Опыт Майкельсона — Морли. Опыт майкельсона и морли

Мы уже говорили, что в свое время были сделаны попытки определить абсолютную скорость движения Земли сквозь воображаемый «эфир», который, как думали тогда, пропитыва ет 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 использовали 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 u, то появится разница во времени. Давайте посмотрим, почему.
Сначала подсчитаем время прохождения света от В к E 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,

(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 t 2 . За это время пластинка В приблизится на расстояние ut 2 , так что свету на обратном пути придется пройти только L - ut. Тогда

Общее же время равно

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

или

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 u 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 по орбите (неопределенный 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 р азличия 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 L 0 , 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 Майкельсона- Морли, то расстояние от В до С останется прежним, а расстояние от В до Е укоротится до L √1 - u 2 /с 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 Майкельсона - 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.

Чтобы распространяться в пространстве, свет не нуждается в «светоносном эфире».

Трудно представить себе абсолютную пустоту — полный вакуум, не содержащий чего бы то ни было. Человеческое сознание стремится заполнить его хоть чем-то материальным, и на протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром. Идея состояла в том, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений Максвелла , предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские — в воде. В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире.

В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей (запаздывании одного луча относительно другого; см. Интерференция).

Опыт Майкельсона—Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.) Итак: 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. И, сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, сомневаться в том, что результаты опытов Майкельсона — Морли способствовали быстрому восприятию столь радикальной теории научной общественностью всерьез, вряд ли приходится.

Эдвард Уильямс МОРЛИ
Edward Williams Morley, 1838–1923

Американский физик и химик. Родился в Ньюарке, штат Нью-Джерси в семье церковнослужителя-конгрегационалиста. По причине слабого здоровья школу не посещал, а учился дома, причем отец готовил его к продолжению служения церкви, однако мальчик предпочел естественные науки и занялся изучением химии и природоведения. В конце концов, из него получился непревзойденный экспериментатор. Именно Морли удалось с непревзойденной точностью определить удельные массы водорода и кислорода в составе чистой воды. Когда же судьба свела его с Альбертом Майкельсоном, его навыки экспериментатора оказались просто незаменимыми, и теперь имена двух этих ученых неразрывно связаны благодаря их знаменитому опыту.

Американский физик, немец по национальности (на снимке). Родился в местечке Стрельно (ныне Стшельно) на территории современной Польши (в те годы входившей в состав Российской империи). В возрасте двух лет вместе с родителями эмигрировал в США. Вырос в Калифорнии в эпоху знаменитой «золотой лихорадки», однако отец будущего ученого занимался не поисками золота, а мелкооптовой торговлей в городах, охваченных этим недугом. Поступил в Академию ВМФ США по особой рекомендации некоего конгрессмена от своего штата, был принят на действительную службу, прошел полный курс строевой подготовки, после чего был назначен преподавателем физики. Благодаря этому у него появилась возможность заниматься оптикой и, в частности, строительством прибора для определения скорости света.

После выхода в отставку с действительной службы в 1881 году стал преподавателем Школы прикладных наук им. Кейса (Case School of Applied Sciences) в Кливленде, штат Огайо, где и продолжил свои исследования. В 1907 году Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике «за создание прецизионных оптических инструментов и за выполненные с их помощью исследования», а именно, за точное определение длины стандартного метра и скорости света в вакууме.

Введение.

Еще в конце 19-го века, когда развивалась различные теории электрических и магнитных явлений появилась гипотеза о том, что свет распространяется в так называемом "мировом эфире".

Новые открытия в оптике, в корне перевернули раннее устоявшееся мнение, основанное на убежденности Ньютона в том, что света имеет корпускулярную природу. Эксперименты Гюйгенса, Френеля, Юнга и других ученых показали, что явления дифракции, интерференции и дисперсии могут быть объяснены только в рамках волновой теории света. Все попытки объяснить эти явления с позиций корпускулярной теории потерпели поражение.

После установления волновой природы света возник вопрос о среде в которой эти световые волны распространяются. Согласно представлениям, возникшим вскоре, свет распространяется в особой среде, называемой эфиром. Эфир заполняет все пространство, в котором движутся материальные тела, и неподвижен в этом пространстве. Скорость света относительно эфира является постоянной величиной, определяемой таким свойством эфира, как упругость. Эфир, по этим представлениям, является неподвижной и абсолютной системой отсчета.

Поскольку скорость света относительно эфира постоянна, то относительно материальных тел, движущихся в эфире, она переменна и зависит от их скорости относительно эфира. Измеряя скорость света относительно тела, можно определить скорость тела относительно эфира.

Такая попытка определить абсолютную скорость Земли была выполнена Майкельсоном и Морли в 1881 - 1887 г.г.

Идея и схема опыта Майкельсона - Морли.

Идея опыта состоит в сравнении прохождения светом двух путей, из которых один совпадает с направлением движения тела в эфире, а другой ему перпендикулярен. Схема установки изображена на Рис.1.

Рис.1. Схема опыта Майкельсона-Морли.

Представим себе интерферометр в котором свет, поступая из источника A падает на наклоненное под углом 45 градусов плоское полупрозрачное зеркало B и разделяется на два луча. Один из лучей отражается и уходит под углом 90 градусов по отношению к первоначальному направлению к зеркалу D , а другой проходит зеркало B насквозь и идет к зеркалу F . Отразившись от соответствующих зеркал лучи возвращаются к зеркалу B и наблюдаются в окуляр E .

Если интерферометр неподвижен, то в окуляре должны наблюдаться полосы, положение которых зависит от разности хода лучей по двум путям. Пусть длины плеч интерферометра BF=l 1 и BD=l 2 . Рассчитаем разность хода, если система движется в направлении плеча BF со скоростью v .

При этом точка F удаляется от луча света, то есть луч, движущийся из B в F будет двигаться со скоростью c-v , а луч, движущийся из F в B со скоростью c+v . Значит время движения из B в F равно , а время движения из F в B равно . То есть полное время движения туда и обратно в направлении плеча BF равно .

Луч, движущийся в неподвижном случае вдоль BD , в подвижном случае движется сложнее. Его траектория, показаная на рисунке проходит через точки B , D" , B" . При этом, если его скорость равна c , то она раскладывается на параллельную скорости движения системы c || и перпендикулярную c ^ . При этом c || =v и выполняется соотношение c 2 || + c 2 ^ =с 2 , откуда находим . Тогда движение из B в D" займет . Время обратного пролета такое же, то есть .

Вычислим разность хода . Для этого вначале разложим t ^ и t || по малому параметру v 2 /c 2 .

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Опыт Майкельсона – Морли. Опыт Физо. Подготовил учитель физики КГУ «Урицкая средняя школа №1» Иванов Ю.Д.

2 слайд

Описание слайда:

Общий вид интерферометра в перспективе. Изображение из доклада А. Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г. Около 1880 года Майкельсон придумал оптический прибор исключительно высокой точности, который назвал интерферометром. Целью первого эксперимента (1881) было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира.

3 слайд

Описание слайда:

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.

4 слайд

Описание слайда:

В 1887 году два американских физика - Альберт Майкельсон и Генри Морли - решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

5 слайд

Описание слайда:

6 слайд

Описание слайда:

7 слайд

Описание слайда:

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. Джеймс Брэдли

8 слайд

Описание слайда:

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.

9 слайд

Описание слайда:

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Арману Иполлиту Луи Физо

10 слайд

Описание слайда:

Схема опыта Физо Луч света от источника разделяется полупрозрачной пластинкой на два луча, один из которых, отражаясь от зеркал, проходит через текущую в трубах воду по направлению её движения, а другой - против её движения. После этого оба луча попадают в интерферометр, где и наблюдается интерференционная картина. Измерения производились сначала при неподвижной воде, а затем - при движущейся, со скоростью 7 м/c. По смещению интерференционных полос определялась разность времён прохождения лучей в движущейся и неподвижной среде, а следовательно, и величина (коэффициент увлечения). В рамках теории относительности нет необходимости в гипотезе частичного увлечения. Фактически свет полностью «увлекается» средой, а результат опыта Физо свидетельствует о неклассическом (релятивистском) сложении скоростей. Таким образом, опыт сыграл важную роль при построении электродинамики движущихся сред и явился одним из экспериментальных обоснований теории относительности Эйнштейна.

Трудно представить себе абсолютную пустоту - полный вакуум, не содержащий чего бы то ни было. Человеческое сознание стремится заполнить его хоть чем-то материальным, и на протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром.

Идея состояла в том, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений Максвелла , предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские - в воде.

В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире.В 1887 году два американских физика - Альберт Майкельсон и Эдвард Морли - решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр - оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей (запаздывании одного луча относительно другого).

Опыт Майкельсона-Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода - в другую.

Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.)

Итак: 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