Опыт Майкельсона-Морли
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?
Смотрю дальше, что еще есть в моих записях из интернета 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.
Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?
Как эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света постоянна.
Вы когда-нибудь задумывались о том, как можно измерить скорость света? Вопрос уходит корнями глубоко в историю: гипотезы в свое время выдвигали Галилей, Гук и Декарт. Но только во второй половине XIX – начале XX веков исследования в области измерения скорости света получили активное развитие: новые методы, множество экспериментов и, наконец, второй постулат специальной теории относительности.
Рассматривая вопрос измерения скорости света, невозможно обойти стороной фигуру Альберта Абрахама Майкельсона. Американский физик, наиболее известный по эксперименту Майкельсона-Морли, внес более значимый вклад в физику, чем многие полагают. Он не был таким известным теоретиком, как Альберт Эйнштейн или Макс Планк, он был великим экспериментатором.
Результаты его экспериментов по точному измерению скорости света оказали влияние на принятый и известный сегодня стандарт, где «с» – скорость света – равна 299792,458 км/с. А если принять во внимание опыт, который опроверг идею существования эфира и привел к появлению теории относительности Эйнштейна, Майкельсона можно по праву назвать очень влиятельным ученым.
Считайте, он был Тихо Браге своего поколения. Браге – датский астроном и алхимик, дотошный экспериментатор и наблюдатель эпохи Возрождения. Без него Иоганн Кеплер, возможно, не был бы так известен, как сегодня. Ведь при формулировке своих законов немецкий ученый использовал именно заметки Браге.
Но вернемся к Майкельсону, которому удалось измерить постоянную скорость распространения света не только в одной системе отсчета, а сразу во всех. А это уже совсем разные вещи.
Метод вращающегося зеркала
Все 5 анимаций, которые вы видите, имеют одну общую черту: каждая из них была записана с использованием той же технологии, которую использовал Майкельсон для измерения скорости света.
gfycat.com
Но метод с зеркалом предложил отнюдь не Майкельсон, а французский физик и механик Леон Фуко, который впервые измерил скорость света с помощью вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду зеркального устройства.
В его эксперименте свет отражался от вращающегося зеркала в неподвижное зеркало с большим радиусом кривизны, которое отражало свет обратно во вращающееся.
docs.google.com
Ниже представлена двухмерная схема аппарата Фуко.
На верхней схеме изображено, как свет проходит через устройство, когда зеркало не вращается (черные линии). Когда зеркало приходит в движение, свет распространяется наружу (красные и зеленые линии). В трехмерном изображении это похоже на яркое кольцо.
Измеряя, как далеко находились края светового кольца M’ от источника света, когда зеркало не вращалось (M), и применяя простые математические формулы, Фуко смог рассчитать скорость света, которая была в пределах 0,6% от современного значения. А ведь это было около 250 лет назад!
Майкельсон усовершенствовал эту технику, увеличив расстояние между вращающимся (R) и отражающим зеркалами (от R до M) с 20 метров до 600. В более точных экспериментах Майкельсона расстояние от R до M составляло 35 километров! На 600 метрах полученное число находилось в пределах 0,05% от принятого сегодня значения. Таким образом, на большем расстоянии итоговые показатели были улучшены в десятки раз.
Используя те же основные элементы современных сверхскоростных камер, которые могут захватывать свет, движущийся через определенную среду, Майкельсон измерил скорость, с которой свет распространяется между двумя точками, которые находятся в состоянии покоя относительно друг друга.
Поскольку для разных испытаний использовались разные источники света, а результаты практически не менялись, Майкельсон показал, что свет всех типов проходит через систему отсчета с постоянной скоростью. Особенно когда источник и детектор находятся в покое относительно друг друга. Следовательно, ученый смог измерить постоянную скорость распространения всех типов света через универсальную систему отсчета.
Эксперимент Майкельсона-Морли
В 1887 году два американских физика решили доказать существование светоносного эфира. Его пытались обнаружить ученые всего мира, поскольку Джеймс Максвелл сумел подробно обосновать эту концепцию в своих работах. Причем Максвелл не разрабатывал конкретные модели эфира и не опирался на его свойства, кроме способности поддерживать перемещения электромагнитных колебаний в пространстве.
Используя приведенное выше уравнение и его экспериментально определенные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, Максвелл рассчитал скорость света в пределах 5% от современного значения. Поскольку ему удалось это сделать, ученый предположил, что свет был волной и для его распространения требовалась среда. Эта среда была названа «эфиром», который и пытались обнаружить Майкельсон и Морли в своем эксперименте.
Предполагалось, что в случае существования эфира время, которое потребовалось бы свету, чтобы пройти через два зеркала-отражателя интерферометра, используемого Майкельсоном и Морли, было бы другим и возвращалось бы «в противофазе». Оно бы также менялось в течение года, потому что Земля, вращаясь по орбите, изменила бы свое положение относительно эфира (как на изображении справа).
gifer.com/
То есть «эфирный ветер» должен был обдувать планету и смещать показатели интерферометра полгода в одну сторону, полгода – в другую. Но через год Майкельсон и Морли не обнаружили никаких интерференционных изменений! Это значило, что свет всегда имел одинаковое время пути при прохождении через два зеркала аппарата и всегда возвращался по фазе в один и тот же момент.
На картинках выше – интерференционные образцы, созданные интерферометром.
Эксперимент подтвердил, что раз нет эфирного ветра, то нет и самого эфира, а значит, свет не является волной в ее классическом понимании.
Так, эксперимент Майкельсона-Морли, который стал подтверждением гипотезы о том, что свет с постоянной скоростью проходит через все системы отсчета, привел к появлению теории относительности. И несмотря на то, что Эйнштейн утверждал, что, разрабатывая теорию, не учитывал результаты экспериментальных исследований, нельзя отрицать, что опыт американских ученых не способствовал более быстрому принятию радикальной теории научным сообществом.
Выводы
Насчет значимости вклада Альберта Майкельсона в современную физику не должно быть никаких сомнений. Во-первых, он точно измерил скорость света с помощью своих экспериментов, усовершенствовав метод Фуко; во-вторых, разработал интерферометр, который использовался для тестов эфира и предоставил доказательства для второго постулата Эйнштейна.
Несмотря на распространенные убеждения, эксперимент Майкельсона-Морли не был направлен на измерение скорости света. Благодаря использованию светоделителя опыт позволил американским физикам устроить «гонку» между двумя одинаково быстрыми «машинами». Единственный результат, который имел значение, заключался во времени начала и конца светового пути, а не в том, насколько быстрым он был. Поскольку расщепленные полупрозрачным зеркалом световые лучи возвращались в один и тот же момент, их скорости должны были быть одинаковыми.
И хотя опыт Майкельсона-Морли стал экспериментальным доказательством второго постулата специальной теории относительности, его результаты можно объяснить, рассматривая относительную скорость света. Предполагая, что движущийся источник может создать более высокую скорость распространения света, дополнительная скорость отменяет эффект движения зеркал в устройствах. Предположение об изменении скорости распространения света из-за движения источника также устраняет необходимость сокращать длину, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли.
На картинке выше можно увидеть, что свет проходит через воздух намного быстрее, чем через смолу. Это подтверждает мысль о том, что коэффициент преломления различных веществ влияет на скорость распространения света.