ve středu okuláru. Jak je vidět na animaci vpravo, pokud je éter tažen v blízkosti Země, pak musí být dalekohled namířen přímo na hvězdu, aby se hvězda objevila ve středu okuláru.

Je to v rozporu s fenoménem hvězdné aberace . Při hvězdné aberaci se poloha hvězdy při pohledu pomocí dalekohledu každých šest měsíců otočí každou stranou centrální polohy o zhruba 20,5 sekund oblouku. Toto množství švihu je množství očekávané při zvažování rychlosti pohybu Země na její oběžné dráze. V roce 1871 Airy prokázal, že k hvězdné aberaci dochází, i když je dalekohled naplněn vodou. Zdá se, že pokud by byla hypotéza aerodynamického odporu pravdivá, pak by k hvězdné aberaci nedošlo, protože světlo by cestovalo v éteru, který by se pohyboval spolu s dalekohledem. Uvažujte o kbelíku ve vlaku, který se chystá vstoupit do tunelu, a kapka vody kape ze vstupu do tunelu do kbelíku v samém středu. Kapka nezasáhne střed ve spodní části kbelíku. Kbelík je analogický tubusu dalekohledu, kapka je foton a vlak je země. Pokud je vlečen éter, kapka by při pádu cestovala s vlakem a zasáhla by střed lopaty ve spodní části. Výše hvězdné aberace,, je dána vztahem: ${\ displaystyle \ alpha}$

{\ 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 = 20,5 sekund oblouku každých šest měsíců. Toto množství aberace je pozorováno a to je v rozporu s úplnou hypotézou o aerodynamickém odporu.

{\ displaystyle \ alpha}

Stokesovy reakce na tyto problémy

Stokes již v roce 1845 představil několik dalších předpokladů, aby svou teorii uvedl do souladu s experimentálními výsledky. Aby vysvětlil aberaci, předpokládal, že i jeho nestlačitelný éter je irotační, což v souvislosti s jeho konkrétním modelem aerodynamického odporu poskytne správný zákon aberace. Aby reprodukoval Fresnelův přetahovací koeficient (a tedy pro vysvětlení Fizeauova experimentu), tvrdil, že éter je zcela vtažen do média - tj. Éter se kondenzuje, když vstupuje do média, a je vzácný, když jej opouští, což mění rychlost éteru i světla a vede ke stejnému výrazu jako Fresnelovu.

I když byla Stokesova aberační teorie po nějakou dobu považována za životaschopnou, musela se jí 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 všechny podmínky kladené Stokesem nelze splnit současně.

Gravitační tah éteru

Další verzi Stokesova modelu navrhli Theodor des Coudres a Wilhelm Wien (1900). Předpokládali, že vlečení éteru je úměrné gravitační hmotnosti. To znamená, že éter je zcela vlečen Zemí a jen částečně je vlečen menšími objekty na Zemi. A aby zachránil Stokesovo vysvětlení aberace, Max Planck (1899) v dopise Lorentzovi tvrdil, že éter nemusí být nestlačitelný, ale kondenzován gravitací v blízkosti Země, a to by poskytlo podmínky potřebné pro Stokesovu teorii („Stokes-Planckova teorie“). Ve srovnání s výše uvedenými experimenty může tento model vysvětlit pozitivní výsledky experimentů Fizeaua a Sagnaca, protože malá hmotnost těchto nástrojů může éter přetáhnout jen částečně (nebo vůbec) 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 experiment Michelson – Gale – Pearson (1925). Velkým rozdílem tohoto experimentu oproti obvyklým Sagnacovým experimentům je skutečnost, že byla měřena samotná rotace Země. Pokud je éter zcela tažen gravitačním polem Země, je třeba očekávat negativní výsledek - ale výsledek byl pozitivní.

A z teoretické stránky poznamenal Hendrik Antoon Lorentz , že hypotéza Stokes-Planck vyžaduje, aby rychlost světla nebyla ovlivněna zvýšením hustoty 50 000krát éteru. Lorentz a sám Planck tedy tuto hypotézu odmítli jako nepravděpodobnou.

Lorentz a Einstein

Protože byl Lorentz nucen opustit Stokesovu hypotézu, vybral si jako výchozí bod Fresnelův model. V roce 1892 dokázal reprodukovat Fresnelův tažný koeficient, ačkoli v Lorentzově teorii představuje modifikaci šíření světelných vln, nikoli výsledek jakéhokoli éterového strhávání. Z tohoto důvodu, Lorentzova éter je zcela v klidu nebo nepohyblivé. To však vede ke stejnému problému, který již postihl Fresnelův model: stál v rozporu s experimentem Michelson – Morley. Proto George Francis FitzGerald (1889) a Lorentz (1892) zavedli kontrakci délky , to znamená, že se všechna těla stahují v linii pohybu podle faktoru . V Lorentzově teorii byla navíc galilejská transformace nahrazena Lorentzovou transformací . ${\ displaystyle {\ sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Kumulace hypotéz na záchranu konceptu stacionárního éteru však byla považována za velmi umělou. Byl to tedy Albert Einstein (1905), který uznal, že je nutné pouze převzít princip relativity a stálost rychlosti světla ve všech inerciálních vztažných soustavách , aby se rozvinula teorie speciální relativity a odvodila kompletní Lorentzova transformace. To vše bylo provedeno bez použití konceptu stacionárního éteru.

Jak ukazuje Max von Laue (1907), speciální relativita předpovídá výsledek Fizeauova experimentu z věty o adici rychlosti bez potřeby éteru. If je rychlost světla vzhledem k Fizeauovu aparátu a je to rychlost světla vzhledem k vodě a je to rychlost vody: ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle U}$ ${\ displaystyle v}$

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

{\ Displaystyle V = {\ frac {c/n+v} {1+v/nc}}}

který, pokud je v/c malý, lze rozšířit pomocí binomického rozšíření na:

{\ Displaystyle V \ cca {\ frac {c} {n}}+v \ vlevo (1-{\ frac {1} {n^{2}}} \ right)}

To je shodné s Fresnelovou rovnicí .

Hypotéza Allais éteru

Maurice Allais navrhl v roce 1959 éterovou hypotézu zahrnující rychlost větru asi 8 km/s, mnohem nižší než standardní hodnota 30 km/s podporovanou vědci devatenáctého století a kompatibilní s experimenty Michelson – Morley a Dayton Miller , stejně jako jeho vlastní experimenty týkající se kontroverzního Allaisova jevu nepředvídatelného obecnou relativitou. Navzdory obhajobě potřeby další teorie gravitace jeho hypotéza mezi hlavními vědci nezískala významnou pozornost.

souhrn

V moderní fyzice (která vychází z teorie relativity a kvantové mechaniky ) éter jako „hmotná látka“ se „stavem pohybu“ již nehraje žádnou roli. Otázky týkající se možného „éterového tažení“ již vědecká komunita nepovažuje za smysluplné. Přetahování snímků podle předpovědi obecné relativity , ve kterém rotující hmoty narušují časoprostorovou metriku , což způsobuje precesi oběžné dráhy blízkých částic, existuje. Tento efekt je ale řádově slabší než jakýkoli „aether drag“, o kterém se pojednává v tomto článku.

Viz také

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

Languages

In other projects