Опыты Дейтона Миллера, пытавшегося поймать "ветер"

Надеюсь, вам понравилась предыдущая статья о настоящем учёном в лагере оппонентов Эйнштейна. Сегодня мы поговорим о ещё одном настоящем учёном, в этот раз даже не о математике, а о физике.

Итак, встречайте. Дейтон Кларенс Миллер - американский физик, акустик, пионер в использовании рентгеновского излучения. Однако, помимо перечисленных областей физики, он также был ярым сторонником эфира, до конца жизни утверждал, что опыт Майкельсона несомненно обнаруживает "эфирный ветер". В своих собственных опытах он тоже, как сам утверждает, его обнаруживал. Так ли это? Давайте разберёмся!

Тезисы из методички

В большинстве своём доморощенные критики теории относительности не предпринимают каких-то усилий, чтобы глубоко разобраться в вопросе. Они вместо этого используют готовые методички, где написана "разгромная правда".

Набор тезисов из методички одного из моих оппонентов, посвящённой Миллеру, выглядел примерно так:

1. Со времён Майкельсона и Морли никто не перепроверял их результат, слепо доверяя ему.

2. Опыты Майкельсона несомненно показали наличие "эфирного ветра", просто он был таким маленьким, что вписался в погрешность эксперимента, но по пункту 1 учёные никогда это не перепроверяли.

3. В опытах Майкельсона была слишком малая длина светового пути, которой недостаточно для обнаружения "ветра".

4. Величина "ветра" составила 6 км/с, что близко к первой космической скорости (8 км/с), как и должно быть для "эфирного ветра".

5. Величина "ветра", по одним данным, 6 км/с, а по другим - 20 км/с, "я не разобрался" (цитата).

Наверное, некоторые из тезисов уже провели на вас неизгладимое впечатления. В конце я кратко разберу их.

Факты, которые хоронят "классическую" физику

Прежде, чем говорить дальше, обращу внимание на такую важную деталь, которую отрицатели СТО часто игнорируют. Дело в том, что если "эфирный ветер" в классическом его понимании имеет место быть, то он должен строго быть равен скорости движения источника излучения. Применительно к опыту Майкельсона обнаруженный "эфирный ветер" должен отличаться от 30 км/с (скорость движения Земли вокруг Солнца) не более чем на величину измерительной погрешности. Например, если погрешность составляет 1 км/с, то измеренная величина "ветра" должна находиться между 29 и 31 км/с.

Если величина "ветра" не попадает в диапазон погрешности около величины 30 км/с, то начальная теория, на которую мы полагались, не будет верной. Просто не будет. Вообще. Это не делает сразу верной какую-то другую теорию, но именно эта начальная теория несомненно результатам наблюдений противоречит.

Поэтому в эксперименте Майкельсона важным было в первую очередь даже не то, что величина измеренного "эфирного ветра" отличалась от нуля на величину, не превышающую измерительную погрешность, а то, что этот "ветер" существенно отличался от теоретических 30 км/с. Как следствие, прежние представления о величине и природе "эфирного ветра" не могут быть верными вообще никак.

Я не зря акцентирую на этом внимание. Мы скоро убедимся, что Миллер также не обнаружил никакого "ветра" величиной в 30 км/с. Это значит, что оспорить факт неверности "классической" теории на основании опытов Миллера невозможно. Из его экспериментов её неверность тоже вполне себе следует. Но смог ли он при этом поколебать основы теории относительности?

Дейтон Миллер и его опыты, с которыми что-то не так

Как я уже говорил, Миллер является настоящим учёным-физиком с реальными достижениями.

После открытия в 1895 году рентгеновских лучей Миллер сконструировал рентгеновский аппарат, с помощью которого в 1896 году сделал полный снимок человека. Его аппарат реально использовался в медицинских целях.

Работал в области акустики. В частности, сконструировал аппарат Phonodeik, визуализирующий звуковые волны, предшественник осциллографа.

Однако нас больше всего интересует работа Миллера в области исследований света и измерений "эфирного ветра".

В 1902-1906 годах Миллер совместно с Эдвардом Морли (да-да, тем самым, который также работал с Майкельсоном), а также позднее без него проводил опыты по измерению "эфирного ветра" на дирижабле. В результате он обнаружил на высоте 250 м "ветер" в размере 3 км/с, а на высоте 1860 м - 10 км/c.

Обратите внимание, что всё это значительно меньше известной нам скорости движения Земли (30 км/с). Как я уже говорил, это само по себе уже противоречит "классической" физике и вынуждает её пересмотреть.

Однако тут гораздо интереснее другое. Каким таким волшебным образом перепад в жалкие 1.5 км высоты над поверхностью планеты увеличил величину "ветра" более чем в три раза? Подобные наблюдения явно лишены какой-то внутренней логики. Конечно, это косвенный признак, но он явно указывает на то, что здесь что-то не так.

А что именно тут не так, мы сейчас узнаем.

Металлический кожух и полемика с Георгом Йоосом

В соответствии с рекомендациями Майкельсона, установка должна быть закрыта металлическим кожухом. Миллер проигнорировать это. Более того, он даже пытался настаивать, что кожух только мешает. Как именно?

Критики Эйнштейна часто рассказывают о том, что эксперимент Майкельсона-Морли проведён всего один раз, а его результат никогда не подвергался сомнению. Разумеется, это неправда. Опыт этот повторяли неоднократно, в том числе практически одновременно с Миллером. В частности, немецкий физик Георг Йоос в 1930 году получил на интерферометре диаметром 21 м результат, который был как минимум в 375 раз меньше ожидаемого влияния "ветра" (для сравнения, в эксперименте Майкельсона-Морли в 1887 результат был менее ожидаемого всего лишь в 40 раз, то есть Йоос подтвердил его ещё точнее). Тем не менее, в своей очередной статье (1933 г.) Миллер заявлял, что результат Йооса является ошибочным и ничего не доказывает, так как якобы на низкой высоте внутри зданий скорость движения эфира крайне невелика, и потому "ветер" такой маленький. Также, по его мнению, эксперименту помешал тот самый кожух. Правда, это несколько расходится с представлениями об эфире как о некой "абсолютной" среде, на которую какие-то жалкие здания и кожухи влиять не должны. Но это вообще типично для эфирщиков: когда результаты расходятся с идеей эфира, надо не саму идею пересмотреть, а найти сногсшибательные причины того, почему идею ничто поколебать не может.

Почему же все экспериментаторы пытались изолировать установку в кожухе, а Миллер - нет? На этот вопрос нам ответит сам Георг Йоос!

В 1934 году в журнале Physical Review было опубликовано письмо Йооса с рецензией на статью Миллера 1933 г. Оно совсем небольшое, поэтому приведу его полностью:

В очень интересном отчёте об экспериментах по эфирному ветру мистер Миллер сравнивает свой позитивный эффект эфирного ветра с негативным результатов других экспериментов, в том числе моим. Мистер Миллер обнаружил причину расхождения в том факте, что я закрыл оптическую установку металлическим кожухом, а также работал в массивном здании, как и остальные упомянутые мистером Миллером экспериментаторы. Я сделал так, разумеется, чтобы исключить помехи, вызванные локальными и периодическими колебаниями температуры. Для длины светового пути в 30 метров было рассчитано, какая разница в температуре двух частей интерферометра даст сдвиг в 1/10 интерференционной полосы (это порядок наблюдаемой величины). Удивительно, но даже разницы в 1/500° достаточно. Даже тепло тела наблюдателя, который в экспериментах Миллера стоит около интерферометра, способно вызвать такой эффект. Вопрос о том, проникает ли эфир сквозь стены здания, решается с точки зрения любой эфирной теории тем фактом, что в экспериментах Саньяка и Майкельсона-Гейла было получено полное несоответствие с ожидаемым результатом в теории покоящегося эфира. Интерпретировать результаты эксперимента, в котором нет максимальной защиты против температурных возмущений, вряд ли имеет смысл, это просто естественная цепочка рассуждений. Так как никто не отвечает на все вопросы физики по итогам одного лишь эксперимента, мы должны делать выводы на основе всего экспериментального материала. Так что я думаю, что моя экспериментальная установка пригодна для решения вопроса о существовании или несуществования эфирного ветра, а вовсе не так, что, как могли подумать читатели статьи мистера Миллера, установка была специально сконструирована для доказательства заранее заданного вывода.

К опубликованному письму прилагался ответ самого Миллера, в котором он утверждал, что температурные эффекты никак не могут повлиять ни на что. Короче, "она всё отрицала". Разумеется, доводы Миллера уровня "чесслово, правду говорю" оказались совершенно бессодержательны. Так, он заявил, что нагрев одинаков на всей длине светового пути, хотя очевидно, что при таком размере установки (диаметр его интерферометра составлял 32 м) разница температур может быть выше не то что 1/500°, но даже 1/10°. Вообще, общая позиция Миллера в этом письме состоит в том, что даже если и наблюдаются какие-то температурные искажения, то они должны быть компенсированы и усреднены длительностью наблюдений. Но ведь даже обычные суточные колебания температур приведут к тому, что наблюдения при минимальной и максимальной температуре повторятся неоднократно и в то же время не дадут никакой новой статистически значимой информации! Конечно, ведь они будут давать локальные (в том числе меняющиеся в течение дня) минимумы и максимумы наблюдений в пределах общего глобального среднего, единого и неизменного с учётом погрешностей, образуемых при таком вот игнорировании температурных колебаний.

Опыт Майкельсона-Пиза-Пирсона

В 1929 году уже сам Майкельсон в составе группы исследователей в очередной раз получил на интерферометре диаметром 25.9 м околонулевой результат, который был в 90 раз ниже ожидаемого эффекта от "ветра". Тем не менее, в статье 1930 г. Миллер декларирует, что в опытах Майкельсона обнаружен "эфирный ветер" в размере 10 км/с. Это, конечно, не так, а если уж честно называть вещи своими именами, то это вообще враньё. Миллер, ничтоже сумняшеся, приписывает чужим опытам результаты, которые ему хочется, а не которые реально наблюдались.

К вопросу о математике

Отдельное недоумение у меня лично вызвало заявление Миллера о том, что учёные рассматривали величины второго порядка v/c, не рассматривая величины первого порядка, неучёт которых, по его мнению, и приводил к тому, что учёные якобы "игнорировали" реальный эффект "эфирного ветра". Он что, настолько не смыслил ничего в математике, что не понимал, что рассматривать величины второго порядка не имеет смысла без равенства величин первого порядка? Более того величины второго порядка являются в асимптотическом смысле частным случаем величин первого (x^2=O(x)).

Окончательный вердикт

На тот момент, когда Миллер активно занимался своими экспериментами, уже были проведены и неоднократно воспроизведены десятки различных опытов, подтверждающих СТО, в том числе много раз был воспроизведён и результат эксперимента Майкельсона-Морли, поэтому в целом опыты Миллера не произвели на учёных особого впечатления. Тем не менее, это неправда, что на его труды никто не обратил внимание.

В 1955 году физик (и одновременно историк) Роберт Шенкленд с коллегами опубликовали большую статью с детальным анализом результатов Миллера. В соответствии с их выводом, измеренная Миллером величина "ветра" как минимум в 10 раз меньше измерительной погрешности поставленного им эксперимента. Из сотен тысяч измеренных точек Миллер выбирал лишь отдельные, нарушая статистическую значимость. Также Миллер не учитывал статистические флуктуации из-за постоянно меняющихся температурных условий. Вероятно, если бы он выполнил рекомендацию Майкельсона и использовал металлический кожух, то величина ошибок существенно бы уменьшилась. К сожалению, у Миллера не было задачи уменьшить ошибку, ему нужно было обязательно поддерживать её высокой, чтобы добиться изначально задуманного им результата!

Нетрудно видеть, Миллер стал жертвой такого известного когнитивного искажения, как "эффект экспериментатора". В отличие от Майкельсона, предпринявшего множество усилий по снижению влияния всех мыслимых и немыслимых побочных эффектов, Миллер проявлял заинтересованность в том, чтобы побочные эффекты обязательно происходили и обязательно влияли на результат.

Миллер не учитывал погрешность, выдавая систематические ошибки измерений (из-за единообразного влияния температурных искажений) за фактически происходящие эффекты.

Сравнение с другими экспериментами

В статье также приводится сводка по ряду проведённых в те времена различными учёными реализаций эксперимента Майкельсона-Морли:

Как понимать данные в этой таблице? В случае, если есть реальный "эфирный ветер", то расчётная величина сдвига интерференционной полосы (fringe) в 5 колонке должна быть примерно равна двукратному значению фактически наблюдаемого сдвига в 6 колонке. Однако во всех перечисленных экспериментах величина в 6 колонке значительно меньше. Даже у Миллера она меньше. В 7 колонке указано, во сколько именно раз меньше. Забавно, но в некоторых из проведённых Миллером экспериментах точность нулевого результата эксперимента Майкельсона-Морли даже превышает точность результата эксперимента самих Майкельсона и Морли в 1887 году!

Ещё раз о тезисах

Вернёмся ещё раз к тезисам из методички,

1. Со времён Майкельсона и Морли никто не перепроверял их результат, слепо доверяя ему.

Как вы уже могли понять, эксперимент Майкельсона-Морли проводился неоднократно, в том числе и во времена Миллера и даже позже, в том числе он проводился и в наше время (с улучшениями, доступными при современном развитии техники).

2. Опыты Майкельсона несомненно показали наличие "эфирного ветра", просто он был таким маленьким, что вписался в погрешность эксперимента, но по пункту 1 учёные никогда это не перепроверяли.

Разумеется, все реализации опыта Майкельсона-Морли демонстрируют отсутствие "эфирного ветра", каждый со своим уровнем точности. Во второй половине XX века, после изобретения мазеров и лазеров, точность экспериментов перешла на новый уровень, и в наше время (Nagel et al, 2015) этот результат уже установлен с поистине безумной точностью, порядка 10^(-18) от скорости света, то есть не более 0.0000003 миллиметра в секунду!

3. В опытах Майкельсона была слишком малая длина светового пути, которой недостаточно для обнаружения "ветра".

Да, конечно, в опыте Миллера длина плеча интерферометра составляла 32 метра, но в опыте Майкельсона-Пиза-Пирсона (1929) она была равна 25.9 метров, а в опыте Йооса - 21 метр. Это лишь немногим меньше, чем у Миллера.

Надо понимать, что эксперименты на интерферометре не измеряют саму скорость света, они лишь фиксируют искажение интерференционной картины. Там важна не сама скорость света, а разница в скоростях: различие в интерференции даёт не абсолютная величина скорости c, а разница Δ в фактических скоростях c+Δ и c в разном направлении. Важна не чистая "длина светового пути", а влияние Δ на интерференцию. А ещё важно обратить самое пристальное внимание к нейтрализации посторонних искажений, которые могут повлиять на величину Δ. На чём, собственно, Миллер и погорел.

4. Величина "ветра" составила 6 км/с, что близко к первой космической скорости (8 км/с), как и должно быть для "эфирного ветра".

Всё-таки 6 км/с и 8 км/с различаются на целую треть величины, это не "примерно", а совсем не равно. Да и первая космическая скорость тут вообще непонятно каким боком возникла. Если это про свет от Солнца, то тут влиять должна именно скорость обращения вокруг него (30 км/с). Если это предположение о влияния вращения Земли вокруг собственной оси, то она вращается со скоростью 40000000/86400=463 м/с на экваторе и ещё меньше в более высоких широтах, то есть намного меньше, чем первая космическая. В общем, непонятно, о чём это вообще было заявление, тем более что Миллер не утверждал вообще какую-то фиксированную скорость "ветра", он её получал каждый раз разной, что моему оппоненту даже было известно, судя по следующему пункту:

5. Величина "ветра", по одним данным, 6 км/с, а по другим - 20 км/с, "я не разобрался" (цитата).

Так 6 км/с или 20 км/с, и какая именно из этих скоростей "близка к первой космической"? Оппонент, как выяснилось из дальнейшей переписки, по всей видимости решил, что миллеровские 3 км/с и 10 км/с (вспомните - выше я уже приводил такие цифры!) величины "ветра" означают ±3 км/с и ±10 км/с, а это означает якобы 6 и 20 км/с реального разброса якобы точных величин измерений. Пришлось объяснить, что это не так работает. Что, например, скорость света, полученная в эксперименте Майкельсона 1926 г. (это был другой эксперимент, не с интерферометром, в нём база измерений имела длину более 35 км), записанная как 299796±4 км/с означает на самом деле, что реальная скорость находится в интервале от 299762 до 299800 км/с, но точнее мы измерить не можем из-за инструментальной погрешности, а если есть разница полученных значений вплоть до 8 км/с, то мы её просто не можем уверенно зафиксировать - она вписывается в пределы погрешности!

В общем, все тезисы из методички оказались ни о чём. Что, впрочем, не слишком удивляет. Когда в последний раз было иначе?

Заключение

Отрицатели часто транслируют одну и ту же глупость: якобы опыт Майкельсона-Морли проведён всего один раз и никогда не перепроверялся. Разумеется, это не так. Более того, многие последующие опыты лишь увеличивали значимость результата Майкельсона за счёт повышения точности измерений и исследования тех же самых эффектов в несколько других условиях. В настоящее время точность экспериментальных проверок уже достигла 10^(-18) от скорости света.

Но не все проверочные опыты оказывались доброкачественными. Некоторые из экспериментов даже вроде как показывали противоположные результаты, но эти результаты по итогам более внимательного рассмотрения всегда оказывались итогом ошибки, сделанной намеренно или по неосторожности. В ту же самую ловушку угодил и Миллер, свято веривший в существование эфира и потому пытавшийся во что бы то ни стало получить несуществующую "разницу".

В настоящее время научной дискуссии по поводу результатов опыта Майкельсона-Морли больше нет. Отдельные учёные ищут способ придумать сколько-нибудь приемлемую и не слишком громоздкую концепцию эфира, которую можно было бы совместить с неизменностью скорости света. Некоторые всё ещё пытаются придумать эксперимент, который бы в правильную сторону отличался от эксперимента Майкельсона и, тем самым, позволил бы всё-таки показать какой-то иной противоречивый результат. Но пока никому из них этого не удалось.

Самым ярким символом того, что эпоха "классической" физики закончилась, является принятое с 1983 года определение метра как расстояния, которое свет проходит за 1/299792458 секунды. Именно постоянная и неизменная скорость света нынче является эталоном метра.

Ссылки:

Georg Joos. Note on the Repetition of the Michelson-Morley Experiment. // Phys. Rev. 45, 114 – Published 15 January 1934, DOI: 10.1103/PhysRev.45.114.

R. S. Shankland, S. W. McCuskey, F. C. Leone, and G. Kuerti. New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller. // Rev. Mod. Phys. 27, 167 – Published 1 April 1955, DOI: 10.1103/RevModPhys.27.167.

Nagel, M., Parker, S., Kovalchuk, E. et al. Direct terrestrial test of Lorentz symmetry in electrodynamics to 10^−18. // Nat Commun 6, 8174 (2015), DOI: 10.1038/ncomms9174.