Регистр

Строчное латинское aether, по-гречески αἰθήρ — «верхний воздух». Знака и единицы не было: эфир был средой, а не мерой.

Не путать

Светоносный эфир физики — не эфир химика, диэтиловый эфир (C₂H₅)₂O. И не «эфир» радио — это просто слово для вещания.

На плите — интерферометр сверху на каменной плите. Лампа светит на полупрозрачное зеркало, луч делится на два, они уходят к зеркалам вдоль и поперёк и сходятся в трубе. Сиреневые полосы — эфирный ветер, который должен был дуть навстречу Земле. Плита поворачивается на четверть оборота. В окуляре справа светлые полосы почти не двигаются. Внизу метка сначала уходит к 0,37 — столько ждали — и возвращается к нулю, где и было измерено.

Паспорт величины · устаревшая · среда для света

Светоносный эфир

Устаревшая величина без единицы · заменена постоянной скоростью света

Кливленд, июль 1887 года. Майкельсон и Морли кладут каменную плиту на ртутную подушку, ставят на неё зеркала и медленно поворачивают. Земля летит вокруг Солнца со скоростью 30 km/s, и, если свет — волна в неподвижном эфире, встречный ветер эфира должен сдвинуть полосы в окуляре на 0,4 полосы. Они ждали сдвига. Его не было.

Эфир придумали, потому что волне нужна среда. Звук идёт по воздуху, волна по воде — значит, свет идёт по чему-то, что наполняет пустоту. Эфир должен был быть твёрже стали, чтобы нести такие быстрые волны, и при этом не мешать планетам. Опыт 1887 года показал: свет движется одинаково во все стороны, как бы ни летела Земля. В 1905 году Эйнштейн сделал это законом, и эфир стал не нужен.

Обозначение	aether · luminiferous aether · без знака
Как искали	по скорости Земли сквозь эфир — сдвигу интерференционных полос
Что предполагалось	неподвижная среда · скорость света зависит от движения наблюдателя
Ввод и отмена	Гюйгенс, 1690 · Френель, 1818 · Майкельсон и Морли, 1887 · Эйнштейн, 1905
Нынешняя запись	c = 299 792 458 m/s точно, с 1983 года — по определению метра
Типичные значения	0,37 полосы — ждали в 1887 · меньше 0,01 — увидели · 10⁻¹⁷ — точность сегодня

К пересчёту К интерферометру

01 · Определение

Среда, по которой бежит свет

Если свет — волна в эфире, у него есть скорость относительно эфира, c. Наблюдатель, летящий сквозь эфир, должен видеть свет быстрее навстречу и медленнее вдогонку. Земля летит вокруг Солнца со скоростью 30 km/s — одна десятитысячная c. Эту разницу и пытались поймать.

Прямо измерить такую поправку нельзя, она слишком мала. Майкельсон сравнил два пути света: вдоль ветра и поперёк. Как пловец, который плывёт туда-обратно по реке и поперёк неё: вдоль течения выходит дольше. Разница — квадрат малого отношения, (v/c)² = 10⁻⁸. Интерференция делает её видимой: сдвиг на долю волны сдвигает светлые полосы.

c — скорость света, m/s · v — скорость относительно эфира · L — длина плеча, m · λ — длина волны, m · ΔN — сдвиг полос · β = v/c · γ = 1/√(1−β²)

Интерактив · два пловца на реке

Кто вернётся первым

Река шириной L течёт слева направо, сиреневые стрелки — течение. Два пловца плывут с одной скоростью c: золотой — вдоль реки туда и обратно, голубой — поперёк, к другому берегу и обратно. Полосы внизу — их время в пути. Поперечный пловец всегда успевает раньше. Так и луч, идущий поперёк эфирного ветра, должен был обгонять луч вдоль ветра.

золотой — вдоль, голубой — поперёкполосы — время в пути, единицы 2L/c

Течение v / c

Вдоль

γ² = 1/(1−β²)

Поперёк

γ = 1/√(1−β²)

Разница

≈ β²/2 при малых β

Интерактив · интерферометр Майкельсона и Морли, 1887

Повернуть плиту и смотреть в окуляр

Главное действие одно — кнопка «Повернуть плиту». Каменная плита плывёт на ртути и медленно поворачивается. В центре она видна сверху: золотая лампа, голубые лучи идут к зеркалам на концах плеч, по 16 отражений, всего 11 m пути. Сиреневые штрихи — эфирный ветер, его скорость задаёт ползунок. Справа окуляр: светлые и тёмные полосы. Если эфир есть, полосы должны качаться, пока плита поворачивается. Под окуляром график: сиреневая кривая — сдвиг по теории эфира, золотые точки — что видно. Переключатель «Мир с эфиром / Мир 1887 года» показывает оба ответа.

слева: журнал наблюдения, сдвиг полос и угол плитысправа: окуляр и сдвиг полос по углу поворота

Главное действие

Эфирный ветер v30 km/s

30 km/s — скорость Земли на орбите. Сдвиг растёт как квадрат скорости: вдвое быстрее — вчетверо больше.

Длина плеча L11 m

В 1881 году у Майкельсона было 1,2 m, и сдвиг тонул в шуме. В 1887 зеркала гоняли свет 16 раз, вышло 11 m.

Ждали сдвиг

—

—

Видим сдвиг

—

—

Угол плиты

—

—

Скорость в эфире, не больше

—

—

График · сдвиг по углу, от скорости и точность за век

02 · Пересчёт

Доля скорости света β = v/c

У эфира не было единицы, поэтому пересчитываем скорость, которую искали. Сдвиг полос в интерферометре растёт как β², квадрат доли скорости света. Скорость Земли на орбите — β = 10⁻⁴, β² = 10⁻⁸.

Сегодня ни одна скорость не измеряется «относительно эфира». Есть лишь движение относительно реликтового излучения: Солнце летит сквозь него со скоростью 370 km/s, но это видимое движение, а не ветер среды.

03 · Порядки величин

Отклонение скорости света Δc/c — что ловили опыты, от 10⁻¹⁸ до 10⁻⁴

04 · Приборы измерения

интерферометр

Делитель пучка, два плеча, два зеркала. Лучи сходятся и дают полосы, и сдвиг на десятую долю полосы виден глазом. Тот же принцип работает в детекторах гравитационных волн, только плечи там по 4 km.

аберрация звёзд

Брэдли в 1727 году увидел, что звёзды за год описывают маленькие эллипсы, 20,5 угловой секунды. Трубу приходится наклонять по ходу Земли, как зонт под дождём. Это первое измерение β = 10⁻⁴.

опыт Физо с водой

В 1851 году Физо пустил свет по текущей и против текущей воды. Свет увлекался течением не полностью, а с множителем 1 − 1/n². Френель объяснял это частичным увлечением эфира. Теория относительности выводит то же число из сложения скоростей.

оптический резонатор

Нынешний опыт Майкельсона: два кристаллических резонатора под прямым углом на поворотном столе, лазеры привязаны к их частотам. Частоты не расходятся до 10⁻¹⁷ — в сто миллионов раз точнее 1887 года.

05 · Правила записи

Верно

c = 299 792 458 m/s — точно, без погрешности

«светоносный эфир» — исторический термин, в контексте XIX века

ΔN = 0,37 — ожидаемый сдвиг полос у Майкельсона и Морли

β = v/c, γ = 1/√(1−β²)

Неверно

«скорость относительно эфира» — в современном тексте

c ≈ 3·10⁸ m/s ± … — у c нет погрешности с 1983 года

«опыт провалился» — он дал ясный нулевой результат

путать светоносный эфир с химическим эфиром

06 · Соседние единицы

Флогистон ушёл без остатка, теплород оставил калорию. Эфир оставил больше всех: уравнения Максвелла писали для упругого эфира, и они пережили его. А постоянная скорость света, которая эфир отменила, сама стала основой меры: через неё определён метр.

07 · Исторический раздел

каменная плита

Метрологическая заметка

Опыт 1887 года — образец того, как ставить измерение против шума. Плита из песчаника плыла на ртути, чтобы её можно было поворачивать без толчков. Наблюдали в подвале, в полдень и вечером, шестнадцать отметок за оборот. Ожидали 0,4 полосы, разброс отсчётов был около 0,01.

Нулевой результат дал верхнюю границу: скорость Земли сквозь эфир меньше примерно 5—8 km/s. Через сто лет постоянство скорости света стало частью определения метра. С 1983 года метр — путь, который свет проходит за 1/299 792 458 секунды.

полосы в окуляре

Каталог величин

весь указатель →

основа системы · 7 единиц

Семь основных единиц СИ

Указатель · все величины на одной странице

Лаборатория у входа в указатель

Капля кислоты меняет цвет сока, соль красит пламя, вода замерзает от стука. Под ними — все листы Simetrium по дисциплинам и по алфавиту.

Открыть указатель →

08 · Ваш язык

каждая ссылка — настоящая страница локали

Читайте на своём языке

переведён и вычитанчерновой переводв очереди