Досвід Майкельсона і Морлі
Опубликованно 19.07.2018 04:20
У другій половині XIX століття фізичні погляди на характер поширення світла, дія гравітації і деякі інші феномени все більш виразно почали натрапляти на труднощі. Пов'язані вони були з панувала в науці ефірної концепцією. Ідея проведення досвіду, який дозволив б суперечності, що накопичилися, що називається, носилася в повітрі.
У 1880-х роках була поставлена серія експериментів, досить складних та тонких по тим часам, – досліди Майкельсона по дослідженню залежності швидкості світла від напрямку руху спостерігача. Перш ніж більш детально зупинитися на описі і результати цих знаменитих дослідів, необхідно згадати, що являла собою концепція ефіру і розумілася як фізика світла.
Погляди XIX століття на природу світла
На початку століття восторжествувала хвильова теорія світла, що отримала блискучі експериментальні підтвердження в роботах Юнга та Френеля, а пізніше – і теоретичне обгрунтування в праці Максвелла. Світло абсолютно безперечно виявляв хвильові властивості, і корпускулярна теорія виявилася похована під купою фактів, які не могла пояснити (відродиться вона лише на початку XX століття на абсолютно новій основі).
Однак фізика тієї доби не могла уявити собі поширення хвилі інакше, ніж через механічні коливання будь-якого середовища. Якщо світло – хвиля, і він здатний поширюватися у вакуумі, то вченим не залишалося нічого іншого, як припустити, що вакуум заповнений якоюсь субстанцією, завдяки своїм коливань проводить світлові хвилі. Світлоносний ефір
Загадкова субстанція, невагома, невидима, не реєстрована ніякими приладами, іменувалася ефіром. Досвід Майкельсона як раз і покликаний був підтвердити факт її взаємодії з іншими фізичними об'єктами.
Гіпотези про існування ефірної матерії висловлювали ще Декарт і Гюйгенс у XVII сторіччі, але вона стала необхідна як повітря саме в XIX столітті і тоді ж призвела до нерозв'язних парадоксів. Справа в тому, що для того, щоб взагалі існувати, ефір повинен був володіти взаємовиключними або, взагалі, фізично нереальними якостями. Протиріччя ефірної концепції
Щоб відповідати картині спостережуваного світу, світлоносний ефір повинен бути абсолютно нерухомим – інакше ця картина постійно спотворювалася. Але його нерухомість входила в непримиренний конфлікт з рівняннями Максвелла і принципом відносності Галілея. Заради їх збереження доводилося визнавати, що ефір захоплюється рухомими тілами.
Крім того, ефірна матерія мислилася абсолютно твердою, безперервної і одночасно жодним чином не перешкоджає руху тіл крізь неї, нестисливої і притому володіє поперечної пружністю, інакше вона не проводила б електромагнітні хвилі. Крім того, ефір мислився як всепроникна субстанція, що, знову-таки, погано в'яжеться з ідеєю про його захоплення. Ідея і перша постановка досліду Майкельсона
Американський фізик Альберт Майкельсон зацікавився проблемою ефіру після того, як прочитав у журналі Nature лист Максвелла, опубліковане після смерті останнього в 1879 році, з описом невдалої спроби виявити рух Землі відносно ефіру.
У 1881 році відбувся перший досвід Майкельсона по визначенню швидкості світла, що поширюється в різних напрямках відносно ефіру, що рухається разом з Землею спостерігачем.
Земля, переміщаючись по орбіті, повинна піддаватися дії так званого ефірного вітру – явища, аналогічного потоку повітря, що набігає на рухоме тіло. Монохроматичний світловий промінь, спрямований паралельно цьому «вітру», назустріч йому буде рухатися, кілька втрачаючи швидкості, а назад (відбившись від дзеркала) – навпаки. Зміна швидкості в тому і в іншому випадку однаково, але досягається воно за різний час: уповільнений «зустрічний» промінь довше перебувати в дорозі. Таким чином, світловий сигнал, іспущенний паралельно «ефірного вітру», обов'язково затримується щодо сигналу, що долає ту ж відстань, також з відбиттям від дзеркала, але в перпендикулярному напрямку.
Для реєстрації цієї затримки використовувався винайдений самим Майкельсоном прилад – інтерферометр, робота якого заснована на явище накладання когерентних світлових хвиль. При запізнюванні однієї з хвиль інтерференційна картина зсувалася б з-за виникаючої різниці фаз.
Перший досвід Майкельсона з дзеркалами і інтерферометром не дав однозначної результату внаслідок недостатньої чутливості приладу і недообліку численних перешкод (вібрацій) і викликав критику. Потрібно істотне підвищення точності. Повторний досвід
У 1887 році вчений повторив експеримент спільно зі своїм співвітчизником Едвардом Морлі. Вони використовували удосконалену установку і особливо подбали про виключення впливу побічних факторів.
Суть досвіду не змінилася. Світловий пучок, зібраний за допомогою лінзи, падав на напівпрозоре дзеркало, встановлене під кутом 45°. Тут він ділився: один промінь проникав крізь дільник, другий ішов у перпендикулярному напрямку. Кожен з променів потім відбивався звичайним плоским дзеркалом, повертався на светоделитель, після чого частково потрапляв на інтерферометр. Експериментатори були впевнені в існуванні «ефірного вітру» і розраховували отримати цілком вимірюється зсув більш ніж на третину інтерференційної смуги.
Не можна було нехтувати рухом Сонячної системи в просторі, тому ідея досліду передбачала можливість повертати установку з метою точної настройки на напрям «ефірного вітру».
Щоб уникнути вібраційних завад і спотворень картини при поворотах приладу, вся конструкція була розміщена на масивної кам'яної плити з дерев'яним тороїдальним поплавцем, плаваючою в чистій ртуті. Фундамент під установкою був заглиблений до скельної породи. Результати дослідів
Вчені проводили ретельні спостереження протягом року, обертаючи плиту з приладом за годинниковою стрілкою і проти. Інтерференційна картина фіксувалася за 16 напрямами. І, незважаючи на безпрецедентну для своєї епохи точність, досвід Майкельсона, проведений у співпраці з Морлі, дав негативний результат.
Синфазні світлові хвилі, що йдуть зі светоделителя, досягали фінішу без зсуву фаз. Це повторювалося щоразу, при будь-якому положенні інтерферометра і означало, що швидкість світла в досліді Майкельсона ні за яких обставин не змінювалася.
Перевірка результатів експерименту проводилася неодноразово, в тому числі і в XX столітті з застосуванням лазерних інтерферометрів і мікрохвильових резонаторів, що досягають точності в одну десятимиллиардную швидкості світла. Підсумок досвіду залишається непорушним: ця величина незмінна.
Значення експерименту
З дослідів Майкельсона і Морлі випливає, що «ефірний вітер», а, отже, і сама ця невловима матерія просто не існує. Якщо який-небудь фізичний об'єкт принципово не виявляється ні в яких процесах, це рівнозначно його відсутності. Фізики, включаючи і самих авторів блискуче поставленого експерименту, далеко не відразу усвідомили крах концепції ефіру, а разом з ним – і абсолютної системи відліку.
Несуперечливе і при цьому революційно нове пояснення результатів досвіду вдалося представити тільки Альберту Ейнштейну в 1905 році. Розглянувши ці результати як є, без спроб притягнути до них умоглядний ефір, Ейнштейн отримав два виведення: Ніяким оптичним експериментом можна виявити прямолінійний і рівномірний рух Землі (право вважати його таким дає короткочасність акта спостереження). Щодо інерціальної системи відліку швидкість світла у вакуумі незмінна.
Ці висновки (перший – у поєднанні з галилеевским принципом відносності) послужили Ейнштейну основою для формулювання його знаменитих постулатів. Так що досвід Майкельсона – Морлі став міцною емпіричною базою спеціальної теорії відносності. Автор: Вінера Андрєєва 11 Липня, 2018
Категория: Студентам