Что доказал опыт майкельсона морли. Опыт Майкельсона — Морли

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

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

Пластинка B полупрозрачна. На ней луч разделяется на два когерентных перпендикулярных луча, идущих к зеркалам D и C. В интерферометре встречаются два когерентных луча, прошедших от места разделения различные пути.

Если эти пути пройдены ими за одинаковое время, то в точку встречи они придут в одной фазе и усилят друг друга. Если за разное время, то в точке встречи разность фаз и колебаний изменится. Наблюдая интерференцию, можно сделать вывод о разности фаз пришедших в интерферометр когерентных волн, а отсюда вычислить время запаздывания одной волны относительно другой. Это и было сделано Майкельсоном и Морли. Это был один из самых замечательных экспериментов 19 столетия. Простой по существу, этот опыт привел к революции в науке.

Пусть прибор движется в направлении плеча BC со скоростью v относительно эфира. Скорость света относительно эфира c . Полное время, в течение которого будет пройден путь до зеркала C и обратно, будет равно:

До зеркала D путь BDB /

Здесь v – скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца (~30 км/c). Следовательно, если прибор стоит на Земле, то . Учитывая малость этого члена, выражения можно разложить в ряды:

Получаем:

Разность хода лучей равна:

Теперь повернем прибор на 90° так, чтобы с направлением движения совпало плечо BD, а плечо BC было направлено перпендикулярно. Для разности хода получим:

Полное изменение разности хода лучей во времени при повороте прибора равно:

В опыте прибор медленно вращался, так как истинное движение прибора относительно эфира было неизвестно. Таким образом, при повороте прибора на 360° каждое из плеч два раза совпадает с направлением движения и два раза становится перпендикулярным направлению движения. Если при повороте прибора разность хода лучей меняется, то положение полос интерференции в поле зрения также должно изменяться. Оценим величину смещения.

Относительно смещение полос интерференции равно:

расстояния между полосами, а это можно без труда наблюдать и измерить.

Но на опыте никакого эффекта не было обнаружено. Абсолютную скорость Земли оказалось невозможно обнаружить.

Получалось, что скорость света по всем направлениям одна и та же и никакого эфирного ветра нет. Продольная и поперечная составляющие скорости всегда равны друг другу. С появлением лазеров точность опытов удалось значительно повысить.

Опыты показали, что скорость света не складывается ни со скоростью источника, ни со скоростью приемника.

Постоянство скорости света находится в глубоком противоречии с привычными представлениями опытов и с формулами сложения скоростей на основе преобразований Галилея. При скоростях много меньших скорости света отклонения не наблюдаются, так как они очень малы. Неправильность формулы сложения скоростей проявляется, когда скорости достаточно велики. Впервые отклонения были обнаружены в 1860 году в опытах Физо.

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.

Описывая опыты по определению скорости света, мы как бы забыли о том, что все эти опыты производятся на Земле, несущейся в мировом пространстве с огромной скоростью, превышающей в десятки раз скорость артиллерийского снаряда. Правда, в этих опытах наблюдатель и источник света неподвижны относительно друг друга, но если считать, что Земля движется по отношению к неподвижному эфиру, в котором распространяются световые волны, то следует ожидать влияния этого движения на результаты наблюдений.

Разберем описанные выше методы определения скорости света, считая мировой эфир неподвижным, а Землю движущейся. В обоих методах - и Физо и Фуко - определялось время, необходимое световому лучу для того, чтобы пройти от какой-то точки А до точки В и вернуться обратно в точку А. Мы считали, что это время равно просто где а - длина отрезка с - скорость света.

Теперь мы должны уточнить наше рассуждение. Прежде всего мы определим с как скорость света по отношению к неподвижному эфиру. Затем надо учесть, что в результате движения Земли, согласно законам механики Ньютона, скорость света по отношению к Земле уже не будет равна с. Если направление распространения светового луча совпадает с направлением движения Земли, то эта скорость должна быть равна если свет и Земля движутся в противоположных направлениях, то где скорость Земли по отношению к эфиру. В первом случае свет должен «догонять» Землю, во втором, наоборот, свет и Земля движутся навстречу друг другу.

Рис. 6 изображает случай, когда отрезок параллелен направлению движения Земли; тогда от А к В луч идет с относительной скоростью а в обратном - со скоростью

Значит, от до В он дойдет за время а от В до А - за время полное же время определится следующим образом:

или с точностью до величин четвертого порядка (относительно

Рис. 6. Распространение света в движущейся системе.

Мы видим, что учет движения Земли привел к некоторой поправке, правда небольшой по величине: следовательно,

Рассмотрим теперь другой случай расположения отрезка А В (рис. 6, справа). Пусть отрезок перпендикулярен к направлению движения Земли и в В помещено плоское зеркало. Скорость света по отношению к Земле в этом случае будет равна и в прямом (от А к В) и в обратном направлениях (от В к А).

В этом случае косое направление скорости с по отношению к определяется тем, что за время прохождения светового сигнала из сама точка В смещается вправо (аналогично будет при обратном пути от В к А).

Полное время распространения света определится как

Извлекая приближенно корень квадратный, получаем;

откуда с точностью до величин четвертого порядка

Сопоставляя и мы видим, что

Таким образом, следует ожидать, что измерение разности времен при двух взаимно-перпендикулярных расположениях А В позволит определить скорость движения Земли по отношению к эфиру.

Неприятным в формуле (10) является то, что в нее входит квадрат отношения искомой скорости к скорости света. Тем самым речь идет об установлении «эффектов второго порядка малости».

Делалось много попыток обнаружить эффекты первого порядка, однако все они были неудачны. Часть из них, основанная на исследовании явлений преломления, интерференции, дифракции и др., покоилась на неверных принципиальных основаниях. Лоренц показал, что во всех этих случаях отсутствие эффектов первого порядка вытекает из теории неподвижного эфира с таким же успехом, как и из теории полностью увлекаемого эфира.

Другие попытки, носившие, правда, характер неосуществленных проектов, были основаны на схемах с часами, расположенными на расстоянии друг от друга. В таких схемах определяется время прохождения светом пути от одних часов до других. Зная расстояние между часами, мы можем вычислить скорость света. Так как в этом случае путь светового луча по отношению к Земле не замкнут (луч идет от к В, но не возвращается опять в Л), можно было надеяться на обнаружение эффектов первого порядка, связанных с движением Земли.

Однако очевидно, что для таких опытов нужно иметь совершенно одинаково (синхронно) идущие часы в точках Майкельсон показал, что самые точные методы синхронизации часов, находящихся в разных точках, практически сводятся к посылке электромагнитных сигналов из одной точки в другую, т. е. ко всем теперь хорошо известной «поверке времени» по радио.

Но эти сигналы распространяются опять-таки со скоростью света. Таким образом, путь световой (электромагнитной) волны оказывается замкнутым, и мы опять приходим к эффектам второго порядка, соответствующим формулам (7), (9) и (10). Поэтому Майкельсон взялся за осуществление опыта, позволяющего непосредственно обнаружить эффекты второго порядка. Здесь сразу возникает законный вопрос: нельзя ли было воспользоваться для этих целей схемами опытов по определению скорости света, уже описанными выше? Ведь мы как раз показали, что во всех этих опытах должны были наблюдаться эффекты второго порядка. В принципе действительно это так: если бы Майкельсон при определении скорости света по методу Физо - Фуко проделал измерения для двух положений трубы (в которой распространялся свет), соответствующих рис. 6, он должен

был бы получить разность времен запаздывания, определяемую формулой (10).

Однако обнаружить существование этой разности он практически не смог бы, несмотря на использование больших расстояний. Ведь мы указывали, что Майкельсон определил скорость света с точностью до т. е. примерное точностью до 0,000003 измеряемой величины. Как ни велика эта точность, она недостаточна для обнаружения эффектов второго порядка, соответствующих одной стомиллионной доле измеряемой величины (см. выше).

Майкельсон блестяще обошел это затруднение, использовав волновые свойства света. На рис. 7 изображена схема знаменитого опыта Майкельсона.

Луч света, выходящий из падает на полупрозрачную пластинку расположенную под углом половина света отражается по направлению к , половина проходит сквозь пластинку к помещены зеркала, отражающие световые лучи обратно; лучи, идущие обратно, опять попадают на пластинку причем половина света, отраженного от пройдет сквозь пластинку и попадет в трубу точно так же половина света, отраженного от отразится от пластинки и попадет в трубу (для наглядности мы несколько сместили на рисунке прямые и обратные лучи).

Рис. 7. Схема опыта Майкельсона.

В результате в трубе сойдутся два световых луча, которые от до шли в равных условиях, а затем один из них прошел путь а другой путь от до опять будет общим.

должно было быть примерно равным сек. Чтобы обнаружить такую ничтожную величину, Майкельсону пришлось восполь зоваться волновыми свойствами света. Так как период светового колебания равен для видимых лучей то указанное выше изменение запаздывания соответствует 0,4 периода, т. е. составляет заметную долю периода. Майкельсон, наблюдая интерференцию колебаний первого и второго лучей, мог определить разность фаз этих колебаний с точностью до 0,01 периода (§ 20).

Таким образом, наблюдения интерференции позволяли ему определять долю искомого эффекта, несмотря на сравнительно малое расстояние вместо Однако результат опыта оказался отрицательным. Никакого изменения запаздывания одного луча по отношению к другому при вращении прибора не было обнаружено. Так как ожидаемые эффекты пропорциональны квадрату скорости Земли, отсюда следовало, что скорость Земли по отношению к эфиру во всяком случае меньше т. е. от орбитальной скорости Земли.

Последующие опыты только уточнили этот результат, понизив верхний предел для скорости Земли по отношению к эфиру или, что то же, скорости «эфирного ветра» по отношению к Земле до величины, меньшей орбитальной скорости Земли (Иллингворт, 1927).