История создания специальной теории относительности

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

СТУДЕНТА ГРУППЫ 208 ФИЗИЧЕСКОГО  ФАКУЛЬТЕТА

РОМАШКИ МИХАИЛА

НА ТЕМУ

«ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ»

Научный руководитель –  профессор Николаев П. Н.

2006

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Среди выдающихся физических теорий особое место занимает теория относительности. В наш бурный век почти каждый что-либо слышал о ней и об Эйнштейне, её гениальном создателе. Наверно в мире нет другой столь знаменитой, нашумевшей и широко обсуждаемой теории; нет и столь легендарного учёного, как Эйнштейн. Его имя, возможно по счастливому для него стечению обстоятельств, долгое время было, да и сейчас остаётся, символом гениальности. И на вопрос о том, кто создал теорию относительности, большинство людей без раздумий скажут: Эйнштейн. И первое, что мы отметим в данной работе – это в большой степени действительно так, но не совсем.

Дело в том, что гениальные открытия всё-таки редко рождаются на пустом месте. Обычно учёный опирается на опыт своих предшественников. Если бы не было Архимеда, не было бы первых представлений о механике, не было бы Галилея; без Галилея не было бы Ньютона и т.д. Вы можете сказать: если бы не было Архимеда, был бы кто-то другой. Но суть сейчас не в этом. Суть в том, что в науке существует преемственность. Каждый великий учёный принимает эстафету познания мира у своих предшественников. И Альберт Эйнштейн не был исключением. Более того, многие формулы, вошедшие в специальную теорию относительности, были написаны до её появления. С рождением теории относительности формулы остались прежними, но только приобрели новый смысл, т.е. стали соответствовать другой картине устройства мира. В данной работе мы рассмотрим по порядку, что предшествовало теории относительности, какие открытия и какие учёные. Труды двух предшественников Эйнштейна настолько тесно связаны с этой теорией, что современные историки считают их участниками её создания. Это Лоренц и Пуанкаре. А после того, как была опубликована первая статья Эйнштейна по теории относительности, её идеи подхватил Минковский и внёс свой ценный вклад в развитие этой теории. Таким образом, можно выделить четырёх главных создателей теории относительности: это Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский.

Со времён Эйнштейна было написано множество популярных книг по теории относительности, в которых излагается как сама теория, так и неожиданные следствия, глубоко поражающие неискушённое воображение читателей. Читатели с любопытством узнают о новых представлениях о пространстве и времени, перевернувших, казалось бы, всю классическую физику, что была до этого. Но большинство книг (и даже учебных пособий) имеет существенные недостатки.

Главный из них состоит в том, что почти во всех книгах изложение  теории относительности начинается с постулатов Эйнштейна, из которых затем хотя и логически правильно, но формально-аксиоматически выводится целый ряд удивительных следствий. После этого у читателя возникает вопрос: а откуда взялись эти самые постулаты Эйнштейна? И ещё другой вопрос: что же делать с физикой доэйнштейновских времён? Считать её опровергнутой или приближённо верной при скоростях, малых по сравнению со скоростью света? Или в разных случаях по-разному? В данной работе автор постарается дать ответы на эти вопросы, сравнивая теорию Эйнштейна с трудами его предшественников.

Отметим, что в данной работе речь пойдёт о специальной теории относительности (далее для краткости СТО), в которой рассматривается равномерное прямолинейное поступательное движение тел относительно друг друга. Это теорию можно назвать релятивистской кинематикой (от английского relative - относительно), хотя такое название обычно не встречается. Что касается общей теории относительности (ОТО, или релятивистская динамика) – мы её коснёмся лишь кратко, чтобы работа не была слишком объёмной. Теории, согласующиеся с СТО или ОТО, часто называют релятивистскими. Только название «релятивистская кинематика» встречается редко; оно лишь поясняет разницу между СТО и ОТО как между кинематикой и динамикой.

Перед началом путешествия по истории  физики, точнее, её части, посвящённой  СТО, нам будет неплохо получить некоторый идеологический настрой. Как раз эта часть истории является яркой, насыщенной событиями и полной всяческих перипетий. Эксперименты открывают нам новые закономерности, и после трудных споров между учёными какая-то теория рушится, на смену ей приходит другая, и так не раз и не два. И однажды из этого бурлящего котла мыслей рождается СТО. И многим людям теория относительности (ТО) кажется чем-то «неземным», «малодоступным» или «абстрактным». Как будто бы для понимания ТО требуется какое-то особое мышление, и понять её можно, только отбросив здравый смысл и все привычные представления. Предаваясь таким мыслям, вы, конечно, зайдёте в тупик. Чтобы избежать этого, зададим себе непростой, но краткий вопрос: а с чего начинается физика?

Постараемся здесь ответить на этот вопрос. С чего начинается физика? Можно для начала сказать, что она начинается с желания понять закономерности в окружающем мире. Знание этих закономерностей важно для практических целей. Чтобы построить паровоз, нужно рассчитать размеры каждой его детали. Для этого у нас должны быть какие-то начальные данные: масса, скорость, удельная теплота сгорания топлива (что первичнее) и многое другое. Но мы забежали вперёд: физика началась гораздо раньше паровозов. Важный этап в понимании мира начался тогда, когда люди научились измерять что-либо. Измерять длину, время, массу, выбрав какой-то эталон этих величин. Считается, что физическая величина определена, если указан способ её измерения. Измерять длину, время и массу можно прямым сравнением с эталоном. Но физикам мало знать способ измерения. Пытливый ум стремится дать ответ на вопрос: а что же это такое мы измеряем? Стремится как можно глубже понять, с чем он имеет дело. А также стремится дать определение каждому понятию, в том числе каждой измеряемой величине.

Но вот что получается: не каждому понятию мы можем дать словесное определение. Рассмотрим такую ситуацию. «Что такое химия?» - спрашивает учитель, и прилежная ученица отвечает: «Химия – это наука о веществах, их строении и свойствах, о превращениях одних веществ в другие и явлениях, сопровождающих эти превращения». Тогда учитель спрашивает: «А что такое вещество?» «Вещество – это устойчивое скопление частиц, характеризующееся постоянным составом и свойствами» «А что такое частица?» Учитель, таким образом, может задавать вопросы сколько угодно. На некотором шаге ученица не сможет объяснить значение некоторого слова с помощью более простых слов. Но при этом она имеет какое-то интуитивное представление о том, что означает это слово.

Геометрия также начинается с некоторых неопределяемых понятий, таких как точка, прямая, плоскость. Им нельзя дать словесное толкование, но это не мешает нам пользоваться ими. И в основе физики тоже лежат неопределяемые понятия. К ним относятся неопределяемые физические величины. В классической физике можно выделить пять основных величин: длина, время, масса, сила и заряд, которым нельзя дать словесное определение. Точнее нет, им можно дать словесное определение, но это определение будет всего лишь заменять одно неопределяемое понятие другим.

Можно попытаться дать определение какой-нибудь из названных выше физических величин, например, силе. Исаак Ньютон, создавая свою механику, привёл такое определение. «Приложенная сила есть действие, производимое на тело для изменения его состояния покоя или равномерного движения». Но в этом определении есть слово “действие”, которое нельзя определить с помощью более простых слов. Получается, что Ньютон лишь заменил одно неопределяемое понятие другим. В таком определении нет «логической ценности». Оно всего лишь показывает возможность замены одного слова другим. Отметим, конечно, что Ньютон не зря сформулировал своё определение. Дело в том, что до Ньютона в физике была путаница в понимании термина «сила». Разделяли «мёртвую» и «живую» силу. То, что называли «живой» силой, впоследствии стали называть работой. Ньютоновскому определению больше соответствует «мёртвая» сила. Таким образом, определение Ньютона имело ценность, но не логическую, а историческую, или эволюционную. Оно сыграло роль в эволюции научной терминологии. До Ньютона разные учёные интуитивно понимали под силой разные вещи, от причины равномерного движения до работы. Когда Ньютон дал своё определение, все варианты интуитивного понимания слова «сила» отпали, кроме одного. Определение Ньютона не имело «логической ценности», но поставило учёных на определённые одинаковые для всех «логические рельсы». Правильно ли понимал Ньютон роль своего определения? На этом вопросе не будем останавливаться подробно. Отметим, что, возможно, Ньютон не задумывался об этом. В его время наука ещё не привыкла делить понятия на определяемые (как импульс – произведение массы на скорость) и неопределяемые, как сила. Далее мы ещё покажем, что формула второго закона Ньютона не является определением силы.

Чтобы подойти вплотную к ответу на вопрос о том, с чего начинается, физика, рассмотрим, как Эйнштейн в своей статье «К электродинамике движущихся сред» давал определение времени (до него подобное делал Пуанкаре, но пока остановимся на более знаменитом Эйнштейне). Для начала Эйнштейн указывает способ, как определить время для какой-нибудь одной точки пространства. Для этого нужно поместить в данную точку часы. Тогда понятие «время» можно будет заменить простым понятием «показания стрелок часов». Конструкция часов не важна. Главное – чтобы они работали исправно. Что такое часы – всем понятно; это некоторое материальное тело, каких множество мы привыкли видеть в повседневной жизни. Но в основе работы часов лежит некоторый особенный, интересный процесс. Какой процесс? Первое, что приходит в голову – это периодический процесс. Но что значит периодический? Это значит, например, что колебания маятника повторяются во времени. Т.е. мы можем построить график зависимости координаты маятника от времени, и этот график будет соответствовать периодической функции. Но, не определив, что такое часы, мы ещё не определили, что такое время. Поэтому график зависимости чего-либо от времени (а вместе с тем и понятие периодичности) нельзя использовать для определения времени. Иначе получится логический круг, показанный на рисунке. Одна из стрелок круга зачёркнута, что показывает, что так определить время нельзя. А если отбросить зачёркнутую стрелку и периодический процесс, останется правильный путь определения времени.

Рис.1

Процесс, который лежит в основе работы часов, человек интуитивно выделил из тысяч других процессов. Таким процессом может быть движение маятника, движение Солнца по небосводу и многое другое. Интуиция помогла человеку установить, что этот процесс уникальный, что он занимает особое место в мире. И теперь без такого процесса не обходится наверно ни одна область жизнедеятельности. Ведь даже счастливые иногда наблюдают часы! С интуиции такого рода как раз и начинается физика.

Если быть точнее, не только физика, но и вся наука начинается с  такой интуиции, позволяющей выделять в мире нечто уникальное – неопределяемые понятия, и устанавливать связи между такими понятиями. Физика выделяется из всей науки своим полем деятельности, кругом изучаемых вопросов.

Теперь, когда мы получили представление о том, с чего начинается физика, можно начать экскурсию по её истории. Нам не раз встретятся неопределяемые понятия, но мы не удивимся, т.к. мы к этим понятиям привыкли. И всё же одно понятие для нас будет новым. Оно уже было однажды употреблено во введении. Это логическая ценность. Мы оценим некоторые отдельные взгляды учёных с точки зрения логической ценности. Что это значит? Как уже сказано, логическая ценность – понятие неопределяемое. Понять лучше, что это такое, мы сможем позже, рассмотрев несколько примеров.

Мы начнём экскурсию по истории  с рассмотрения экспериментов, которые  напрямую связаны с теорией относительности. Эксперимент – такая же важная вещь в физике, как интуиция. Интуиция идёт первой, но даже физик с проницательной интуицией редко может с большой уверенностью установить связь между неопределяемыми понятиями без эксперимента. Так, Ньютон не обошёлся без экспериментов, когда открывал свой знаменитый второй закон. Вообще, чтобы интуиции было с чем работать, нужны наблюдения. Далее, чтобы установить некоторые свойства окружающих вещей, простых наблюдений недостаточно. Нужен эксперимент, подтверждающий или опровергающий какое-либо предположение. Мы рассмотрим опыты, подтвердившие далеко не очевидный второй постулат Эйнштейна о независимости скорости света от скорости движения его источника. Вообще, история ТО началась с развития оптики движущихся сред. С оптики мы и начнём.

1. Развитие оптики движущихся сред

Ещё в древности умы людей  занимал вопрос о природе света. Древние представления о свете сейчас кажутся нам фантастическими, и мы не будем на них останавливаться. Однако ещё в древности наметились два основных воззрения на природу света, которые в XVII в. оформляются в основные направления. Согласно одному из них, свет – это некая субстанция, распространяющаяся от светящегося тела. Эту субстанцию многие представляли в виде мелких летящих частиц, и такое представление породило корпускулярную теорию света.

Согласно другому представлению, свет – это некоторое действие или движение, передаваемое от светящегося тела особой средой. Это представление породило волновую теорию света. В этой теории (точнее, множестве теорий, где свет рассматривается как волна) важное место занимает эта самая среда, в которой распространяется волна. Эту среду стали называть мировым эфиром (или просто эфиром). В физике XVII–XIX вв., не только в оптике, широко бытуют представления об эфире. История ТО тоже тесно связана с этим эфиром. Но начнём наш рассказ с открытия аберрации света, которая впервые была объяснена с позиций корпускулярной теории.

1. Открытие аберрации света в астрономии.

Впервые вопрос о влиянии источников и приёмников света на оптические явления возник в связи с открытием аберрации света английским астрономом Брадлеем в 1728 году. Ведя работу по замеру положения звезд, Брадлей заметил, что они не остаются неподвижными на небесной сфере, а описывают в течение ровно одного астрономического года замкнутые траектории по небесной сфере. По крайней мере, так кажется при наблюдении с Земли.

Брадлей очень просто объяснил это явление, придерживаясь тогдашнего всеобщего мнения о справедливости корпускулярной теории света. Представим, что Земля остановилась в какой-то точке своей орбиты (не движется относительно неба неподвижных звёзд, или системы Коперника). Тогда мы будем наблюдать истинное положение звезды (рисунок слева).

Но на самом деле Земля  движется в системе Коперника (орбитальное  движение; вращением пренебрегаем). Пусть V₁ – скорость света от звезды относительно системы Коперника, V₂ – скорость системы Коперника относительно Земли (V₂ = 29,8 км/с), а V₃ – скорость этого света относительно Земли. На среднем рисунке показано сложение скоростей, которое определяет кажущееся направление на звезду. Телескоп должен составлять с горизонтом угол, равный не a, а a – d. В простейшем случае, когда скорости V₁ и V₂ направлены перпендикулярно (истинное положение звезды в зените), tgd = V₂/V₁. Если наблюдать звезду, находящуюся точно в одном из двух полюсов эклиптики, то есть на оси Солнечной системы, истинное смещение будет идти по окружности. Оно становится прямолинейным у звезды находящихся в плоскости эклиптики, и эллипсоидным во всех других случаях.

Брадлей измерил угол d (точнее, изменение угла a – d в течение года) и, зная скорость движения Земли по орбите, вычислил скорость света. Он получил для V₂ = c значение, близкое к полученному ранее Ремером при наблюдениях за движением спутников Юпитера: c = 300870 км/с.

Брадлей, конечно, и подумать не мог, что скорость света не подчиняется  обычному закону сложения скоростей. Но значение угла d, вычисленное по его формуле, будет мало отличаться от вычисленного по современной формуле, полученной в согласии с СТО.

2. Вопрос о влиянии движения тела на прохождение в нём света. Опыт Араго.

Вторым вопросом, который подвергался  рассмотрению, был вопрос о возможном влиянии движения тела на преломление в нём света, испускаемого неподвижными в системе Коперника небесными светилами. С точки зрения корпускулярной теории света казалось естественным предположить, что показатель преломления тела, движущегося относительно источника света, должен зависеть от скорости и направления такого движения. Действительно, ведь в этом случае световая частица встречает тело со скоростью, которая зависит от скорости этого движения. Показатель преломления должен определяться скоростью световых частиц относительно тела. Поэтому, например, казалось вполне возможным ожидать, что фокусное расстояние линзы, измеренное при помощи света от земного источника, отличается от такового, если для измерения использовать свет от звёзд. Идея о наличии такого эффекта приходила в голову ученым ещё в XVIII веке. В 1810 г. Араго поставил опыт, с помощью которого рассчитывал определить, как зависит показатель преломления призмы от направления на наблюдаемую через призму звезду, т.е. от скорости света относительно призмы.

Сначала Араго, наверно, сильно удивился: опыт стабильно давал отрицательный  результат. Показатель преломления не зависел от направления на звезду. Что бы это могло означать? Показатель преломления не зависит от скорости световых частиц относительно призмы? Странно. Мысль о том, что скорость света не зависит от движения звезды относительно Земли, наверно никак не могла прийти в голову Араго. Ведь он был уверен, что свет – это летящие частицы, скорости которых складываются по обычному, классическому закону. Он и подумать не мог, что свет в этом отношении ведёт себя особенно.

Объясняя свой опыт, Араго выдвинул остроумную гипотезу. Светящееся тело испускает частицы с разными  скоростями, но из них только частицы, обладающие определёнными скоростями относительно глаза, вызывают в нём ощущение света. Тогда свет, видимый земным наблюдателем, всегда должен иметь одну и ту же скорость относительно призмы в опыте Араго и всегда одинаково преломляться. Скорость частиц этого света относительно звёзд может быть разной, но это уже никак не связано с результатом наблюдений.

Согласуется ли эта гипотеза с явлением аберрации света? Легко видеть, что  да. Представим, что Земля остановилась в некоторой точке орбиты. Тогда при наблюдении звезды труба телескопа будет совпадать с истинным направлением на звезду, а свет будет попадать в глаз со скоростью c. В реальной ситуации свет попадает в глаз с такой же скоростью (иначе он для глаза не свет). Но труба телескопа направлена под другим углом, и скорость фиксируемых глазом световых частиц в системе Коперника будет отличаться от c. Но это отличие мало по сравнению с самой скоростью света. Им можно пренебречь и получить брадлеевскую формулу для угла аберрации.

3. Аберрация и опыт Араго с точки зрения волновой теории света. Теории Френеля и Стокса.

Перейдём к волновым представлениям о свете. В начале XIX в. уже были известны такие явления, как интерференция и дифракция света. В это время Юнг наблюдал эти явления и понял, что одной корпускулярной теорией света не обойтись. Таким образом, в начале XIX в. возрождалась и приобретала новый масштаб волновая теория света. И было необходимо обсудить с позиций этой теории опыт Араго и аберрацию света.

Представления о волновой теории света  были связаны с эфиром. Именно в эфире, а не в пустоте, распространяется свет. Сейчас нам кажется странным принцип Гюйгенса, который говорит о том, что каждая точка в пространстве, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Что излучает волны, если эта точка находится в воздухе или вакууме? Ответ на этот вопрос такой: ничто не излучает, но уже имеющийся свет распространяется так, как если бы что-то излучало. То есть, свет «огибает» препятствия, меняет своё направление, и это выглядит так, как если бы «огибания» не было, но в вакууме были бы источники вторичных волн. И сейчас мы говорим, что принцип Гюйгенса-Френеля – это математический приём, позволяющий решать задачи (напр. по дифракции), но он не вскрывает физическую сущность явления дифракции.

Для Гюйгенса и Френеля всё было иначе. Их принцип был наполнен физическим смыслом, т.к. для них свет распространялся в эфире. Они могли сравнить эфир с воздухом, а световые волны – со звуковыми. А для воздуха всё верно: в точке, до которой дошло возмущение, создаётся избыток давления, и она сама на маленькое время становится источником вторичных волн.

Короче говоря, физики имели дело с эфиром. Это было связано с  рядом трудностей. Нужно было как-то предположить: как взаимодействуют весомые тела и эфир (считали, что эфир проникает в тела); отличается ли эфир внутри тел от эфира вне тел, и если да, то чем; как ведёт себя эфир внутри тел при их движении и т.д.

Юнг в своих работах коснулся оптики движущихся тел. Уже в 1804 г. он отметил, что явление аберрации может быть объяснено волновой теорией света, если предположить, что эфир повсюду, в том числе и внутри движущихся тел, остаётся неподвижным. То есть, существует некоторая особая система отсчёта (точнее, бесконечно много систем), в которой эфир покоится. И в этой системе он покоится всегда, проникая во все тела, но не увлекаясь ими. В этом случае аберрация света объясняется, как и в корпускулярной теории света (вместо частицы бежит волна; её скорость в эфире постоянна и определяется свойствами эфира).

Однако гипотеза Юнга о неувлекающемся эфире не могла объяснить опыт Араго, ведь у всех волн света в эфире одна скорость, подобно тому, как у всех звуков в воздухе. Поэтому Френель, который заинтересовался результатами опыта Араго, отказался от гипотезы Юнга. Но Френель не мог принять и противоположную гипотезу о том, что эфир полностью увлекается движущимся телом (эфир внутри тела движется со скоростью тела относительно эфира вне тел). Такая гипотеза не могла объяснить аберрацию света.

Френелю пришла в голову интересная идея о том, что эфир увлекается движущимися телами частично. Используя эту гипотезу, он сумел объяснить и аберрацию света, и опыт Араго.

По предположению Френеля, эфир внутри весомых тел отличается от эфира вне этих тел только своей  плотностью. Что же касается упругих свойств эфира – они везде одинаковы. Если r - плотность эфира внутри тела, а r₀ – плотность эфира в пространстве, где нет тел, то по Френелю, существует соотношение:

где c и c₁ – скорости света в вакууме и в данном теле соответственно. Последнее равенство объясняется так. Пусть k – величина, характеризующая упругие свойства эфира. Тогда для скорости света верна формула, аналогичная формуле для скорости звука. Скорость зависит от плотности:

Гипотеза Френеля состоит в  следующем. В теле плотность эфира  больше, чем в пространстве, т.к. скорость света там меньше. Двигаясь, тело переносит в себе не весь эфир, а только его избыток, т.е. плотность увлекаемого эфира равна r – r₀. Определив теперь скорость w всего эфира, находящегося внутри тела, как скорость движения центра масс неподвижной части эфира и избытка (того, который движется с телом), Френель в результате простых вычислений получает формулу:

где u – скорость данного тела относительно эфира. Таким образом, скорость света в движущемся теле относительно эфира равна

где c₁ – скорость света в теле, когда оно неподвижно.

На основе предложенной гипотезы Френель  объясняет опыт Араго. Он показывает, что если при расчёте влияния движения призмы на преломление света пренебречь величинами порядка v²/c² и выше, то такое влияние отсутствует. Таким образом, хотя движение Земли в эфире должно влиять на показатель преломления тел на ней, это влияние слишком мало, чтобы Араго мог его обнаружить.

Френель пишет, что и другие оптические опыты, поставленные на Земле, практически  не могут быть использованы для определения  движения Земли относительно эфира. Он рассматривает следующий опыт. На продолжении оси зрительной трубы, наполненной водой, помещают скрепленный с ней точечный источник света так, чтобы он был чётко виден в трубу. Трубу располагают так, чтобы её ось была перпендикулярна плоскости эклиптики, и совмещают изображение источника с крестом нитей, помещённым в трубе. Затем всю трубу вместе с источником поворачивают на 180° и смотрят, произойдёт ли смещение изображения относительно креста нитей. Проведя расчёт на основе своей гипотезы, Френель показывает, что порядок величины ожидаемого смещения должен быть таким же, как в опыте Араго, т.е. его практически невозможно обнаружить. Таким образом, и этот опыт нельзя использовать для определения движения Земли относительно эфира.

В дальнейшем Лоренц привёл более  общее доказательство того, что движение относительно эфира не оказывает влияния на любые оптические явления с точностью до второго порядка величины v/c.

В середине 40-х годов XIX в. английский учёный Стокс разработал новую теорию аберрации. Он исходил из предположения, что Земля при своём движении полностью увлекает находящийся в ней эфир, так что скорость эфира на поверхности Земли равна скорости Земли. И, кроме того, эфир внутри Земли тянет за собой эфир, окружающий Землю. Движение эфира, увлекаемого Землёй, является безвихревым во всём окружающем пространстве, вплоть до тех областей, где эфир пребывает в покое. Такое предположение объясняет аберрацию света. Помимо этого, оно объясняет и опыт Араго. Из него также следует, что абсолютно в любых оптических опытах, проведённых на Земле, не может быть найдена скорость движения Земли относительно эфира (и вообще обнаружено это движение). Сравнивая свою теорию с теорией Френеля, Стокс указывал, что эти теории хотя и основываются на противоположных гипотезах, но практически приводят к одним и тем же результатам. Различие только в том, что по Френелю движение в эфире оказывает влияние на оптические явления, но оно мало, чтобы его обнаружить; а по Стоксу такое движение вообще не оказывает влияния.

Были проделаны и другие опыты, имевшие целью обнаружить движение Земли относительно эфира. Они также не дали положительных результатов и также объяснялись и теорией Френеля, и теорией Стокса. Среди них не было опыта, который смог бы обнаружить эффект порядка v²/c² и выбрать правильной теорию Френеля (если эффект есть) или теорию Стокса (если эффекта нет).

Наконец, в 1851 г. француз Физо провёл опыт, который склонял чашу весов в пользу Френеля. Опыт заключался в измерении скорости света в текущей воде. Физо установил влияние движения воды на распространение в ней света, а также то, что в пределах погрешностей этот опыт можно считать подтверждением теории Френеля о частично увлекающемся эфире. В 1886 г. Майкельсон и Морли проделали аналогичный опыт со значительно большей точностью и подтвердили выводы Физо. Результаты проделанного опыта Физо расценил как бесспорное подтверждение теории Френеля и опровержение теории Стокса. Однако этот опыт свидетельствовал только, что обычные прозрачные тела небольших размеров при своём движении частично увлекают эфир. Вопрос о том, что происходит с эфиром, когда в нём движется такое огромное тело, как Земля, ещё нельзя было считать полностью решённым.

В 60-х годах проблемой определения  движения Земли относительно эфира  заинтересовался Максвелл. Он повторил опыт Араго в более точном варианте и также получил отрицательный результат. В 1868 г. Максвелл сообщил о проделанном опыте, а также о своих теоретических соображениях, касающихся вопросов оптики движущихся сред, а затем он вернулся к этому вопросу в конце жизни. Рассмотрев состояние проблемы о поведении эфира при движении эфира при движении в нём весомых тел, в том числе Земли, Максвелл пришёл к заключению, что имеющийся экспериментальный материал хотя и говорит больше в пользу теории Френеля, чем теории Стокса, тем не менее ещё не может считаться достаточным подтверждением первой. Он писал: «…весь вопрос о состоянии светоносной среды возле Земли и об её отношении к обыкновенной материи ещё не решён опытом».

4. Попытки обнаружить движение Земли относительно эфира.  
   Опыт Майкельсона.

Максвелл рассматривал вопрос о  возможности постановки опыта, который  мог бы однозначно решить, какая из теорий (Френеля или Стокса) является справедливой. Это опыт, в котором измерялась бы скорость света, идущего от земного источника в направлении движения Земли, а затем сравнивалась со скоростью света в противоположном направлении. Очевидно, что если Земля не увлекает эфир при своём движении, то в первом случае эта скорость должна равняться c₁ = c – v = c(1 – v/c), а во втором случае c₂ = c + v = c(1 + v/c), где v – скорость Земли в эфире. Таким образом, разница в скорости света в первом и втором случаях первого порядка малости относительно v/c. Однако в таком опыте нужно измерять время прохождения светом определённого расстояния в заданном направлении, а такая задача была экспериментально неразрешима. Поэтому во всех проводимых на Земле опытах по определению скорости света измерялось время, которое требуется свету для прохождения в прямом и обратном направлениях (туда и обратно). Значит, для того, чтобы определить влияние движения Земли на скорость света, остаётся возможность сравнить время прохождения светом определённого расстояния L туда и обратно один раз вдоль движения Земли, а другой раз, например, в перпендикулярном направлении. Но в этом случае разница во времени в первом и втором случаях является величиной уже второго порядка малости относительно v/c, т.е. величиной порядка v²/c².