Опыт Майкельсона

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Общий вид интерферометра в перспективе. Изображение из доклада А. Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г.[1]
Движение Земли вокруг Солнца и через эфир.
Схема экспериментальной установки
Иллюстрация экспериментальной установки
Схема опыта Майкельсона—Гэля

О́пыты Ма́йкельсона — класс физических экспериментов, исследующих зависимость скорости распространения света от направления. В настоящее время (2011 год) точность опытов позволяет найти относительные отклонения изотропности скорости света в единицы 10−16, однако на этом уровне отклонения не найдены. Опыты Майкельсона являются эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО).

Теория[править | править вики-текст]

Вычисляем общее время t_1 используя сумму времен двух путей:

t_1 = \frac{L_1}{c + v} + \frac{L_1}{c - v} = \frac{2 c L_1}{c^2 - v^2} = \frac{2 L_1}{c} \frac {1}{1 - \frac{v^2}{c^2}} \approx \frac{2 L_1}{c} \left(1 + \frac{v^2}{c^2}\right)

Приближение связано с тем, что (v^2/c^2) << 1 (порядка 10^{-8}) когда берется скорость  v , что и у земли.

Скорость эфира c = \|\mathbf {v}+\mathbf {v_1}\|, а v_1=\|\mathbf {v_1}\| скорость волны в направлении зеркала. c = \|\mathbf {v}+\mathbf {v_1}\| = \sqrt{v^2 + v_1^2} из этого следует, что:

v_1 ={\sqrt{c^2 - v^2 }} = {{c} \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}

Принимая во внимание симметрию, мы можем теперь вычислить:

t_2 = \frac{2 L_2}{c}\frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} \approx \frac{2 L_2}{c} \left(1 + \frac {v^2}{2 c^2}\right)

Разность фаз пропорциональна:

\delta =c (t_2 - t_1) = 2 \left({\frac{L_2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}-\frac{L_1}{1 - \frac{v^2}{c^2}}}\right)

S = |\delta + \delta^'| где \delta^' пропорциональна разности фаз, при повороте на \frac{\pi}{2}:

S = |2 L_1 \left({\frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}-\frac{1}{1 - \frac{v^2}{c^2}}}\right) + 2 L_2 \left({\frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}-\frac{1}{1 - \frac{v^2}{c^2}}}\right)|\approx (L_1 + L_2)\frac{v^2}{c^2}

Было показано, что теория эфира подразумевает разность, поддающуюся количественной оценке, и обнаруживаемую соответствующими средствами (интерферометр Майкельсона — Морли).

История[править | править вики-текст]

Предыстория[править | править вики-текст]

Теория распространения света как колебаний особой среды — светоносного эфира — появилась в XVII веке. В 1727 году английский астроном Джеймс Брэдли объяснил с её помощью аберрацию света. Предполагалось, что эфир неподвижен, но после опытов Физо возникло предположение, что эфир частично или полностью увлекается в ходе движения вещества.

В 1864 году Джеймс Максвелл поставил опыт с целью определить скорость Земли относительно эфира, однако позднее нашёл ошибку в своих выкладках и не стал публиковать результаты. Незадолго до смерти, в 1879 году, он написал другу письмо на эту тему, оно было посмертно опубликовано в журнале «Nature». В 1871—1872 годах Эйри провёл серию точных опытов с астрономическим источником света, сделав из них вывод о том, что орбитальное движение Земли полностью увлекает эфир.

Опыты Майкельсона[править | править вики-текст]

Вышеупомянутая публикация письма Максвелла заинтересовала американского физика Альберта Майкельсона. Около 1880 года он придумал оптический прибор исключительно высокой точности, который назвал интерферометром. Целью первого эксперимента (1881) было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Результат первого эксперимента был отрицательным — смещения полос не совпадают по фазе с теоретическими, а колебания этих смещений только немного меньше теоретических[2]. Статья о результатах опыта вызвала критику ведущего физика-теоретика Хендрика Лоренца, который указал, что теоретическая точность опыта была завышена[3].

Позже, в 1887 году, Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но существенно более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона — Морли и показавший, что наблюдаемое смещение несомненно 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 её орбитальной скорости и несомненно меньше 1/4[4].

Под влиянием этих результатов Джордж Фитцджеральд и Лоренц выдвинули гипотезу о сокращении материальных тел в направлении движения в неподвижной и неувлекаемом эфире (1889).

Опыты Миллера[править | править вики-текст]

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.[источник?]

К. Миллер с профессором Морли сконструировали интерферометр более чувствительный, чем примененный в первом эксперименте, с длиной оптического пути 65,3 м, эквивалентной примерно 130 млн длин волн. К. Миллер ожидал увидеть смещение в 1,1 полосы.[5]

Осенью 1905 г. Морли и Миллер провели эксперимент на Евклидовых высотах в Кливленде, находящихся на высоте около 90 м над озером Эри и около 265 м выше уровня моря. В 1905—1906 гг. было сделано пять серий наблюдений, которые дали определённый положительный эффект — около 1/10 ожидаемого дрейфа[6].

В марте 1921 г. методика и аппарат были несколько изменены и получен результат в 10 км/с «эфирного ветра». Результаты были тщательно проверены на предмет возможного устранения погрешностей, связанных с магнитострикцией и тепловым излучением. Направление вращение аппарата не оказывало влияния на результат эксперимента[6].

Более поздние исследования результатов, полученных Д. Миллером, показали, что флуктуации, наблюдавшиеся им и интерпретированные как наличие «эфирного ветра», являются следствием статистических ошибок и неучёта температурных эффектов[7].

Опыты Кеннеди[править | править вики-текст]

Доктор Рой Кеннеди (Калифорнийский технологический институт) после публикаций результатов опыта Морли—Миллера видоизменяет опыт с целью проверки. 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 насколько возможно рассеяние света на зеркалах. Точность опыта соответствовала смещению полос на 2·10−3 их ширины. На этом аппарате скорость 10 км/с, полученная Миллером, давала бы сдвиг, соответствующий 8·10−3 длины волны зелёного 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 также на Маунт-Вилсон, в здании обсерватории. Эффект оказался не превышающим 1 км/с для эфирного ветра[6].

Теперь я хотел бы сделать несколько замечаний по поводу эксперимента Миллера. Я считаю, что существует серьёзная 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.[6]

Опыты Майкельсона и Гэля[править | править вики-текст]

В 1925 г. Майкельсон и Гэль у Клиринга в Иллинойсе уложили на земле водопроводные трубы в виде прямоугольника. Диаметр труб 30 см. Трубы AF и DE были направлены точно с запада на восток, EF, DA и CB — с севера на юг. Длины DE и AF составляли 613 м; EF, DA и CB — 339,5 м. Одним общим насосом, работающим в течение 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 пучок света шёл по часовой стрелке, другой против. Смещение полос, вызываемое вращением Земли, разные люди регистрировали в различные дни при полной перестановке зеркал. Всего было сделано 269 измерений. Теоретически предполагая эфир неподвижным, следует ожидать смещения полосы на 0,236±0,002. Обработка данных наблюдений дала смещение 0,230±0,005, таким образом подтвердив существование и величину эффекта Саньяка[4].

С. И. Вавилов в статье «Экспериментальные основания теории относительности» объясняет этот эффект так:

Ротационные опыты Саньяка и Майкельсона — Гэля в теории относительности (частной и общей) объясняются почти так же, как возможность обнаружения вращательного движения по проявлениям центробежных сил в механике. Это — естественное следствие теории относительности, не добавляющее ничего нового[4].

Современные варианты[править | править вики-текст]

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 году довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона[8] используют оптические и криогенные[прояснить] микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10−16.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Albert A. Michelson, Edward W. Morley. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. The American Journal of Science. III series. Vol. XXII, No. 128, P.120 — 129.
  2. Л. Млодинов, 2014, с. 69—73.
  3. Л. Млодинов, 2014, с. 73—74.
  4. 1 2 3 Экспериментальные основания теории относительности // С. И. Вавилов. Собрание сочинений. Т. 4. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.
  5. Conference on the Michelson-Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927 // The Astrophysical Journal. December 1928. Vol. LXVIII, No. 5. P. 341—402.
  6. 1 2 3 4 (Conference on the Michelson-Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927 //The Astrophysical Journal. December 1928. Vol. LXVIII, No. 5. P. 341—402. Перевод с англ. В. А. Ацюковского и Л. С. Князевой.
  7. R. S. Shankland, S. W. McCuskey, F. C. Leone, and G. Kuerti New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 1955. — Vol. 27. — P. 167—178. — DOI:10.1103/RevModPhys.27.167
  8. Tests of Relativity by Complementary Rotating Michelson-Morley Experiments // Phys. Rev. Lett. 99, 050401 (2007)

Литература[править | править вики-текст]

  • Млодинов Л. Евклидово окно. История геометрии от параллельных прямых до гиперпространства. — М.: Гаятри/Livebook, 2014. — 368 с. — ISBN 978-5-904584-60-3.
  • Swenson, L. S. The Michelson-Morley-Miller Experiments before and after 1905 (англ.) // Journal for the History of Astronomy. — 1970. — Vol. 1. — P. 56—78.

Ссылки[править | править вики-текст]