ЭКСПЕРИМЕНТ МАЙКЕЛЬСОНА-МОРЛИ: ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНО-АБСОЛЮТНОЙ СКОРОСТИ?
Гришаев А.А.
Введение.
Исследователи приложили немало усилий [1,2] для того, чтобы обнаружить проявление движения прибора по отношению к гипотетической светоносной субстанции, называемой эфиром. Велись настойчивые поиски эффектов, которые могли быть обусловлены орбитальным движением Земли, но это движение упорно не проявлялось. Поэтому был сделан вывод о том, что на движении света в приборе никак не сказывается покой или движение самого прибора по отношению к эфиру. То есть, нет никакой «светоносной субстанции», как нет и связанной с этой субстанцией привилегированной системы отсчёта, по отношению к которой можно было бы измерять абсолютные скорости физических объектов - так что смысл имеют лишь относительные скорости.
Однако эти выводы не согласуются с некоторыми фактами: в ряде случаев расчёты кинематических эффектов на основе концепции относительных скоростей дают некорректные прогнозы. Здесь под корректностью прогнозов мы понимаем не только их верность, но и однозначность. Так, если сличается пара атомных часов в одной точке, а затем, после транспортировок, она вновь сличается в одной точке, то обнаруживаемое расхождение часов из-за квадратичного эффекта Допплера всегда однозначно, что бы там ни говорили разные «наблюдатели». На однозначности квадратично-допплеровских поправок основана, кстати, работа спутниковых навигационных систем, например, GPS. Многолетний опыт использования атомных часов на бортах спутников свидетельствует – с запасом по точности в четыре порядка – о том, что для верного и однозначного расчёта квадратично-допплеровских поправок следует использовать однозначные индивидуальные скорости часов, которые мы называем локально-абсолютными.
Почему – не просто «абсолютными», а «локально-абсолютными»? Потому что говорить о единственной привилегированной системе отсчёта – одной на всю Вселенную – действительно, не имеет смысла. Но, на наш взгляд, имеет смысл говорить о множестве локальных привилегированных систем отсчёта – в соответствии с множеством звёзд и планет, имеющих вокруг себя частотные склоны [3], которые задают ускорение свободного падения пробного тела и, соответственно, управляют превращением массы падающего тела в его кинетическую энергию [4]. Понятие локально-абсолютной скорости тесно связано с понятием частотных склонов: мы даём определение локально-абсолютной скорости физического объекта, как его скорости относительно локального участка частотного склона. Поскольку частотные склоны образованы, главным образом, «частотными воронками» звёзд и планет, то обычно легко указать тело отсчёта, с которым следует связать невращающуюся систему координат для однозначного определения локально-абсолютной скорости объекта.
Так, в окрестностях Земли локально-абсолютные скорости физических объектов следует отсчитывать в геоцентрической невращающейся системе отсчёта. В локально-абсолютную скорость прибора, покоящегося на земной поверхности, не дают вклады ни скорость орбитального движения Земли вокруг Солнца, ни скорость собственного движения Солнечной системы в Галактике. Единственный вклад обусловлен вращением Земли вокруг своей оси, т.е. искомая скорость равна линейной скорости суточного вращения на широте нахождения прибора и всегда направлена на местный восток. Заметим, что именно геоцентрическая невращающаяся система отсчёта физически реализована с помощью таких спутниковых навигационных систем, как GPS, поскольку плоскости орбит спутников сохраняют свою ориентацию относительно «неподвижных звёзд». Скорость самолёта в системе GPS – это как раз локально-абсолютная скорость самолёта. На практике обычно требуется путевая скорость самолёта, т.е. горизонтальная составляющая его скорости относительно земной поверхности. Путевая скорость находится следующим образом: в GPS-скорость вносится поправка на движение земной поверхности из-за суточного вращения Земли.
Как можно видеть, в окрестностях Земли уже реализована процедура для измерения локально-абсолютных скоростей. Эта процедура понадобилась вот зачем: именно локально-абсолютную скорость космического аппарата требуется знать, чтобы сделать верный прогноз его траектории, в особенности когда траектория не является баллистической. Если при расчётах тяги и расхода топлива использовать в качестве текущей скорости космического аппарата не локально-абсолютную, то его полёт по желаемой траектории окажется практически неосуществим. Это справедливо для полётов не только околоземных, но и межпланетных, при расчётах которых приходится «сшивать» планетоцентрические и гелиоцентрические участки траектории [5].
Мы привели лишь некоторые примеры, которые иллюстрируют, что локально-абсолютные скорости, определяемые с «опорой» на частотные склоны, имеют конкретный практический смысл. Более того, непротиворечиво объясняется ряд основных явлений в оптике движущихся тел, если допустить, что частотные склоны играют роль «опоры» не только для «истинных» скоростей вещественных объектов, но и для фазовой скорости света в свободном пространстве [3].
Допуская такое свойство у частотных склонов, мы немедленно получаем, что если автономный оптический прибор способен реагировать на свою скорость – то только на локально-абсолютную. И, похоже, такая реакция уже наблюдалась.
Логика принципа относительности.
Напомним, что специальный принцип относительности, он же первый постулат СТО, сформулирован так: «Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояний относятся» [6]. Претендуя на охват всех физических законов, этот постулат на деле имеет весьма узкое практическое обоснование, а именно – всего лишь странное, по классическим представлениям, поведение фазовой скорости света «туда-обратно». Чтобы кратко пояснить эту странность, рассмотрим сначала случай звуковых волн.
Как известно, звуковые волны возможны лишь в вещественной среде. Система отсчёта, связанная с этой средой, является для звуковых волн привилегированной: скорость звука фиксирована в среде, потому что определяется её упругими свойствами. Для корректных расчётов допплеровских сдвигов или набегов фазы у звуковой волны требуется знать, как движутся в звуковой среде излучатель и приёмник. Ясно, что расчёты в любой другой системе отсчёта будут некорректны, если речь идёт о квадратичных по скорости эффектах – например, о набеге фазы при прохождении звуком «туда-обратно» вдоль движущейся железнодорожной платформы. Таким образом, движение звуковой волны совершенно явно противоречит принципу относительности – если, конечно, не измышлять нелинейные коррекции пространства и времени, в которых роль фундаментальной постоянной играла бы скорость звука. Но измышлять такие коррекции означало бы идти против опыта, который недвусмысленно демонстрирует: скорость прибора относительно звуковой среды отлично детектируется.
Теперь вернёмся к световым волнам. Ранее они считались упругими волнами в эфире, и к ним подходили с той же логикой, что и в случае со звуковыми волнами. Согласно этой логике, даже равномерное и прямолинейное движение интерферометра Майкельсона сквозь эфир должно давать квадратичный по скорости измеряемый эффект. Дальнейшая логическая цепочка известна: если результат эксперимента Майкельсона-Морли оказывается нулевым, то приходится формулировать принцип относительности. А чтобы пояснить, каким это чудесным образом один и тот же свет движется в различных системах отсчёта с одной и той же скоростью, приходится, при переходе от одной системы к другой, использовать нелинейные коррекции пространства и времени – преобразования Лорентца.
Вся эта логическая цепочка рассыпается, если принять во внимание факт, который даже не упоминается в учебниках, а именно: у Майкельсона и Морли результат был не вполне нулевым.