Схема опыта Майкельсона-Гэля

О́пыт Ма́йкельсона - физический опыт, поставленный Альбертом Майкельсоном на своём интерферометре в 1881 году , с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира . Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмнораспределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям. Результат эксперимента по мнению Майкельсона был отрицательный - смещение полос не совпадают по фазе с теоретическими, но колебания этих смещений только немного меньше теоретических. Позже, в 1887 году Майкельсон, совместно с Морли , провёл аналогичный, но более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли и показавший, что наблюдавшееся смещение меньше 1/20 теоретического и, вероятно меньше 1/40. В теории неувлекаемого эфира смещение должно быть пропорционально квадрату скорости; поэтому результаты, равносильны тому, что относительная скорость Земли в эфире, меньше 1/6 орбитальной скорости и, несомненно меньше 1/4. "Из всего сказанного, - заключают свою статью Майкельсон и Морли , - явствует, что безнадежно пытаться решить вопрос о движении солнечной системы по наблюдениям оптических явлений на поверхности Земли. Согласно примечанию С. И. Вавилова «Способ обработки таков, что всякие непереодические смещения исключаются. Между тем эти непереодические смещения были значительны. Максимальное смещение в этом случае составляет 1/10 теоретического».

По мнению профессора Дэйтона К.Миллера(Кейсовская школа прикладных наук): - «Можно полагать, что эксперимент лишь показал, что эфир в конкретной подвальной комнате увлекается в продольном направлении вместе с ней. Мы собираемся поэтому переместить аппарат на холм, чтобы посмотреть, не обнаружится ли там эффект» .

Доктор Рой Кеннеди (Калифорнийский технологический институт) после публикаций результатов опыта Морли-Миллера видоизменяет опыт с целью повторения опыта. Интерферометр помещается в металлический герметичный корпус заполненный гелием под давлением 1 атм. Используя приспособление, способное различить очень малые смещения интерференционной картины стало возможным сократить размер плеч до 4 м. Использовался поляризованный свет с целью исключить рассеивание света на зеркалах. Точность опыта соотвествовала смещению 2·10 −3 .На этом аппарате скорость 10 км/с, полученная Миллером, давала бы сдвиг, соответствующий 8·10 −3 длины волны зеленого цвета, что в четыре раза больше наименьшего определяемого значения. Эксперимент проводился в лаборатории Норман Бридж, в помещении с постоянной температурой в различное время дня. Для проверки зависимости скорости эфирного ветра от высоты местности опыты проводились на Маунт Вилсон в здании обсерватории. Эффект оказался не превышающим 1 км/с для эфирного ветра.

Теперь я хотел бы сделать несколько замечаний по поводу эксперимента Миллера. Я считаю, что существует серьезная проблема, связанная с эффектом, периодическим для полного оборота аппарата, и сброшенная со счетов Миллером, подчеркивающим значение эффекта полупериода, т.е. повторяющегося при полуобороте аппарата, и касающаяся вопроса об эфирном ветре. Во многих случаях эффект полного периода значительно больше эффекта полупериода. По Миллеру эффект полного периода зависит от ширины полос и будет нулевым для неопределенно широких полос.

Хотя Миллер утверждает, что он смог исключить этот эффект в значительной степени в своих замерах в Кливленде, и это можно легко объяснить в эксперименте, я хотел бы более четко понять причины этого. Говоря в данный момент как приверженец теории относительности» я должен утверждать, что такого эффекта вовсе не существует. Действительно, поворот аппарата в целом, включая источник света, не дает какого-либо сдвига с точки зрения теории относительности. Никакого эффекта не должно быть, когда Земля и аппарат находятся в покое. По Эйнштейну такое же отсутствие эффекта должно наблюдаться для движущейся Земли. Эффект полного периода, таким образом, находится в противоречии с теорией относительности и имеет большое значение. Если затем Миллер обнаружил систематические эффекты, существование которых нельзя отрицать, важно также узнать причину эффекта полного периода - Проф. Лоренц

В 1925 г. Майкельсоном и Гэлем у Клиринга в Иллинойсе на земле были уложены водопродные трубы в виде прямоугольника. Диаметр труб 30 см. Трубы AF и DE направлены точно с запада на восток, EF, DA и CB - с севера на юг. DE=AF=613 м. EF=DA=CB=339.5 м. Одним общим насосом работающим в течении трех часов можно откачать воздух до давления 1 см ртутного столба. Чтобы обнаружить смещение Майкельсон сравнивает в поле зрительной трубы интерференционные полосы, получаемые при обегании большого и малого контура. Один пучек света шел по часовой стрелки другой против. Смещение полос вызываемое вращением Земли регистрировали, в различные дни при полной перестановке зеркал и различными людьми. Всего было сделано 269 измерений. Теоретически предполагая эфир неподвижным, следует ожидать смещения полосы на 0,236±0,002. Обработка данных наблюденний дала смещение 0,230±0,005.

Таким образом, перед нами снова положительный эффект, сам по себе с поразительной точностью подтверждающий предположение о неувлекаемом эфире, отстающим при суточном вращении Земли. - С.И. Вавилов т. IV

В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров , показавший неизменность частоты от движения Земли с точностью около 10 −9 %. Ещё более точные измерения в 1974 довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона используют оптические и криогенные микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10 −16 .

Опыт Майкельсона считается эмпирической основой

Опыт Майкельсона-Морли

• Физика

Опытом Майкельсона-Морли я заинтересовался еще во времена моей учебы в университете – давно это было. Здесь у меня подборка из интернета – несколько «нарезок» в сокращенном виде:

Специальная теория относительности была разработана Альбертом Эйнштейном и его предшественниками на основе, главным образом, опыта Майкельсона-Морли (1881, 1887 гг.), не выявившего эфирного дрейфа (ether drift) - эксперимента по определению скорости движения Земли относительно светоносной среды (эфира).

Суть опыта Майкельсона-Морли заключалась в том, что в интерферометре использовался расщепленный световой луч, который проходил прямой и обратный путь в продольном и поперечном направлениях по отношению к движению поверхности Земли. Результирующий пучок света, возвратившегося на полупрозрачное зеркало, позволял наблюдать интерференционную картину смещения интерференционных полос и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей - запаздывание одного луча относительно другого.

Этот опыт был проведён в конце XIX в и позднее, у разных экспериментаторов показав либо «нулевые» (или «отрицательные»), либо положительные результаты с определённым звёздным апексом. Различные специалисты, вплоть до нобелевских лауреатов, подвергают критике как саму постановку экспериментов, подобных опытам Майкельсона-Морли, так и полученные на их основе теоретические выкладки.

Это и не удивительно, ведь по результатам эксперимента Майкельсона–Морли была создана специальная теория относительности. Значение эксперимента действительно трудно переоценить, ибо он должен был подтвердить наличие светоносной среды – эфира, гипотезу которого после этого эксперимента релятивисты отвергли и приняли теорию относительности. И хотя отсутствие, согласно опытам Майкельсона-Морли, «эфирного ветра» еще не доказывало отсутствие эфира, релятивисты из своего позитивистского идеалистического понимания «простоты» научной концепции, решили от него избавиться. В то время позитивисты объявили субстанциональные понятия вроде «материи» пережитками метафизики.

Искушенный читатель понимает, что для обожествления идеи требуются совершенно иные качества психики, чем строгий научный подход. Механизмы генезиса и экспансии релятивизма ничем особенным не отличаются от аналогичных процессов зарождения и распространения, скажем, религиозных верований и мифов.

Я, признаюсь, когда интересовался этим опытом , никаких доказательств теории относительности в нем не нашел – мозги, наверное, устроены не так как у гениев. Речь там шла о попытках замера скорости света в направлениях вдоль и поперек движения поверхности Земли. Эта скорость, согласно интерпретации результатов замеров в опытах Майкельсона-Морли и их последователей, оказалась одинаковой, т.е. постоянной. Ну и что? Скорость звука в неподвижном воздухе тоже постоянна во всех направлениях – в стране слепых из этого факта могли бы тоже соорудить какую-то сногсшибательную теорию. Да и вообще, с какого перепугу скорость света не должна быть постоянной в пределах Земли. Разве инертная масса, которой обладают и частицы света, зависит от перемещения вдоль или поперек движению Земли, или есть хотя бы гипотеза на этот счет?

Семиков С.А. Доклад по дисциплине "История и методология науки " от 20.12.2008

Был мир земной кромешной тьмой окутан.
Да будет свет – и вот явился Ньютон.
Но Сатана недолго ждал реванша:
Пришёл Эйнштейн. И стало всё как раньше.

Что же привело к столь радикальному пересмотру классической механики? Началось всё в 1881 г. с опыта Майкельсона. В опыте делалась попытка установить скорость движения Земли в эфире – среде, в которой согласно электродинамике распространялся свет. Для этого сравнивали времена движения луча света в интерферометре Майкельсона-Морли вдоль и поперёк скорости движения Земли. Понятно, что скорость света в эфире вдоль и поперёк получилась бы разная и разными бы вышли времена движения. Но опыт обнаружил равенство времён, что говорило о ложности теории эфира и основанной на нём максвелловской электродинамики. Однако учёные уже настолько уверовали в электродинамику, что предпочли видоизменить механику, дабы подогнать результат опыта под электродинамику.

Четверостишие, приведенное выше, если не ошибаюсь, это две эпиграммы в переводе Самуила Маршака. Не имея возражений против воззрений автора доклада, я позволю себе придраться к фактору использования языка – раздел ведь относится к терминологии: раздел сайта я имею ввиду. Так вот, правильное использование языка предполагает, с моей точки зрению, и правильную интерпретацию сообщений, сооруженных посредством слов. А с этой точки зрения никакой такой скорости света или «равенства времен» в опыте Майкельсона-Морли не замерялось. Фиксировались лишь результаты интерференции волн, по которой судили о скорости света. При этом делалась масса произвольных, хотя и более-менее правдоподобных допущений. Допущений о том, что скорость света в прямом и обратном направлениях его движения одинакова; о том, что частота света в этих направлениях тоже одинакова; о том, что временем отражения света можно пренебречь; о том, что процесс взаимодействия прибора со световым лучом не вносит искажения в интерференцию, и прочая.

В моих примечаниях по поводу опыта Майкельсона-Морли так и было записано: Опыт обнаружил не «равенство времен», а лишь результат замеров, который, в частности, можно интерпретировать как равенство времен.

Теги: опыт Майкельсона-Морли, классическая механика

Опыт Майкельсона-Морли принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия).

Альберт Абрахам МАЙКЕЛЬСОН 1852–1931

Американский физик немецкого происхождения, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света. В 1887 году Майкельсон, совместно с Э. У. Морли, провёл эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли. Лауреат Нобелевской премии по физике в 1907 г. «за создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью».

Эдвард Уильямс Морли 1839 1923 ) - американский физик.

Наибольшую известность получили его работы в области интерферометрии, выполненные совместно с Майкельсоном. В химии же высшим достижением Морли было точное сравнение атомных масс элементов с массой атома водорода, за которое ученый был удостоен наград нескольких научных обществ.

СУЩНОСТЬ РАССМОТРАВАЕМОГО ОПЫТА

Сущность опыта Майкельсона-Морли заключается в получение интерференционной картины на экспериментальной установке и выявлении малейшей десинхронизации двух лучей под воздействием «эфирного ветра». В этом случае было бы доказано существование эфира. Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмнораспределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям.

Суть опыта заключается в следующем. Монохроматический луч света, пройдя через собирающую линзу, попадает на полупрозрачное зеркало В, наклоненное под углом 45 градусов, где разделяется на два луча, один из которых движется перпендикулярно направлению предполагаемого движения прибора относительно эфира, другой - параллельно этому движению. На одинаковом расстоянии L от полупрозрачного зеркала B установлены два плоских зеркала - С и D. Лучи света, отражаясь от этих зеркал, снова падают на зеркало B, частично отражаются, частично проникают сквозь него и попадают на экран (или в зрительную трубу) E.

Если интерферометр покоится относительно эфира, то время, затрачиваемое первым и вторым лучами света на свой путь, одинаково, и в детектор попадают два когерентных луча в одинаковой фазе. Следовательно, возникает интерференция, и можно наблюдать центральное светлое пятно на интерференционной картине, характер которой определяется соотношением форм волновых фронтов обоих пучков. Если же интерферометр движется относительно эфира, то время, затрачиваемое лучами на свой путь, оказывается разным. Ожидаемое смещение интерференционной картины должно составлять 0,04 расстояния между интерференционными полосами.

Из основных встретившихся трудностей состояли в приведении прибора во вращение без создания искажений, другая же – его крайняя чувствительность к вибрациям.

Первая из названных трудностей была полностью устранена путем установки прибора на массивный камень, плавающий в ртути; вторая же была преодолена посредством увеличения пути света вследствие повторных отражений до величины, почти в десять раз превосходившей первоначальную.

Каменная плита имела площадь около 1,5 х 1,5 м и толщину 0,3 м. Она покоилась на кольцеобразном деревянном поплавке с внешним диаметром 1,5 м, внутренним диаметром 0,7 м и толщиной 0,25 м. Поплавок располагался на ртути, содержавшейся в чугунном лотке толщиной 1,5 см и таких размеров, что вокруг поплавка в нем оставалось свободное пространство около сантиметра. В каждом углу камня помещалось по четыре зеркала. Вблизи центра камня находилась плоскопараллельная стеклянная пластинка.

Наблюдения проводились следующим образом. Вокруг чугунного лотка имелось шестнадцать эквидистантных отметок. Прибор приводился в очень медленное вращение (один оборот за шесть минут), и через несколько минут в момент прохождения одной из отметок пересечение нитей микрометра наводилось на самую яркую интерференционную полосу. Вращение происходило столь медленно, что это можно было сделать легко и точно. Отмечалось показание головки винта микрометра и делался очень легкий и плавный толчок для поддержания движения камня. При прохождении следующей отметки процедура повторялась, и все это продолжалось до тех пор, пока прибор не завершал шесть оборотов.

При полуденных наблюдениях вращение производилось против часовой стрелки, при вечерних – по часовой стрелке. Результаты наблюдений представлены графически на рис. 5. Кривая 1 соответствует полуденным наблюдениям, кривая 2 – вечерним. Пунктирные линии показывают одну восьмую теоретического смещения. Из рисунка возможно сделать вывод о том, что если и существует какое-либо смещение благодаря относительному движению Земли и светоносного эфира, оно не может быть значительно больше, чем 0,01 расстояния между полосами, что не соответствует начальным предположениям.

СУЩЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! В итоге: эфирного ветра, а, стало быть, и эфира не существует. В отсутствие эфирного ветра и эфира, как такового, стал очевиден неразрешимый конфликт между классической механикой Ньютона (подразумевающей некую абсолютную систему отсчета) и уравнениями Максвелла (согласно которым скорость света имеет предельное значение, не зависящее от выбора системы отсчета), что и привело в итоге к появлению теории относительности. Опыт Майкельсона-Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. Опыт Майкельсона-Морли стал фундаментальным подтверждением специальной теории относительности. Выводы Майкельсона и Морли остались незыблемыми и после множества повторений опыта, проведенных с конца XIX в. до наших дней.

Мы уже говорили, что в свое время были сделаны попытки определить абсолютную скорость движения Земли сквозь воображаемый «эфир», который, как думали тогда, пропитывает собой все пространство. Самый известный из таких опытов проделали в 1887 г. Майкельсон и Морли. Но только через 18 лет отрицательные результаты их опыта объяснил Эйнштейн.

Для опыта Майкельсона — Морли использовался прибор, схема которого показана на фиг. 15.2. Главные части прибора: источник света А, посеребренная полупрозрачная стеклянная пластинка В, два зеркала С и Е. Все это жестко укрепляется на тяжелой плите. Зеркала С и Е размещены были на одинаковом расстоянии L от пластинки В. Пластинка В расщепляет падающий пучок света на два, перпендикулярных один к другому; они направляются на зеркала и отражаются обратно на пластинку В. Пройдя снова сквозь пластинку В, оба пучка накладываются друг на друга (D и F). Если время прохождения света от В до Е и обратно равно времени прохождения от В до С и обратно, то возникающие пучки D и F окажутся в фазе и усилятся взаимно; если же эти времена хоть немного отличаются, то в пучках возникает сдвиг по фазе и, как следствие,— интерференция. Если прибор в эфире «покоится», то времена в точности равны, а если он движется направо со скоростью и, то появится разница во времени. Давайте посмотрим, почему.

Сначала подсчитаем время прохождения света от В к Е и обратно. Пусть время «туда» равно t 1 , а время «обратно» равно t 2 . Но пока свет движется от В до зеркала, сам прибор уйдет на расстояние ut 1 , так что свету придется пройти путь L + ut 1 со скоростью с. Этот путь можно поэтому обозначить и как ct 1 , следовательно,
ct 1 = L + ut 1 , или t 1 = l/(c - u)
(этот результат становится очевидным, если учесть, что скорость света по отношению к прибору есть с — u; тогда как раз время равно длине L, деленной на с — u). Точно так же можно рассчитать и t2. За это время пластинка В приблизится на расстояние ut 2 , так что свету на обратном пути придется пройти только L — ut 2 . Тогда
ct 2 = L -ut 2 , или t 2 = l/(c +u)
Общее же время равно
t 1 + t 2 = 2Lc/(c 2 - u 2);
удобнее это записать в виде

А теперь подсчитаем, сколько времени t 3 свет будет идти от пластинки В до зеркала С. Как и прежде, за время t 3 зеркало С сдвинется направо на расстояние ut 3 (до положения С), а свет пройдет по гипотенузе ВС расстояние ct 3 . Из прямоугольного треугольника следует
(ct 3) 2 = L 2 + (ut 3) 2 ,
или
L 2 = c 2 t 2 3 - u 2 t 2 3 = (c 2 - u 2)t 2 3 ,
откуда
t 3 = l/√(c 2 - u 2)

При обратной прогулке от точки С` свету приходится пройти то же расстояние; это видно из симметрии рисунка. Значит, и время возвращения то же (t 3), а общее время равно 2t 3 . Мы запишем его в виде

Теперь мы можем сравнить оба времени. Числители в (15.4) и (15.5) одинаковы — это время распространения света в покоящемся приборе. В знаменателях член u 2 /с 2 мал, если только и много меньше с. Знаменатели эти показывают, насколько изменяется время из-за движения прибора. Заметьте, что эти изменения неодинаковы — время прохождения света до С и обратно чуть меньше времени прохождения до Е и обратно. Они не совпадают, даже если расстояния от зеркал до В одинаковы. Остается только точно измерить эту разницу.

Здесь возникает одна техническая тонкость: а что если длины L не точно равны между собой? Ведь точного равенства все равно никогда не добьешься. В этом случае надо просто повернуть прибор на 90°, расположив ВС по движению, a BE — поперек. Различие в длинах тогда перестает играть роль, и остается только наблюдать за сдвигом интерференционных полос при повороте прибора.

Во время опыта Майкельсон и Морли расположили прибор так, что отрезок BE оказался параллельным движению Земли но орбите (в определенный час дня и ночи). Орбитальная скорость равна примерно 30 км/сек, и «снос эфира» в определенные часы дня или ночи и в определенное время года должен достигать этой величины. Прибор был достаточно чувствителен, чтобы заметить такое явление. Но никакого различия во временах обнаружено не было — скорость движения Земли сквозь эфир оказалось невозможно обнаружить. Результат опыта был нулевой.

Это было загадочно. Это настораживало. Первую плодотворную идею, как выйти из тупика, выдвинул Лоренц. Он допустил, что все материальные тела при движении сжимаются, но только в направлении движения. Таким образом, если длина покоящегося тела есть Lo, то длина тела, движущегося со скоростью u (назовем ее L || , где значок || показывает, что движение происходит вдоль длины тела), дается формулой

Если эту формулу применить к интерферометру Манкель-сона — Морли, то расстояние от В до С останется прежним, а расстояние от В до Е укоротится до L√(1 - u 2 /c 2). Таким образом, уравнение (15.5) не изменится, но L в уравнении (15.4) изменится в соответствии с (15.6). В результате мы получим

Сравнивая это с (15.5), мы видим, что теперь t 1 + t 2 = 2t 3 . Стало быть, если прибор действительно сокращается так, как мы предположили, то становится понятным, почему опыт Май-кельсона — Морли никакого эффекта не дал.

Хотя гипотеза сокращения успешно объясняла отрицательный итог опыта, она сама оказалась беззащитной перед обвинением, что ее единственная цель — избавиться от трудностей в объяснении опыта. Она была чересчур искусственной. Однако сходные трудности возникали и в других опытах по обнаружению эфирного ветра. В конце концов стало казаться, что природа вступила в «заговор» против человека, что она прибегла к конспирации и то и дело вводит какие-то новые явления, чтобы свести к нулю каждое явление, с помощью которого человек пытается измерить u.

И наконец, было признано (на это указал Пуанкаре), что полная конспирация — это и есть закон природы! Пуанкаре предположил, что в природе есть закон, заключающийся в том, что нельзя обнаружить эфирный ветер никаким способом, т. е. абсолютную скорость обнаружить невозможно.