Опыт Майкельсона-Морли принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия).

Альберт Абрахам МАЙКЕЛЬСОН 1852–1931

Американский физик немецкого происхождения, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света. В 1887 году Майкельсон, совместно с Э. У. Морли, провёл эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли. Лауреат Нобелевской премии по физике в 1907 г. «за создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью».

Эдвард Уильямс Морли 1839 1923 ) - американский физик.

Наибольшую известность получили его работы в области интерферометрии, выполненные совместно с Майкельсоном. В химии же высшим достижением Морли было точное сравнение атомных масс элементов с массой атома водорода, за которое ученый был удостоен наград нескольких научных обществ.

СУЩНОСТЬ РАССМОТРАВАЕМОГО ОПЫТА

Сущность опыта Майкельсона-Морли заключается в получение интерференционной картины на экспериментальной установке и выявлении малейшей десинхронизации двух лучей под воздействием «эфирного ветра». В этом случае было бы доказано существование эфира. Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмнораспределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям.

Суть опыта заключается в следующем. Монохроматический луч света, пройдя через собирающую линзу, попадает на полупрозрачное зеркало В, наклоненное под углом 45 градусов, где разделяется на два луча, один из которых движется перпендикулярно направлению предполагаемого движения прибора относительно эфира, другой - параллельно этому движению. На одинаковом расстоянии L от полупрозрачного зеркала B установлены два плоских зеркала - С и D. Лучи света, отражаясь от этих зеркал, снова падают на зеркало B, частично отражаются, частично проникают сквозь него и попадают на экран (или в зрительную трубу) E.

Если интерферометр покоится относительно эфира, то время, затрачиваемое первым и вторым лучами света на свой путь, одинаково, и в детектор попадают два когерентных луча в одинаковой фазе. Следовательно, возникает интерференция, и можно наблюдать центральное светлое пятно на интерференционной картине, характер которой определяется соотношением форм волновых фронтов обоих пучков. Если же интерферометр движется относительно эфира, то время, затрачиваемое лучами на свой путь, оказывается разным. Ожидаемое смещение интерференционной картины должно составлять 0,04 расстояния между интерференционными полосами.

Из основных встретившихся трудностей состояли в приведении прибора во вращение без создания искажений, другая же – его крайняя чувствительность к вибрациям.

Первая из названных трудностей была полностью устранена путем установки прибора на массивный камень, плавающий в ртути; вторая же была преодолена посредством увеличения пути света вследствие повторных отражений до величины, почти в десять раз превосходившей первоначальную.

Каменная плита имела площадь около 1,5 х 1,5 м и толщину 0,3 м. Она покоилась на кольцеобразном деревянном поплавке с внешним диаметром 1,5 м, внутренним диаметром 0,7 м и толщиной 0,25 м. Поплавок располагался на ртути, содержавшейся в чугунном лотке толщиной 1,5 см и таких размеров, что вокруг поплавка в нем оставалось свободное пространство около сантиметра. В каждом углу камня помещалось по четыре зеркала. Вблизи центра камня находилась плоскопараллельная стеклянная пластинка.

Наблюдения проводились следующим образом. Вокруг чугунного лотка имелось шестнадцать эквидистантных отметок. Прибор приводился в очень медленное вращение (один оборот за шесть минут), и через несколько минут в момент прохождения одной из отметок пересечение нитей микрометра наводилось на самую яркую интерференционную полосу. Вращение происходило столь медленно, что это можно было сделать легко и точно. Отмечалось показание головки винта микрометра и делался очень легкий и плавный толчок для поддержания движения камня. При прохождении следующей отметки процедура повторялась, и все это продолжалось до тех пор, пока прибор не завершал шесть оборотов.

При полуденных наблюдениях вращение производилось против часовой стрелки, при вечерних – по часовой стрелке. Результаты наблюдений представлены графически на рис. 5. Кривая 1 соответствует полуденным наблюдениям, кривая 2 – вечерним. Пунктирные линии показывают одну восьмую теоретического смещения. Из рисунка возможно сделать вывод о том, что если и существует какое-либо смещение благодаря относительному движению Земли и светоносного эфира, оно не может быть значительно больше, чем 0,01 расстояния между полосами, что не соответствует начальным предположениям.

СУЩЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! В итоге: 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. Опыт Майкельсона-Морли стал фундаментальным подтверждением специальной теории относительности. Выводы Майкельсона и Морли остались незыблемыми и после множества повторений опыта, проведенных с конца XIX в. до наших дней.

В 1881 г. Майкельсон осуществил знаменитый опыт, с помощью которого он рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер). В 1887 г. Майкельсон повторил свой опыт совместно с Морли на более совершенном приборе. Установка Майкельсона - Морли изображена на рис. 150.1. Кирпичное основание поддерживало кольцевой чугунный желоб с ртутью. На ртути плавал деревянный поплавок, имеющий форму нижней половины разрезанного вдоль бублика. На этот поплавок устанавливалась массивная квадратная каменная плита. Такое устройство позволяло плавно поворачивать плиту вокруг вертикальной оси прибора. На плите монтировался интерферометр Майкельсона (см. рис. 123.1), видоизмененный так, что оба луча, прежде чем вернуться к полупрозрачной пластинке, несколько раз проходили туда и обратно путь, совпадающий с диагональю плиты. Схема хода лучей показана на рис. 150.2. Обозначения на этом рисунке соответствуют обозначениям на рис. 123.1.

В основе опыта лежали следующие соображения. Предположим, что плечо интерферометра (рис. 150.3) совпадает с направлением движения Земли относительно эфира. Тогда время, необходимое лучу чтобы пройти путь до зеркала и обратно, будет отлично от времени, необходимого для прохождения пути лучом 2.

В результате, даже при равенстве длин обоих плеч, лучи 1 и 2 приобретут некоторую разность хода. Если повернуть прибор на 90°, плечи поменяются местами и разность хода изменит знак. Это должно привести к смещению интерференционной картины, величину которого, как показали произведенные Майкельсоном расчеты, вполне можно было бы обнаружить.

Чтобы вычислить ожидаемое смещение интерференционной картины, найдем времена прохождения соответствующих путей лучами 1 и 2. Пусть скорость Земли относительно эфира равна .

Если эфир не увлекается Землей и скорость света относительно эфира равна с (показатель преломления воздуха практически равен единице), то скорость света относительно прибора будет равна с - v для направления и с + v для направления Следовательно, время для луча 2 определяется выражением

(скорость движения Земли по орбите равна 30 км/с, поэтому

Прежде чем приступить к вычислению времени , рассмотрим следующий пример из механики. Пусть катеру, который развивает скорость с относительно воды, требуется пересечь реку, текущую со скоростью v, в направлении, точно перпендикулярном к ее берегам (рис 150.4). Для того чтобы катер перемещался в заданном направлении, его скорость с относительно воды должна быть направлена так, как показано на рисунке. Поэтому скорость катера относительно берегов будет равна Такова же будет (как предполагал Майкельсон) скорость луча 1 относительно прибора.

Следовательно, время для луча 1 равно

Подставив в выражение значения (150.1) и (150.2) для получим разность хода лучей 1 и 2:

При повороте прибора на 90° разность хода изменит знак. Следовательно, число полос, на которое сместится интерференционная картина, составит

Длина плеча I (учитывая многократные отражения) составляла 11 м. Длина волны света в опыте Майкельсона и Морли равнялась 0,59 мкм. Подстановка этих значений в формулу (150.3) дает полосы.

Прибор позволял обнаружить смещение порядка 0,01 полосы. Однако никакого смещения интерференционной картины обнаружено не было. Чтобы исключить возможность того, что в момент измерений плоскость горизонта окажется перпендикулярной к вектору орбитальной скорости Земли, опыт повторялся в различное время суток. Впоследствии опыт производился многократно в различное время года (за год вектор Орбитальной скорости Земли поворачивается в пространстве на 360°) и неизменно давал отрицательные результаты. Обнаружить эфирный ветер не удавалось. Мировой эфир оставался неуловимым.

Было предпринято несколько попыток объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона, не отказываясь от гипотезы о мировом эфире. Однако все эти попытки оказались несостоятельными. Исчерпывающее непротиворечивое объяснение всех опытных фактов, в том числе и результатов опыта Майкельсона, было дано Эйнштейном в 1905 г. Эйнштейн прншел к выводу, что мирового эфира, т. е. особой среды, которая могла бы служить абсолютной системой отсчета, не существует. В соответствии с этим Эйнштейн распространил механический принцип относительности на все без исключения физические явления. Далее Эйнштейн постулировал в соответствии с опытными данными, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Принцип относительности и принцип постоянства скорости света образуют основу созданной Эйнштейном специальной теории относительности (см. главу VIII 1-го тома).

– важен для развития теории относительности опыт, в котором не было обнаружено движения Земли относительно эфира. Эксперимент провели в 1887 Альберт Майкельсон и Эдвард Морли. Альберт Майкельсон был награжден Нобелевской премией по физике за 1907 с формулировкой: «за создание прецизионных инструментов и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования», в котором прямо не упоминается этот эксперимент, но упоминается изобретено для него оборудования.
Схематическое изображение движения Земли в гипотетическом потоке эфира. Со становлением электродинамики в конце XIX века считалось, что электромагнитные волны, а, следовательно, и свет, распространяются в особом невесомом упругой среде, которое называли эфиром. Поскольку Земля движется вокруг Солнца со скоростью свыше 30 км / с, то возникали две возможности: либо она движется относительно эфира, или же она захватывает эфир частично, увлекая за собой. Изначально эксперимент ставил себе задачу проверки этих гипотез.
http://сайт/uploads/posts/2011-02/1297963534_2%28en%29.svg.png Схема движения лучей в интерферометре Майкельсона Современная интерференционная картина в аналогичном эксперименте с использованием красного лазера. Перед исследователями стояла задача изобрести инструмент, который бы был достаточно чувствительным к движению эфира относительно Земли. Этот инструмент теперь называется интерферометром Майкельсона. В интерферометре начальный луч света разделяется на два с помощью полупрозрачного зеркала, а затем эти два луча, преодолев разный путь, сводятся вместе и интерферируют. Изучая интерференционную картину, можно сделать вывод о разнице оптических путей между двумя лучами.
Если Земля движется относительно эфира, то луч, перпендикулярный к движению Земли и луч, параллельный к движению Земли должны были бы по разному вичуваты движение эфира, а, следовательно, проходить различное оптический путь. Таким образом, при вращении интерферометра интерференционная картина должна была бы меняться.
В 1881 Майкельсон в Германии провел такой эксперимент и получил меньшую, чем ожидалось, изменение интерференционной картины, но тогда его прибор имел еще слишком большую погрешность, чтобы можно было что-то утверждать.
Точный интерферометр Майкельсон сконструировал в США, в университете Вестерн-Резерв вместе с Морли. Длина плеча интерферометра составляла 11 м. Устройство поместили в закрытое помещение в подвале каменного здания, в землю уменьшая возможный температурное воздействие и вибрации. Для того, чтобы уменьшить вибрации еще больше, интерферометр смонтировали на огромном блоке мрамора, который поместили в бассейн, заполненный ртутью. По расчетам они должны были бы увидеть эффект движения Земли относительно эфира.
При полном вращении мраморной глыбы с интерферометром интерференционная картина должна была изменяться периодически с двумя пиками и двумя провалами на один скотный двор. Кроме того, поскольку Земля вращается вокруг своей оси фаза этих периодических изменений должна была меняться в зависимости от дня или ночи.
Есперимент не обнаружил ожидаемого изменения интерференционной картины. Смещения, которое ожидалось при предположении, что эфир совсем не увлекается Землей должно быть по расчетам 0,4. Эксперимен показал, что оно не превышает 0,01. Поскольку это смещение пропорционально квадрату скорости, то Майкельсон и Морли в своей статье в American Journal of Science сделали вывод, что скорость Земли относительно эфира может составлять 1 / 6, и безусловно меньше 1 / 4 скорости Земли видноcно Солнца. Поскольку измеренное значеня смещение картины лежало в пределах экспериментальной погрешности, может быть, что скорость Земли относительно эфира вообще нулевая.
Такой вывод согласовывался с гипотезой Стокса, что эфир увлекается Землей. Однако, Хендрик Лоренц показал в 1886, что гипотеза Стокса противоречивых. Таким образом, результат эксперимента не нашел удовлетворительного объяснения. Решение проблемы пришло только после создания Альбертом Эйнштейном теории относительности.

), наподобие упругих волн в газе или жидкости. Если источник и приёмник света, находящиеся на фиксированном расстоянии друг от друга, движутся со скоростью v сквозь эту субстанцию, то время распространения света от источника до приёмника будет зависеть от взаимного расположения вектора скорости и вектора, соединяющего источник и приёмник. Относительная разность времени Δt /t при распространении света параллельно и перпендикулярно потоку эфира по порядку величины близка к (v /c ) 2 , если скорость эфира много меньше скорости света. В эксперименте Майкельсона использовалось орбитальное движение Земли сквозь гипотетический эфир (предположительно неподвижный относительно Солнца), причём измерялась разность времени прохождения света одновременно через два перпендикулярных плеча интерферометра; при повороте прибора в потоке эфира время прохождения света через плечи интерферометра должно было бы измениться, что привело бы к изменению разности фаз электромагнитной волны в параллельном и перпендикулярном плече и к изменению наблюдаемой интерференционной картины , возникающей при сложении двух этих пучков света.

Рассмотрим упрощённый вариант, когда одно из плеч (1) расположено по движению эфира через прибор, другое плечо перпендикулярно ему.

Вычисляем общее время t 1 {\displaystyle t_{1}} прохождения света через плечо 1, используя сумму времён прямого и обратного движения и обозначив длину плеча L 0 {\displaystyle L_{0}} :

t 1 = L 0 c + v + L 0 c − v = {\displaystyle t_{1}={\frac {L_{0}}{c+v}}+{\frac {L_{0}}{c-v}}=} 2 c L 0 c 2 − v 2 = 2 L 0 c 1 1 − v 2 c 2 ≈ 2 L 0 c (1 + v 2 c 2) . {\displaystyle {\frac {2cL_{0}}{c^{2}-v^{2}}}={\frac {2L_{0}}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\approx {\frac {2L_{0}}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right).}

Приближение связано с тем, что v 2 / c 2 ≪ 1 {\displaystyle v^{2}/c^{2}\ll 1} (порядка 10 − 8 {\displaystyle 10^{-8}} , когда берётся скорость эфира v {\displaystyle v} ≈ 30 км/с ≈ 10 −4 c , равная по модулю и противоположная по направлению скорости орбитального движения Земли).

v 1 = | v 1 | = v 2 + c 2 = c 1 + v 2 c 2 {\displaystyle v_{1}=|\mathbf {v_{1}} |={\sqrt {v^{2}+c^{2}}}=c{\sqrt {1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}} .

Мы можем теперь вычислить:

t 2 = 2 L 1 c 1 1 + v 2 c 2 ≈ 2 L 1 c (1 − v 2 2 c 2) {\displaystyle t_{2}={\frac {2L_{1}}{c}}{\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\approx {\frac {2L_{1}}{c}}\left(1-{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}\right)} .

L 1 {\displaystyle L_{1}} - это гипотенуза, по ней сигнал идёт с увеличенной скоростью, при этом прохождение катета со скоростью c {\displaystyle c} даст то же время, что и прохождение гипотенузы с этой увеличенной скоростью. Поэтому достаточно рассмотреть время в виде

t 2 = 2 L 0 c {\displaystyle t_{2}={\frac {2L_{0}}{c}}}

Разность фаз пропорциональна:

δ = c (t 2 − t 1) = 2 (L 0 − L 0 1 − v 2 c 2) {\displaystyle \delta =c(t_{2}-t_{1})=2\left({L_{0}-{\frac {L_{0}}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)}

S = | δ + δ ′ | {\displaystyle S=|\delta +\delta ^{"}|} , где δ ′ {\displaystyle \delta ^{"}} пропорциональна разности фаз при повороте на π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} :

S = 2 L 0 | 1 − 1 1 − v 2 c 2 | ≈ 2 L 0 v 2 c 2 . {\displaystyle S=2L_{0}\left|1-{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\right|\approx 2L_{0}{\frac {v^{2}}{c^{2}}}.}

Было показано, что теория эфира подразумевает разность фаз в параллельном и перпендикулярном плече, поддающуюся количественной оценке и обнаруживаемую соответствующими экспериментальными средствами (интерферометр Майкельсона - Морли).

История [ | ]

Предыстория [ | ]

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.

Экспериментальная установка Майкельсона - Морли, на которой выполнялись измерения 1887 года . Аппарат размещён на массивной каменной плите размерами 1,5×1,5×0,3 м , плавающей в ртути, чтобы устранить изменение длины плеч интерферометра при повороте аппарата

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

Опыты Миллера [ | ]

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. [ ]

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 .

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 .

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 .

Опыты Кеннеди [ | ]

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, то есть 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 .

Опыты Майкельсона и Гэля [ | ]

Схема опыта Майкельсона - Гэля

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 .

Современные варианты [ | ]

В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров , показавший независимость 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 вместо интерферометров используют оптические и криогенные [прояснить ] микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света Δc /c , если бы оно составляло ~10 −18 . Кроме того, современные варианты эксперимента Майкельсона чувствительны к гипотетическим нарушениям лоренц-инвариантности не только в уравнениях Максвелла (для электромагнитных волн, как в классическом эксперименте), но и в

Во второй половине XIX века физические воззрения на характер распространения света, действие гравитации и некоторые другие феномены все более явственно стали наталкиваться на трудности. Связаны они были с господствовавшей в науке эфирной концепцией. Идея проведения опыта, который разрешил бы накопившиеся противоречия, что называется, носилась в воздухе.

В 1880-х годах была поставлена серия экспериментов, весьма сложных и тонких по тем временам, - опыты Майкельсона по исследованию зависимости скорости света от направления движения наблюдателя. Прежде чем более подробно остановиться на описании и результатах этих знаменитых опытов, необходимо вспомнить, что представляла собой концепция эфира и как понималась физика света.

Взгляды XIX столетия на природу света

В начале века восторжествовала волновая теория света, получившая блестящие экспериментальные подтверждения в работах Юнга и Френеля, а позднее - и теоретическое обоснование в труде Максвелла. Свет совершенно бесспорно проявлял волновые свойства, и корпускулярная теория оказалась похоронена под грудой фактов, которые не могла объяснить (возродится она только в начале XX века на совершенно новой основе).

Однако физика той эпохи не могла представить себе распространение волны иначе, чем через механические колебания какой-либо среды. Если свет - волна, и он способен распространяться в вакууме, то ученым не оставалось ничего иного, как предположить, что вакуум заполнен некой субстанцией, благодаря своим колебаниям проводящей световые волны.

Светоносный эфир

Загадочная субстанция, невесомая, невидимая, не регистрируемая никакими приборами, именовалась эфиром. Опыт Майкельсона как раз и призван был подтвердить факт ее взаимодействия с другими физическими объектами.

Гипотезы о существовании эфирной материи высказывали еще Декарт и Гюйгенс в XVII столетии, но она стала необходима как воздух именно в XIX веке, и тогда же привела к неразрешимым парадоксам. Дело в том, что для того, чтобы, вообще, существовать, эфир должен был обладать взаимоисключающими либо, вообще, физически нереальными качествами.

Противоречия эфирной концепции

Чтобы соответствовать картине наблюдаемого мира, светоносный эфир должен быть абсолютно неподвижным - иначе эта картина постоянно искажалась бы. Но неподвижность его входила в непримиримый конфликт с уравнениями Максвелла и принципом относительности Галилея. Ради их сохранения приходилось признавать, что эфир увлекается движущимися телами.

Помимо того, эфирная материя мыслилась абсолютно твердой, непрерывной и одновременно никоим образом не препятствующей движению тел сквозь нее, несжимаемой и притом обладающей поперечной упругостью, иначе она не проводила бы электромагнитные волны. Кроме того, эфир мыслился как всепроникающая субстанция, что, опять-таки, плохо вяжется с идеей о его увлечении.

Идея и первая постановка опыта Майкельсона

Американский физик Альберт Майкельсон заинтересовался проблемой эфира после того, как прочел в журнале Nature письмо Максвелла, опубликованное после смерти последнего в 1879 году, с описанием неудачной попытки обнаружить движение Земли по отношению к эфиру.

В 1881 году состоялся первый опыт Майкельсона по определению скорости света, распространяющегося в различных направлениях относительно эфира, движущимся вместе с Землей наблюдателем.

Земля, перемещаясь по орбите, должна подвергаться действию так называемого эфирного ветра - явления, аналогичного потоку воздуха, набегающего на движущееся тело. Монохроматический световой луч, направленный параллельно этому «ветру», навстречу ему будет двигаться, несколько теряя в скорости, а обратно (отразившись от зеркала) - наоборот. Изменение скорости в том и в другом случае одинаково, но достигается оно за разное время: замедленный «встречный» луч будет дольше находиться в пути. Таким образом, световой сигнал, испущенный параллельно «эфирному ветру», обязательно задержится относительно сигнала, преодолевающего то же расстояние, также с отражением от зеркала, но в перпендикулярном направлении.

Для регистрации этой задержки использовался изобретенный самим Майкельсоном прибор - интерферометр, работа которого основана на явлении наложения когерентных световых волн. При запаздывании одной из волн интерференционная картина смещалась бы из-за возникающей разности фаз.

Первый опыт Майкельсона с зеркалами и интерферометром не дал однозначного результата вследствие недостаточной чувствительности прибора и недоучета многочисленных помех (вибраций) и вызвал критику. Требовалось существенное повышение точности.

Повторный опыт

В 1887 году ученый повторил эксперимент совместно со своим соотечественником Эдвардом Морли. Они использовали усовершенствованную установку и особенно позаботились об исключении влияния побочных факторов.

Суть опыта не изменилась. Световой пучок, собранный при помощи линзы, падал на полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45°. Здесь он делился: один луч проникал сквозь делитель, второй уходил в перпендикулярном направлении. Каждый из лучей затем отражался обычным плоским зеркалом, возвращался на светоделитель, после чего частично попадал на интерферометр. Экспериментаторы были уверены в существовании «эфирного ветра» и рассчитывали получить вполне измеряемый сдвиг более чем на треть интерференционной полосы.

Нельзя было пренебрегать движением Солнечной системы в пространстве, поэтому идея опыта предусматривала возможность поворачивать установку с целью точной настройки на направление «эфирного ветра».

Чтобы избежать вибрационных помех и искажений картины при поворотах прибора, вся конструкция была размещена на массивной каменной плите с деревянным тороидальным поплавком, плавающей в чистой ртути. Фундамент под установкой был заглублен до скальной породы.

Результаты опытов

Ученые проводили тщательные наблюдения в течение года, вращая плиту с прибором по часовой стрелке и против. фиксировалась по 16 направлениям. И, несмотря на беспрецедентную для своей эпохи точность, опыт Майкельсона, проведенный в сотрудничестве с Морли, дал отрицательный результат.

Синфазные световые волны, уходящие со светоделителя, достигали финиша без сдвига фаз. Это повторялось всякий раз, при любом положении интерферометра и означало, что скорость света в опыте Майкельсона ни при каких обстоятельствах не менялась.

Проверка результатов эксперимента проводилась неоднократно, в том числе и в XX веке с применением лазерных интерферометров и микроволновых резонаторов, достигающих точности в одну десятимиллиардную скорости света. Итог опыта остается незыблемым: эта величина неизменна.

Значение эксперимента

Из опытов Майкельсона и Морли следует, что «эфирный ветер», а, следовательно, и сама эта неуловимая материя просто не существует. Если какой-либо физический объект принципиально не обнаруживается ни в каких процессах, это равнозначно его отсутствию. Физики, включая и самих авторов блестяще поставленного эксперимента, далеко не сразу осознали крушение концепции эфира, а вместе с ним - и абсолютной системы отсчета.

Непротиворечивое и при этом революционно новое объяснение результатов опыта удалось представить только Альберту Эйнштейну в 1905 году. Рассмотрев эти результаты как есть, без попыток притянуть к ним умозрительный эфир, Эйнштейн получил два вывода:

1. Никаким оптическим экспериментом нельзя обнаружить прямолинейное и равномерное движение Земли (право считать его таковым дает кратковременность акта наблюдения).
2. Относительно любой инерциальной системы отсчета скорость света в вакууме неизменна.

Эти выводы (первый - в сочетании с галилеевским принципом относительности) послужили Эйнштейну основой для формулировки его знаменитых постулатов. Так что опыт Майкельсона - Морли послужил прочной эмпирической базой специальной теории относительности.