Опыт Майкельсона - Морли. Опыт майкельсона и морли Опыт майкельсона морли и его результат

Бернард Джефф

5. Эксперимент Майкельсона – Морли

Школа прикладной науки Кейса, открывшая двери студентам в 1881 году и впоследствии преобразованная в Технологический институт Кейса, помещалась в принадлежавшем ранее Кейсу доме на Роквилл-стрит, неподалеку от центральной площади Кливленда. Первое, что предстояло сделать Майкельсону по вступлении в свои обязанности, – это оборудовать лабораторию в подсобном строении на территории школы.

По соседству с владением Кейса располагался университет «Уестерн Резерв», переведенный в Кливленд летом 1882 года из Гудзона (штат Огайо). Через дорогу, в сотне метров от лаборатории Майкельсона, находился Адельберт-холл – одно из зданий университета, где работал профессор химии Эдвард У. Морли.

Майкельсон и Морли вскоре познакомились и сблизились на почве общих научных интересов. Они вместе ездили на научные конференции в Балтимору, Монреаль и другие города, и чем лучше узнавали друг друга, тем больше крепла их взаимная симпатия и уважение.

Внешне эти двое ученых казались весьма разными. Морли был на пятнадцать с лишним лет старше Майкельсона и вел свой род от англичан-переселенцев, покинувших Британские острова еще в начале XVII века. Отец его был священник-конгрегационалист, а сам он в 1864 году закончил духовную семинарию в Эндовере (штат Массачусетс) и готовился принять духовный сан Его карьера являет пример того, как увлечение превращается в дело всей жизни. Не получив подходящей духовной кафедры, он занялся химией, которой до этого только занимался любительски. В 1868 году университет «Уестерн Резерв» предложил ему пост профессор, химии и естественной философии. Морли был очень религиозен и время от времени произносил проповеди в окрестных церквах. Более того, он согласился принять пост профессора в «Уестерн Резерв» только при условии, что ему будет разрешено регулярно читать проповеди в часовне университета.

Что касается Майкельсона, то он был очень далек от религии. Отец его был атеистом, и в жизни их семьи религия не занимала никакого места. Таким образом, он не приобщился к древней вере своих праотцев и всю жизнь был неверующим. Воспитание детей в духе религии он доверил жене. Восхищаясь чудесами природы, он тем не менее отказывался приписывать их некоему творцу. Однажды звездной ночью, показывая и называя своим детям созвездия на небе, он сказал: «Названия созвездий вы можете и забыть, но людей, которые не преклоняются перед чудесами природы, я считаю недостойными уважения». Как-то раз он писал: «Что может сравниться по красоте с великолепным соответствием средств природы и ее целей и с тем неизменным правилом закономерности, которое управляет самыми, казалось бы, беспорядочными и сложными из ее проявлений?» Однако идеи бога он не признавал.

Майкельсон был хорош собой, строен и всегда безукоризненно одет. Морли одевался, мягко выражаясь, небрежно и полностью отвечал бы стереотипному представлению о рассеянном профессоре, если бы не живость движений, энергия и разговорчивость. Он носил длинную до плеч шевелюру и огромные рыжие усы, торчавшие чуть ли не до ушей. Он был женат, но бездетен.

Однако у Майкельсона и Морли было много общего. Оба любили музыку. Майкельсон хорошо играл на скрипке, а Морли был превосходный органист. Оба отличались изобретательностью по части точных измерительных приборов и необыкновенной тщательностью в работе. Морли, как и Майкельсон, не упускал ни одной мелочи и, так же как и он, взявшись за исследование какой-либо научной проблемы, не отступал, пока не доводил дело до конца.

До встречи с Майкельсоном Морли, проверяя сообщения о разном процентном содержании кислорода в разных образцах воздуха, предпринял исследование относительного веса кислорода и водорода в составе чистой воды. Это исследование заняло почти двадцать лет. Он провел тысячи опытов, многие за собственный счет. Он проанализировал методом электролиза бесчисленное количество образцов дистиллированной воды и синтезировал воду методом электрической искры, соединяя заданные количества двух элементов. В результате многолетних исследований он определил вес этих элементов до пятого десятичного знака. Литр кислорода весит 1,42900 г, а водорода 0,89873 г, с возможной ошибкой в одну трехсоттысячную. Эти величины были повсеместно приняты за стандартные, как и полученное Морли отношение водорода к кислороду 1,0076 к 16. Эксперименты Морли были классическими и завоевали ему мировое признание.

Влияние движения среды на скорость света

Лорд Кельвин и лорд Рэлей просили Майкельсона проверить влияние движения среды на скорость света. Майкельсон решил в качестве движущейся среды взять воду и своим замыслом поделился с Морли. Тот предложил ему для работы свою лабораторию. Она помещалась в большой подвальной комнате, и условия в ней были идеальными для задуманного Майкельсоном опыта. Морли не был специалистом-физиком, но он был сообразителен, находчив и увлечен проблемой. В 1860 году, еще студентом он одно время работал в области астрономии. Майкельсон рассказал ему о стоящей перед ними задаче и о приборе, который он думает применить. Морли готов был немедленно приступить к работе. Однако в сентябре 1885 года, когда работа над опытом находилась еще в начальной стадии, Майкельсон явился утром в лабораторию в совершенно жалком виде. Он заявил Морли, что страдает от нервного истощения и нуждается в длительном отдыхе. Он сказал, что ему нужно уехать из Кливленда по крайней мере на год. Не согласится ли Морли самостоятельно закончить прибор, провести опыты и опубликовать результаты? Он передал Морли некую сумму, полученную им на проведение опытов, и добавил еще 100 долларов своих. Затем Морли получил от Майкельсона письмо из Нью-Йорка. Они регулярно переписывались по поводу эксперимента. Четыре месяца спустя Майкельсон неожиданно приехал в Кливленд и предложил продолжать работу совместно. Здоровье его значительно улучшилось и он смог довести опыт до конца. В 1886 году в «Америкэн джорнал оф сайанс» за подписями обоих появилась работа «Влияние движения среды на скорость света» . Майкельсон и Морли обнаружили, что движение воды оказывает влияние на скорость света, но не такое, какое можно ожидать из теории эфира. Их опыт подтвердил результаты исследований, проделанных Физо в 1851 году. Сразу два учебных заведения – Университет «Уестерн Резерв» и Институт технологии Стивенса присудили Майкельсону степень доктора философии. Эта была первая ученая степень Майкельсона, поскольку в его время Морская академия еще не имела права присуждать звание бакалавра наук.

Теперь, обладая усовершенствованным прибором и обогатив свой опыт, Майкельсон смог вернуться к эксперименту с эфиром, который он так долго откладывал. В этой работе Морли тоже должен был принимать участие. Они были полны самых радужных надежд, и Морли писал отцу 17 апреля 1887 года: «Мы с Майкельсоном приступили к новому эксперименту, который должен показать, одинакова ли скорость распространения света в любых направлениях. Я не сомневаюсь, что мы получим окончательный ответ». Разумеется, Морли несколько упрощенно определял цель опыта. Майкельсон и Морли собирались предпринять решительную попытку «изловить» неуловимый эфир. В случае положительного результата наука получит не только скорость движения Земли по орбите относительно эфира, но и скорость ее вращения вокруг своей оси, а, может быть, даже метод определения скорости движения в пространстве всей солнечной системы. Это была бы первая попытка при помощи локального оптического явления определить абсолютное движение Земли в пространстве, которое отождествлялось с эфиром.

Прибор Майкельсона – Морли

Сконструированный ими прибор оказался весьма массивным сооружением. Он состоял из каменной плиты площадью примерно 150 кв.см и толщиной около 30 см. На плите было установлено четыре зеркала, сделанные из сплава меди, олова и мышьяка, а также все прочее оборудование, включая горелку Аргана. Чтобы обеспечить строго горизонтальное положение каменной плиты и избежать погрешностей за счет вибрации, трения и натяжений, плита плавала в ртути, очищенной Морли. Ртуть наливалась в кольцеобразный чугунный сосуд с толщиной стенок около 1,5 см; поверх ртути плавала деревянная подставка в форме бублика, а на ней уже устанавливалась каменная плита. Осевой стержень обеспечивал концентричность деревянного поплавка и чугунного сосуда. Промежуток между стенкой сосуда и наружным ободком поплавка составлял меньше 1,5 см (рис. 9).

Рис. 9. Установка Майкельсона – Морли.
Большая и очень тяжелая каменная плита покоилась на деревянном поплавке, помещенном в жидкую ртуть. Сосуд с ртутью имел форму бублика. Плавая в жидкости, каменная плита и деревянная подставка сохраняли строго горизонтальное положение.

Чугунный сосуд покоился на опоре, представлявшей собой низкий пологий кирпичный восьмиугольник, внутрь которого был залит цемент. Фундамент интерферометра уходил глубоко в землю, до коренной породы, так как верхний слой почвы не был достаточно устойчивым. По окружности сосуда, на одинаковом расстоянии одна от другой, было сделано шестнадцать отметок. Деревянный чехол защищал оптическую часть прибора (зеркало на каждом углу плиты) от воздушных потоков и внезапных изменений температуры.

Сопротивление движению тяжелого аппарата было сведено до минимума, и, приложив незначительную силу по его окружности, можно было придать ему медленное, плавное и непрерывное вращение. Один полный оборот совершался примерно за 6 минут. Наблюдатель ходил вокруг аппарата, передвигаясь одновременно с вращающейся каменной плитой, и периодически останавливался, заглядывая в маленькую зрительную трубу, чтобы проверить, не произошло ли смещения интерференционных полос. Такое смещение означало бы изменение скорости света в этом направлении (рис. 10).

Рис. 10. Интерферометр в установке Майкельсона – Морли.
Принцип его действия тот же, что и прибора, показанного на рис. 8.

На регулировку этого уникального прибора ушло несколько месяцев. В конце концов Майкельсон добился, что он регистрировал малейшее смещение интерференционных полос. Морли и Майкельсон поочередно ходили вокруг прибора и глядели в зрительную трубу.

Они предполагали, что в течение года должно быть два дня, когда будет наблюдаться максимальный эффект смещения (если только такой эффект вообще существует). В какой-то один день Земля будет двигаться в направлении, прямо противоположном тому, в котором она двигалась в тот, другой день.

Они проводили наблюдения ежедневно в двенадцать часов дня и в шесть часов вечера в шестнадцати различных направлениях. Напрягая зрение, они вглядывались в интерференционные полосы, пытаясь определить их смещение.

Опыты были закончены в июле 1887 года. Когда все результаты были сведены воедино и проанализированы, все подсчеты сделаны и неоднократно проверены, исследователи оказались перед лицом упрямого факта, разрушавшего всю стройную теорию. Против всякого ожидания, смещения того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было. Это было похоже на смертный приговор представлению о неподвижном эфирном океане. Майкельсон довольно благосклонно относился к теории неподвижного эфира и надеялся, что опыт позволит его обнаружить. Как же иначе могли распространяться электромагнитные колебания, в том числе световые волны? Опять результат тонко задуманного и блестяще выполненного эксперимента привел Майкельсона в полное недоумение.

«Величайший из всех отрицательных результатов»

Майкельсон и Морли послали свое сообщение в «Америкэн джорнал оф сайанс» . Оно было озаглавлено: «Об относительном движении Земли и светоносного эфира». В том же году оно было также напечатано в английском журнале «Филозофикал мэгэзин». Вывод Майкельсона стал известен ученым всего мира. В каком бы направлении ни двигался наблюдатель, уловимой разницы в скорости света не обнаруживалось. Иными словами, приходилось признать невероятное: как бы быстро вы ни бежали за светом, догнать его невозможно. Он по-прежнему будет убегать от вас со скоростью 300 000 км в секунду. Такое заключение противоречило всему человеческому опыту. Самолет, который летит со скоростью 600 км в час при попутном ветре, дующем со скоростью 50 км в час, делает относительно какой-нибудь неподвижной точки 650 км в час. Если же он летит против ветра, его скорость уменьшится до 550 км в час. Поскольку Земля движется вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км в секунду, скорость светового луча, идущего в одном с Землей направлении, должна быть больше скорости луча, идущего в обратном направлении. Однако опыт Майкельсона опровергал это предположение.

Английский физик и философ Джон Д. Бернал назвал открытие Майкельсона и Морли «величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки». Однако Майкельсон не был окончательно обескуражен результатами своего опыта. Хотя существование неподвижного эфира ими исключалось, оставалась еще одна возможность, что «Земля увлекает за собой эфир, придавая ему почти ту же скорость, с какой движется сама, так что скорость движения эфира по отношению к поверхности Земли равна нулю или очень мала».

Через десять лет после опубликования этого исторического сообщения Майкельсон экспериментально проверил «вторую гипотезу, послав два световых луча по периметру вертикально поставленного прямоугольника, стороны которого были равны 15 и 60 м. Результаты не подтвердили этой гипотезы.

Майкельсон не был убежден, что «провал» его опыта окончательно решает вопрос. «Поскольку результат опыта был отрицательным, проблема по-прежнему ждет своего решения», – публично заявил он. А в утешение себе он привел довольно неожиданный довод: «На мой взгляд, эксперимент не прошел впустую, поскольку поиски разрешения этой проблемы привели к изобретению интерферометра. Я думаю, что все признают, что изобретение интерферометра вполне компенсирует отрицательный результат данного опыта».

Много лет спустя, выступая в обсерватории Маунт-Вильсон перед ученой аудиторией, Майкельсон дал совсем другую оценку относительной важности эксперимента с эфиром и изобретения интерферометра. Он признал, что его утверждение о большей ценности инструмента противоречило «некоторым важным теоретическим соображениям», потрясшим научный мир. Как выяснилось за истекшие годы, Майкельсон, сам того не подозревая, заготовил материал, из которого в Европе была построена одна из величайших научных теорий всех времен. Это один из редких случаев, когда первоначальное открытие было сделано в Америке и уже позднее использовано в Европе. Почти всегда получалось наоборот.

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.

Albert Abraham Michelson, 1852–1931

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.

Общий вид интерферометра в перспективе. Изображение из доклада А. Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г.

Движение Земли вокруг Солнца и через эфир.

Схема экспериментальной установки

Иллюстрация экспериментальной установки

О́пыты Ма́йкельсона - класс физических экспериментов, исследующих зависимость скорости распространения света от направления. В настоящее время (2011 год) точность опытов позволяет найти относительные отклонения изотропности скорости света в единицы 10−16, однако на этом уровне отклонения не найдены. Опыты Майкельсона являются эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО).

Теория

Вычисляем общее время t 1 {\displaystyle t_{1}} , используя сумму времен двух путей:

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

Приближение связано с тем, что (v 2 / c 2) 1 {\displaystyle (v^{2}/c^{2})) когда берется скорость v {\displaystyle v} , что и у земли.

Скорость эфира c = ∥ v + v 1 ∥ {\displaystyle c=\|\mathbf {v} +\mathbf {v_{1}} \|} , а v 1 = ∥ v 1 ∥ {\displaystyle v_{1}=\|\mathbf {v_{1}} \|} - скорость волны в направлении зеркала.

C = ∥ v + v 1 ∥ = v 2 + v 1 2 {\displaystyle c=\|\mathbf {v} +\mathbf {v_{1}} \|={\sqrt {v^{2}+v_{1}^{2}}}} ; из этого следует, что: v 1 = c 2 − v 2 = c 1 − v 2 c 2 {\displaystyle v_{1}={\sqrt {c^{2}-v^{2}}}={{c}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}

Принимая во внимание симметрию, мы можем теперь вычислить:

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

Разность фаз пропорциональна:

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

Было показано, что теория эфира подразумевает разность, поддающуюся количественной оценке, и обнаруживаемую соответствующими средствами (интерферометр Майкельсона - Морли).

История

Предыстория

Основная статья: Эфир (физика)

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.

В 1864 году Джеймс Максвелл поставил опыт с целью определить скорость Земли относительно эфира, однако позднее нашёл ошибку в своих выкладках и не стал публиковать результаты. Незадолго до смерти, в 1879 году, он написал другу письмо на эту тему, оно было посмертно опубликовано в журнале «Nature». В 1871-1872 годах Эйри провёл серию точных опытов с астрономическим источником света, сделав из них вывод о том, что орбитальное движение Земли полностью увлекает эфир.

Опыты Майкельсона

Вышеупомянутая публикация письма Максвелла заинтересовала американского физика Альберта Майкельсона. Около 1880 года он придумал оптический прибор исключительно высокой точности, который назвал интерферометром. Целью первого эксперимента (1881) было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Результат первого эксперимента был отрицательным - смещения полос не совпадают по фазе с теоретическими, а колебания этих смещений только немного меньше теоретических. Статья о результатах опыта вызвала критику ведущего физика-теоретика Хендрика Лоренца, который указал, что теоретическая точность опыта была завышена.

Позже, в 1887 году, Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но существенно более точный эксперимент, известный как 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 и несомненно меньше 1/4.

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.[источник не указан 1066 дней ]

К. Миллер с профессором Морли сконструировали интерферометр более чувствительный, чем примененный в первом эксперименте, с длиной оптического пути 65,3 м, эквивалентной примерно 130 млн длин волн. К. Миллер ожидал увидеть смещение в 1,1 полосы.

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

Доктор Рой Кеннеди (Калифорнийский технологический институт) после публикаций результатов опыта Морли-Миллера видоизменяет опыт с целью проверки. 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 насколько возможно рассеяние света на зеркалах. Точность опыта соответствовала смещению полос на 2·10−3 их ширины. На этом аппарате скорость 10 км/с, полученная Миллером, давала бы сдвиг, соответствующий 8·10−3 длины волны зелёного 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 также 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 серьёзная 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.

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.

С. И. Вавилов в статье «Экспериментальные основания теории относительности» объясняет этот эффект так:

Ротационные опыты Саньяка и Майкельсона - Гэля в теории относительности (частной и общей) объясняются почти так же, как возможность обнаружения вращательного движения по проявлениям центробежных сил в механике. Это - естественное следствие теории относительности, не добавляющее ничего нового.

Современные варианты

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 году довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона используют оптические и криогенные[прояснить ] микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10−16.

/ Новая папка_2 / Определение скорости света (2)

ИСТОРИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) – скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой.

Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот излучения: с’() = c/n(). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идет не о монохроматическом свете (для скорости света в вакууме эти величины совпадают. Экспериментально определяя с’, всегда измеряют групповую скорость света.

Впервые скорость света определил в 1676 году О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 году её установил Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости.

В опыте Физо пучок света от источника света S, отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в

промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с.

В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.

Определение скорости света методом вращающегося зеркала (Метод Фуко): S– источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C, всегда попадает обратно на R); M – полупрозрачное зеркало; L– объектив; E – окуляр; RC – точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отраженный пучок в точке S’, а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливается, измеряя смещение SS’.

Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.

Измерение скорости света в 19 веке сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 году сравнение скорости света одной и той же частоты в воздухе и воде показало, что скорость в воде u = c/n() в соответствии с предсказанием волновой теории. Была так же установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда.

В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приемником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектрический умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ – модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения длины базы позволит снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5 0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность.

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности. Относится определение расстояний во времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии и др.

Майкельсон и скорость света

Не так уж часто приходится человеку семидесяти с лишним лет возвращаться к работе, которой он занимался в молодости, чтобы попытаться уточнить результаты и без того весьма точных и надежных исследований, потому что все считают, что никто другой не сможет это сделать лучше его. Такая завидная возможность представилась Майкельсону.

В 1923 году Джордж Эллери Хэл, директор обсерватории Маунт-Вильсон, предложил Майкельсону приехать в Пасадену и провести новое определение скорости света. Майкельсон принял его предложение с восторгом. Он давно уже ждал случая уточнить результаты своего знаменитого измерения 1882 года. Он быстро собрался и выехал в Калифорнию, где организовал свой штаб у подножия горы Маунт-Вильсон.

Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку.)

Сперри также предложил своему другу усовершенствованный прожектор, работающий от сильной дуги, построенный им незадолго до этого для военных целей. Престон Р. Бассет, инженер, возглавлявший работу над прожектором и позднее ставший президентом компании, разработал для этого эксперимента специальный механизм с дуговой лампой и сам отвез его летом 1924 года в Калифорнию. Для участия в проведении опыта из Чикаго приехал Фред Пирсон.

Новое измерение скорости света

Майкельсон, подобно капитану на мостике корабля, с увлечением руководил подготовкой операции, вникая в каждую мелочь. Были приняты все возможные меры предосторожности, чтобы исключить или свести к минимуму погрешности. Ученый мир с интересом наблюдал за приготовлениями. Наконец все было готово, и свет от дуговой лампы был направлен к зеркалу на Сан-Антонио и отразился на вращающуюся призму на горе Маунт-Вильсон (рис. 12). Измерения проводились каждую ясную ночь с десяти часов вечера до полуночи, и каждая серия наблюдений продолжалась несколько недель. Результаты измерений ежедневно поступали в штаб Майкельсона в Пасадене.

Рис. 12. Усовершенствования, внесенные Майкельсоном в свою установку.Принцип остался тот же (основным изменением было увеличение пути светового луча).

Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.

Но Майкельсон все еще не был вполне удовлетворен. Он надеялся, что, если увеличить длину пути светового луча и перенести опыт в другую местность, ему удастся получить еще более точное определение. В своем сообщении об опыте на горе Сан-Антонио он писал: «Успех измерений на расстоянии 22 миль, большинство из которых проводились не в самых благоприятных условиях (туман и дым от лесных пожаров), указывает на целесообразность проведения опыта на значительно большем расстоянии».

Для такого опыта он выбрал гору Сан-Хасинто, расположенную в 130 км от горы Маунт-Вильсон. Он даже провел предварительное испытание. Но свет от дуговой лампы на обратном пути так сильно ослаблялся дымом и туманом, что от этой идеи пришлось отказаться.

Майкельсон вернулся в Чикаго и в ноябре 1928 года поехал в Вашингтон на юбилейную научную конференцию в Национальном бюро стандартов. Она была созвана Оптическим обществом Америки в честь пятидесятилетия со времени опубликования первой работы Майкельсона (1878 год) о скорости света и в знак признания его огромных заслуг в области оптики. Эта конференция неофициально так и называлась – «майкельсоновская конференция», а сам Майкельсон, разумеется, был на ней почетным гостем.

Заключительная попытка

В следующем году у Майкельсона, которому было в то время семьдесят семь лет, произошло серьезное кровоизлияние в мозг. Он ушел в отставку из университета, много рисовал и ходил пешком, стараясь восстановить пошатнувшееся здоровье. Это было нелегко. Однако он не переставал мечтать о возвращении к исследованию скорости света; он надеялся, что, набравшись сил, проведет еще одно определение. Он вернулся к тому, с чего начинал более пятидесяти лет назад. Он лелеял мысль избавиться от помех в виде тумана, дыма и даже самой прозрачной атмосферы. Он хотел поставить опыт так, чтобы луч проходил через пустоту, если это будет возможно, через почти абсолютный вакуум.

И тут Майкельсон опять получил приглашение в Пасадену. «Хэл сказал, что Маунт-Вильсон и Калтеч – в моем распоряжении, – рассказывал он. – Искушение было слишком велико. Я поехал». Ему были предоставлены все необходимые средства и аппаратура. Фонд Рокфеллера выделил на проведение опыта 30 000 долларов, корпорация Карнеги – 27 500 долларов, а Чикагский университет – 10 000 долларов.

Местом для грандиозного опыта выбрали ранчо Ирвина неподалеку от города Санта Ана в Южной Калифорнии. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов опять было поручено измерение расстояния. Из листов рифленой стали были скатаны гигантские трубы. Состояли они из 18-метровых секций диаметром около метра, склепанных воедино. Получилась труба длиной более 1,5 км. Она обошлась в 50 тысяч долларов. В нее можно было проникнуть через четыре люка – два на концах и два в основной секции трубы. «Сперри джироскоп компани» опять изготовила вращающиеся стальные зеркала – с 8, 16 и 32 гранями. Кроме того, было изготовлено 32-гранное зеркало из первоклассного оптического стекла.

Трубу запаяли и специальными насосами несколько дней и ночей подряд откачивали из нее воздух, пока давление в трубе не опустилось до 0,5 мм рт. ст. (нормальное давление равно 760 мм рт. ст.). Источником света служила дуговая лампа. Многократно отражаясь, свет должен был пройти путь примерно 16 км. Впервые в истории измерение скорости света производилось почти в абсолютном вакууме.

Между тем здоровье Майкельсона оставляло желать лучшего. Он так и не смог оправиться настолько, чтобы собственноручно проводить измерения. Ими занимались Фрэнсис Г. Пиз и Фред Пирсон; они же и сводили воедино результаты. В течение 1930 года и начала 1931 года были проведены сотни наблюдений. Майкельсон руководил работами, лежа в постели. Один он никогда не справился бы с то и дело возникавшими проблемами, требующими немедленного разрешения. Каждый раз, когда что-то портилось в аппаратуре, приходилось пускать в трубу воздух, чтобы можно было туда проникнуть и исправить повреждение. А потом нужно было ждать сорок восемь часов, пока насосы снова откачают воздух. Тепловые волны искажали световое изображение, поэтому большую часть работы приходилось делать ночью, когда становилось прохладно.

В начале 1931 года, когда работа была еще далека от завершения, а Майкельсон как будто оправлялся от последствий болезни, в Пасадене проходила научная конференция, на которой присутствовал Эйнштейн и многие крупные ученые из разных стран. 15 января должен был состояться банкет в честь доктора Эйнштейна и его супруги. Майкельсон, конечно, тоже был приглашен. Чувствовал он себя тогда достаточно хорошо и был очень рад возможности присутствовать на этом торжественном собрании, которое состоялось в только что построенном великолепном здании Афиниума.

Эйнштейн произнес небольшую речь. Поблизости от него сидели крупнейшие ученые – Майкельсон, Милликен, Хэл и другие. «Я рад оказаться в обществе тех, – начал Эйнштейн, – которые в течение многих лет были мне верными товарищами в работе». Затем, повернувшись к Майкельсону, он продолжал: «Вы, уважаемый доктор Майкельсон, начали свои исследования, когда я был еще мальчишкой. Вы открыли физикам новые пути и своими замечательными экспериментами проложили дорогу для теории относительности. Вы вскрыли ошибочность эфирной теории света и стимулировали идеи Лоренца и Фитцджеральда, из которых развилась специальная теория относительности. Без вашей работы эта теория была бы и поныне лишь интересным предположением; она получила первое реальное подтверждение в ваших опытах».

Майкельсон был глубоко взволнован. Это была самая высокая похвала. Он встал, чтобы поблагодарить за столь щедрую оценку его заслуг. Майкельсон редко произносил речи, а когда ему случалось выступать, всегда говорил кратко и по существу. И на этот раз он не изменил себе. Он поблагодарил Эйнштейна от своего имени и от имени своего покойного сотрудника Эдуарда Морли, умершего восемь лет тому назад. Майкельсон никогда не забывал отдать должное своим сотрудникам и помощникам.

Это было последним публичным выступлением Майкельсона. Он попытался вернуться к работе, но 1 марта не смог встать с постели. Начался постепенный паралич, и он стал быстро слабеть. Между тем из Санта Ана поступали все новые данные. Собрав последние силы, Майкельсон медленно, но четко продиктовал Пизу вступление к статье, которая должна была подвести окончательный итог опытам. Эту статью следовало послать для опубликования в «Астрофизикал джорнал».

Состояние Майкельсона продолжало ухудшаться, но он отказывался признать, что серьезно болен. «Мое здоровье налаживается» – оптимистически писал он за сорок восемь часов до того, как впал в бессознательное состояние. Возле него находились жена, одна из дочерей и две сиделки. К ним присоединились Пиз и Пирсон. В двенадцать часов пятьдесят пять минут 9 мая 1931 года Майкельсон тихо скончался, не приходя в себя.

Пастор местной юнионистско-либеральной церкви отслужил у него в доме очень скромную и короткую службу. По просьбе вдовы Майкельсона сообщение о его смерти появилось в печати лишь после похорон. На похоронах присутствовали жена Майкельсона, Эдна, их три дочери – Мадлен, Дороти и Беатрис – и еще несколько родственников и ближайших друзей. Милликен, Хэл и Хэббл вынесли гроб к катафалку. Тело, согласно желанию Майкельсона, было кремировано, и прах развеян по ветру.

Ученые всего мира отмечали его заслуги перед наукой. Эйнштейн узнал о смерти Майкельсона в Англии, где он читал курс лекций в Оксфорде. «Доктор Майкельсон был одним из величайших художников в мире научного эксперимента» – сказал он.

Трое ближайших сотрудников Майкельсона по Чикагскому университету, – Форест Р. Моултон, Генри Дж. Гейл и Гарвей Б. Лемон, знавшие его в течение четверти века, писали в некрологе:

«Его жизнь была великолепным примером целеустремленности, неподвластной превратностям судьбы. Казалось, даже, силы любви, ненависти, ревности, зависти, тщеславия почти не задевали его. Поглощенный научными исследованиями, он в общем довольно безразлично относился к людям в целом, но тем не менее у него были преданные друзья, дружбу которых он бережно хранил... Основным содержанием и целью его жизни были научные занятия, эстетическое наслаждение, получаемое от работы... Ему была чужда спешка, суета. Его не бросало в жар при мысли, что для науки или всего человечества наступил решительный момент. Он не трепетал, стоя на пороге великого открытия...

Он был мягок и спокоен и лишен всякой аффектации, как море в солнечный день – безмятежное, необозримое, неизмеримое... Такой характер можно чувствовать, но нельзя анализировать. Майкельсон никому не открывал своей души, но все понимали, что в глубине ее таится многое, недоступное взорам. Очень мало людей знали его близко».

После смерти Майкельсона работы по измерению скорости света в вакуумной трубе длиной более 1,5 км продолжались еще почти два года. В 1933 году во время землетрясения в Лонг Бич установка оказалась разрушенной, но к этому времени все наблюдения были уже закончены. Всего было сделано 2885 определений. Средняя скорость света в вакууме оказалась равной 299 774 км в секунду. Эта цифра была на 24 км меньше цифры, найденной во время опытов на вершинах двух гор. Международный геофизический и геодезический союз и Международный научный союз по вопросам радио приняли значение скорости света, равное 299 792,5 км в секунду*. Эта цифра лежит в пределах экспериментальной ошибки определения Майкельсона.

Заглавие статьи, содержавшей сообщение о последнем опыте Майкельсона, перекликалось с заглавием его первой работы, опубликованной более чем за полвека до этого, когда он еще был лейтенантом Майкельсоном. Она называлась «О методе измерения скорости света». Последняя работа, озаглавленная «Измерение скорости света в частичном вакууме» , явилась завершением великого вклада Майкельсона в науку.

Продолжение поисков

В научных исследованиях не бывает последнего слова или окончательного решения. Если бы Майкельсон пришел сегодня в крупнейшие научные лаборатории мира, он обнаружил бы, что исследователи все еще бьются над теми же проблемами, которые пытались разрешить он и другие ученые его времени. Казавшиеся твердо установившимися научные идеи непрестанно ниспровергаются, заменяются, расширяются или дополняются. Так произошло с законами Ньютона, видоизмененными Эйнштейном. А как обстоит дело со скоростью света – этой постоянной, которую Майкельсон, казалось бы, изловил раз и навсегда? Относительно нее тоже существуют сомнения. Ученые снова и снова подступались к ней с новыми приборами и новыми методами. В 1939 году две группы исследователей – одна в Гарвардском университете, а другая в Германии, – использовав так называемый электронный световой затвор (ячейка Керра), получили несколько различные результаты: 299 798 км/сек в США и 299 799 км/сек в Германии. Два года спустя ученые национального бюро стандартов получили цифру 299 795 км/сек. В 1951 году капитан Береговой и геодезической службы США Карл И. Аслаксон при испытании радарной системы получил величину, равную 299 805 км/сек. Три года спустя группа английских ученых повторила его результат.

Было высказано предположение, что скорость света все же не является постоянной величиной. Некоторые ученые утверждают, что она изменилась, указывая на разницу в результатах измерений, проделанных до второй мировой войны и после нее с промежутком в десять лет. Она составляет приблизительно 16 км в секунду. Профессор Техасского технологического колледжа Дж.Х. Раш считает, что «к этому нельзя относиться с излишней легкостью и объяснять неизбежными техническими погрешностями». Раш считает, что «Новые измерения могут привести к новому открытию». И поиски продолжаются*.

А как обстоит дело с вопросом об эфире? В 1899 году Майкельсон коснулся этой проблемы в своих лоуэлловских лекциях. «Предположим, – сказал он, – что сжатие эфира соответствует электрическому заряду, смещение эфира – электрическому току, эфирные вихри – атомам; если мы продолжим эти предположения, то придем к выводу, который может явиться одним из величайших обобщений современной науки, – что все явления физической Вселенной суть лишь различные выражения многообразных видов движения одного всепроникающего вещества – эфира. Мне представляется, что недалек тот день, когда линии многих, казалось бы, отдаленных областей мысли, наконец, сойдутся на одной общей плоскости. Тогда и природа атома, и характер химической связи атомов, и взаимодействие между ними, и непрерывный эфир, заявляющий о себе через свет и электричество, и структура молекулы, и объяснение сцепления, упругости и притяжения – все это найдет свое место в единой и последовательной системе научного знания».

С тех пор прошло более шестидесяти лет, но пророчество Майкельсона все еще не осуществилось. Свет и другие виды электромагнитного излучения по-прежнему не нуждаются в какой-либо проводящей среде. Идея эфира окончательно отвергнута в значительной степени благодаря гению Майкельсона.

МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ это:

МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ
поставлен амер. физиком А. А. Майкельсоном (A. A. Michelson) в 1881 с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. В физике кон. 19 в. предполагалось, что свет распространяется в нек-рой универсальной мировой среде - эфире. При этом ряд явлений (аберрация света, Физо опыт) приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления её движения в эфире. М. о. проводился с помощью интерферометра Майкельсона с равными плечами, одним - по движению Земли, другим - перпендикулярно к нему. Если эфир неподвижен, то при повороте прибора на 90° разность хода лучей должна менять знак и интерференц. картина - смещаться. Однако смешение интерференц. картины не было обнаружено, т. е. М. о. дал отрицательный результат. В 1885-87 опыты Майкельсона и амер. физика Э. У. Морли с большой точностью подтвердили. результат первонач. М. о. В 1964 амер. физики в модифицир. форме повторили М. о., использовав в качестве источников света два одинаковых гелий-неоновых лазера, обладающих очень высокой степенью монохроматичности и пространств. когерентности, и с ещё большей точностью получили отрицат. результат. В классич. физике отрицат. результат М. о. не мог быть понят и согласован с др. явлениями электродинамики движущихся сред. В теории относительности постоянство скорости света для всех инерциальных систем отсчёта принимается как постулат, подтверждаемый большой совокупностью экспериментов.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ

Опыт, поставленный впервые А. Майкельсоиом (A. Michelson) в 1881 с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. Отрицат. результат был одним из осн. эксперим. фактов, к-рые легли в основу относительности теории.

В физике кон. 19 в. предполагалось, что свет распространяется в нек-рой универсальной мировой среде - эфире. При этом ряд явлений (аберрация света, Физо опыт )приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать "эфирный ветер" при движении Земли сквозь эфир и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления её движения в эфире.

M. о. проводился с помощью интерферометра Майкельсона с равными плечами; одно плечо направлялось по движению Земли, другое - перпендикулярно к нему. При повороте всего прибора на 90° разность хода лучей должна менять знак, вследствие чего должна смещаться интерференц. картина. Расчёт показывает, что такое смещение, выраженное в долях ширины интерференц. полосы, равно , где Z - длина плеча интерферометра, - длина волны применявшегося света (жёлтая линия Na), с - скорость света в эфире, v - орбитальная скорость Земли. T. к. величина для орбитального движения Земли порядка 10-4, то ожидавшееся смещение очень мало и в первом M. о. составляло всего 0,04. Тем не менее уже на основе этого опыта Майкельсон пришёл к убеждению о неверности гипотезы неподвижного эфира.

В дальнейшем M.о. неоднократно повторялся. В опытах Майкельсона и Э. У. Морли (E. W. Morley; 1885-87) интерферометр устанавливался на массивной плите, плавающей в ртути (для плавного вращения). Оптич. длина пути с помощью многократных отражений от зеркал была доведена до 11 м. При этом ожидавшееся смещение Измерения подтвердили OT-рицат. результат M. о. В 1958 в Колумбийском ун-те (США) было ещё раз продемонстрировано отсутствие неподвижного эфира. Пучки излучения двух одинаковых квантовых генераторов микроволн (мазеров) направлялись в противоположные стороны - по движению Земли и против движения - и сравнивались их частоты. С огромной точностью (~ 10-9 %) было установлено, что частоты остаются одинаковыми, в то время как "эфирный ветер" привёл бы к появлению различия этих частот на величину, почти в 500 раз превосходящую точность измерений.

В классич. физике отрицат. результат M. о. не мог быть понят и согласован с др. явлениями электродинамики движущихся сред. В теории относительности постоянство скорости света для всех инерциалъных систем отсчёта принимается как постулат, подтверждаемый большой совокупностью экспериментов.

Лит.: Вавилов С. И., Экспериментальные основания теории относительности, Собр. соч., т. 4, M., 1956; Эйнштейновский сборник, 1980 - 1981, M., 1985. E. К. Тарасов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Майкельсон, Альберт Абрахам

Дата рождения: Место рождения: Дата смерти: Место смерти: Страна: Научная сфера: Место работы: Учёное звание: Альма-матер: Научный руководитель: Награды и премии: Подпись:

Альберт Абрахам Майкельсон
Albert Abraham Michelson


Стрельно, Пруссия

Пасадина, Калифорния, США
США Польша
физик, астроном
Западный резервный университет Кейза Чикагский университет Университет Кларк[d]
член-корреспондент АН СССР
Военно-морская академия США
Герман Гельмгольц
Премия Румфорда (1888) Медаль Маттеуччи (1903) Нобелевская премия по физике (1907) Медаль Копли (1907) Медаль Эллиота Крессона (1912) Медаль Генри Дрейпера (1916) Медаль Альберта (Королевское общество искусств) (1920) Медаль и премия Гутри (1921) Премия Жюля Жансена (1922) Медаль Франклина (1923) Золотая медаль Королевского астрономического общества (1923) Медаль и премия Дадделла (1929)

Альберт Абрахам Майкельсон на Викискладе

Альберт Абрахам Майкельсон (англ. Albert Abraham Michelson ; 19 декабря 1852, Стрельно, Пруссия - 9 мая 1931, Пасадина, США) - американский физик, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света. В 1907 году стал лауреатом Нобелевской премии по физике «за создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью».

Биография

Альберт Абрахам Майкельсон

Родился одним из шестерых детей в еврейской семье, в польской части Прусского королевства. Его отец, Самуил Михельзон, был занят в торговле; мать - Розалия Михельзон (урождённая Прилубская), была дочерью Абрама Прилубского из Иновроцлава.. Когда мальчику было два года (1855), его родители эмигрировали в Нью-Йорк (США), где их фамилия стала произноситься как «Майкельсон». Оттуда семья перебралась на запад страны, сначала жила в шахтёрских поселениях Мэрфис (в Калифорнии) и в Вирджиния-Сити (Невада), где отец развил успешный бизнес по торговле сухофруктами. В школьные годы Альберт Майкельсон жил в Сан-Франциско, в семье тёти - Генриетты Леви (матери писательницы Хэрриет Лэйн Леви, двоюродной сестры учёного).

В 1869 году Майкельсон приступил к обучению в Военно-морской академии США в Аннаполисе. В 1873 году завершил обучение. С самого начала своего обучения Майкельсон очень интересовался наукой и в особенности проблемой измерения скорости света. После продолжения, в течение двух лет, обучения в Европе, он уходит с военной службы. В 1883 году становится профессором физики в школе прикладных наук в Кливленде и сосредотачивается на разработке улучшенного интерферометра.

После 1889 года работает профессором в Университете Кларка в Вустере. В 1892 году становится профессором и руководителем физического отделения новооснованного Чикагского университета. В 1907 году Майкельсон становится первым американцем, получившим Нобелевскую премию по физике. В этом же году за выдающиеся достижения в экспериментальной физике Майкельсон получил также медаль Копли.

Скорость света

Первые измерения

Уже в 1877 году, в бытность свою офицером ВМС США, Майкельсон начинает усовершенствовать метод измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного Леоном Фуко. Идеей Майкельсона было применить лучшую оптику и более длинную дистанцию. В 1878 году он произвёл первые измерения на довольно кустарной установке. Эта работа привлекла внимание Саймона Ньюкома - директора Nautical Almanac Office, который также планировал заняться подобными экспериментами. Майкельсон опубликовал свой результат 299 910±50 км/с в 1879 году После этого он переехал в Вашингтон (США), чтобы помочь в проведении опытов Саймона Ньюкома. Так началась дружба и сотрудничество между двумя учёными.

Ньюком получил в своих опытах, которые лучше финансировались, значение скорости света 299 860±30 км/с, которое совпадало в пределах ошибок измерений со значением Майкельсона. Майкельсон и далее усовершенствовал свой метод; он опубликовал в 1883 году значение 299 853±60 км/с.

Маунт-Вильсон и время до 1926 года

В 1906 году Е. Б. Роза и Н. Е. Дорси измерили скорость света при помощи нового, электрического метода. В их экспериментах они получили значение 299 781±10 км/с.

После 1920 года Майкельсон приступил к «финальному» измерению скорости света в обсерватории Маунт-Вильсон, причём базой для измерения служила дистанция длиной 22 мили - до горы Лукаут, находящейся на южной стороне горы Сан-Антонио.

В 1922 году береговая и геодезическая комиссия США приступила к тщательному измерению этой дистанции при помощи недавно изобретённых инвар-лент, которое длилось два года. В 1924 году, когда длина была измерена с точностью 10−6, приступили к измерению скорости света, которое тоже длилось два года и дало значение скорости света 299 796±4 км/с.

Этот знаменитый эксперимент известен также проблемами, возникавшими при его проведении. Например большой проблемой были лесные пожары, дым от которых приводил к помутнению зеркал. Также вполне возможно, что в геодезические измерения, проведённые с такой огромной точностью, была внесена ошибка за счёт смещения базы, произошедшего при землетрясении в Санта-Барбаре, произошедшем 29 июня 1925 года и имевшем магнитуду 6,3 по шкале Рихтера.

Майкельсон, Пиз и Пирсон в 1932 году

После 1927 года появилось множество измерений скорости света при помощи новых, электро-оптических методов, которые дали существенно меньшие значения скорости света, чем определённое Майкельсоном оптическим методом в 1926 году.

Майкельсон продолжал искать метод измерения, который бы исключил влияние атмосферных возмущений. В 1930 году он приступил, совместно с Фрэнсисом Пизом и Фредом Пирсоном, к измерению скорости света в вакуумированных трубах длиной 1,6 км. Майкельсон умер после 36-го из всего 233 проведённых измерений. Проведению эксперимента мешали в основном геологические нестабильности и конденсация в трубах. В конце концов, эксперименты дали значение 299 774±11 км/с, совпадавшее с результатами электро-оптических методов.

Интерферометрия

В 1881 году Майкельсон провёл физический опыт (опыт Майкельсона) на своём интерферометре с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли. Результат эксперимента был отрицательный - скорость света никак не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости.

В 1887 году Майкельсон, совместно с Э. У. Морли, провёл эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли. В этом эксперименте определялась скорость движения Земли относительно эфира. Вопреки ожиданию, в эксперименте (как и в его более поздних и более прецизионных модификациях, проводящихся до настоящего времени) не обнаружилось движения Земли относительно эфира . Эйнштейн в своей первой статье по теории относительности упоминает «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“» и на этой основе строит новую универсальную кинематику (уже не только для электромагнитных явлений). Опыт Майкельсона стал основанием и первым экспериментальным подтверждением теории относительности.

В 1920 году Майкельсон провёл эксперимент по измерению углового размера звёзд. Для этого он использовал интерферометр с длиной плеч 6 м. Свет от интерферометра посылался при помощи зеркал на вход 254-сантиметрового телескопа. В телескопе при этом наблюдалась система полос. При удлинении плеч интерферометра полосы исчезали. Из расстояния между зеркалами интерферометра можно было определить угловой размер звезды, а при известном расстоянии до звезды - также её диаметр. Майкельсон определил таким образом диаметр звезды Бетельгейзе.

Память

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Майкельсона кратеру на обратной стороне Луны. В его честь названа медаль Альберта Майкельсона присуждаемая Институтом Франклина.

Библиография

А. А. Майкельсон, «Исследование по оптике», Издательство УРСС, Москва, 2004. ISBN 5-354-00945-6
Альберт А.Майкельсон, магистр, ВМФ США «Относительное движение Земли и светоносный эфир» (1881 г.). (The relative motion of the Earth and the Luminiferous ether. Albert A. Michelson, Master, U.S.Navy) //The American Journal of Science. 1881. III series. Vol XXII, No. 128. P. 120-129. Перевод с англ. Л. С. Князевой.
Альберт А.Майкельсон, Эдвард В.Морли «Об относительном движении Земли и светоносном эфире» (1887 г.) (The relative motion of the Earth and the Luminiferous ether. Albert A. Michelson, Master, U.S.Navy) //The American Journal of Science. 1881. III series. Vol XXII, No. 128. P. 120-129. Перевод с англ. Л. С. Княэевой.
А. А. Майкельсон. «Влияние вращения Земли на скорость света. Часть I» (1925 г.) (The effect of the earth’s rotation on the velocity of light. Part. 1. A.A.Michelson) // The Astrophys. J. April 1925. Vol. LXI. № 5. P. 137-139. Перевод с англ. Л. С. Княэевой.
А. А. Майкельсон, Генри Г.Гель, При участии Фреда Пирсона. «Влияние вращения Земли на скорость света. Часть II». (1925 г.) (The effect of the earth’s rotation on the velocity of light. Part II. A.A.Michelson, Henry G.Gale. Assisted by Fred Pearson) // The Astrophysical J. April 1925. Vol LXI. № 5. P. 140-145. Перевод с англ. Л. С. Князевой.
Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состоявшаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г. (Conference on the Michelson-Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927) //The Astrophysical Journal. December 1928. Vol. LXVIII, No. 5. P. 341-402. Перевод с англ. В. А. Ацюковского и Л. С. Князевой.
А. А. Майкельсон, Ф. Г. Пис и Ф.Пирсон. «Повторение эксперимента Майкельсона-Морли» (1929 г.) (Repetition of the Michelson-Morley experiment. By F.F.Micheson, F.G.Pease and F.Pearson) //Optical Society of America. Journal of the Optical Society of America and Review of Scientific Instumcnts. March 1929. Vol 18, No 3. P. 181-182. Перевод с англ. В. А. Ацюковского.

Гипотеза мирового эфира. Опыты Майкельсона и Морли

Правильные уравнения электродинамики К.Максвелл нашел, опираясь на отжившее в конце концов представление об эфире. Все известные в те времена волны могли распространяться только в различных средах, поэтому не только Максвелл, но и все физики считали, что электромагнитная волна - это упругие колебания некой легчайшей, всепроникающей среды. Эту среду называли мировым эфиром. Поскольку электромагнитная волна является поперечной волной, приходилось считать, что эфир является твердым.

Известный экспериментатор А.Майкельсон (см. интерферометр Майкельсона) решился на попытку экспериментально зарегистрировать факт существования эфира и измерить скорость пролета Земли сквозь эфир. Для этой цели он использовал свой интерферометр. Вспомним, как он устроен. Параллельный пучок света падает на полупрозрачную пластику П , ориентированную под углом 450 к пучку. Часть света проходит дальше, а часть отражается. Отразившийся свет падает на зеркало З1 и, возвратившись, проходит полупрозрачную пластинку на экран Э . Пучок, прошедший же сквозь пластинку, при первом проходе падает на другое зеркало З2 и, возвратившись, отражается от полупрозрачной пластинки на экран. Наложение двух прошедших разные пути пучков дает интерференционную картину. Малое отличие угла между зеркалами от 900 приводит к тому, что интерференционная картина представляет собой систему интерференционных полос.

Интерферометр выстраивался вдоль предполагаемой скорости Земли относительно эфира. Если для простоты положить, что длины плеч интерферометра равны, то свету, распространяющемуся вдоль и поперек движения Земли, потребуются разные времена для достижения экрана. Если теперь интерферометр повернуть на 900 , то времена запаздывания пучков поменяются местами и интерференционная картина сдвинется. По сдвигу можно определить время запаздывания и соответственно скорость Земли относительно неподвижного эфира.

Задача 3 . Допустим, Земля движется относительно эфира со скоростью v.Рассчитайте ожидаемый сдвиг интерференционной картины (в единицах расстояния между максимумами интенсивности) при длине волны света l ,после поворота интерферометра на 900 при длине плеча интерферометра L .

Проведенный вместе с Морли эксперимент показал, что никакого сдвига интерференционной картины при повороте интерферометра на 900 не наблюдается. Отсюда следовало сделать вывод: либо эфир полностью увлекается Землей и относительное движение Земли и эфира отсутствует, либо эфира не существует, и процесс распространения света не есть распространение упругой волны. Майкельсон сделал вывод, что эфир полностью увлекается Землей.

2.2 Экспериментальные противоречия гипотезе
увлечения эфира

Предположение о полном увлечении эфира Землей противоречило другим опытным фактам. Так, английский астроном Дж.Бредли обнаружил, что наиболее далекие звезды совершают кажущееся годовое движение по окружности или по эллипсу. Это явление называется аберрацией света звезд . Оказалось, что угловой диаметр траекторий почти всех звезд один и тот же и равен 40,5 дуговой секунды. Элементарное объяснение аберрации становится простым и понятным, если провести аналогию между распространением света и падением дождевых капель. Когда нет ветра, неподвижный наблюдатель видит, что капли падают отвесно. Однако, если сесть в движущийся автомобиль, то видно косое падение капель. Дождь идет сверху и спереди.

Задача 4 . Пусть скорость падения капель дождя относительно Земли равна c , скорость движения автомобиля равна v. Чему равен угол, под которым видно падение капель из автомобиля? Используя полученный результат и данные о видимом угловом диаметре траекторий звезд, определите скорость света. Орбитальная скорость Земли равна 30 км/с .

Если бы эфир полностью увлекался Землей, то никакой аберрации не было бы.

Вывод

Итак, из опытов Майкельсона и из явлений, сходных с аберрацией света звезд, следует сделать вывод: скорость света в любой системе отсчета одна и та же и равна c. [Наиболее точные на данный момент времени измерения дают значение c=(2,997925 ± 0,000003)×108м/с .]

Допустим, на улетающем с огромной скоростью от Земли космическом корабле принимают световой сигнал с Земли. При измерении скорости его распространения будет обнаружено значение c вне зависимости от скорости корабля: c– v=c !Или другой пример. На настоящий момент времени надежно установлено, что далекие от Солнечной системы галактики разбегаются. Вселенная расширяется. Скорость убегания тем больше, чем дальше находится галактика. Очень далекие галактики убегают со скоростями, близкими к скорости света. Тем не менее, свет, пришедший от этих галактик, имеет скорость c . Этот факт так же, как и электродинамические опыты, говорит о необходимости отказа от галилеевских преобразований координат и скорости, правила сложения скоростей.

Опыт А. Майкельсона и специальная теория относительности

Как уже было сказано в разделе о микромире, новая физика родилась на рубеже Х1Х и ХХ веков, поскольку классическая наука не могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в Х1Х веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и радиоактивность возникли квантовая механика и ядерная физика. Теория относительности А. Эйнштейна выросла из попытки объяснить результаты опыта американского физика и инженера Альберта Майкельсона (1852 - 1931) по определению скорости света относительно неподвижного эфира, существование которого предположил Дж. Максвелл. Результаты опыта Майкельсона, за который он получил Нобелевскую премию, были неожиданными: оказалось, что 1) скорость света не зависит от скорости его источника; 2) что она является мировой константой и постоянна во всех инерциальных системах отсчета; 3) что ее нельзя превысить. т. е. скорость света – это максимальная скорость передачи сигнала. В итоге результаты, полученные А. Майкельсоном, показали, что эфира не существует .

Эти результаты стали первым из «китов», на которых основывается специальная теория относительности. Вторым «китом» стал принцип относительности Г. Галилея, который А. Эйнштейн переформулировал так: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов, и ни одна из них (относительно которой эфир был бы неподвижен), не имеет преимуществ перед другими.

А. Эйнштейн был величайшим теоретиком, и при работе над теорией относительности он использовал прием мысленного эксперимента, называемого «кораблем А. Эйнштейна». Суть этого эксперимента состоит в следующем. Вдоль берега плывет корабль, внутри которого в направлении движения корабля бежит мышка. Скорость мышки относительно берега складывается из ее собственной скорости относительно корабля и скорости корабля относительно берега. Если предположить, что скорость корабля приближается к скорости света (теоретически это возможно), то при этом скорость мышки относительно берега превысит скорость света, что противоречит результату опыта А. Майкельсона.

Для разрешения возникшего противоречия А. Эйнштейну пришлось сменить парадигму: путем логических рассуждений и математических выкладок он пришел к выводу, что при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света (а это скорости МЕГАМИРА, объектами которого являются звезды, галактики и Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и независимости пространства и времени. Отсюда следовало, что при больших скоростях пространство и время оказываются взаимосвязанными, и время при этом становится четвертой координатой, т.е. пространство в этих условиях имеет как минимум четыре измерения.

Из этого вытекало три следствия:

1) при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света,

расстояние сокращается, отрезок укорачивается и при скорости

света (если бы она оказалась достижимой), стягивается в точку;

2) при больших скоростях время замедляется; широко известен пример Эйнштейна, названный им «парадоксом близнецов»: на Земле в один день родились два мальчика-близнеца, один отправился в длительный космический полет, другой всю свою жизнь провел на Земле. Когда космонавт возвратится домой, он будут еще молодым (при огромных скоростях космического полета время будет течь медленнее, чем на Земле), а его брат окажется глубоким стариком.

3) масса тела не зависит от скорости тела. Отсюда следует, что

никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до

скорости света, т.к. для этого потребуется бесконечная энергия.

Далее А. Эйнштейн нашел связь между массой и энергией: масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Так появилась знаменитая формула Å= mc2 , где Е – энергия покоя частицы, m - его масса покоя, с - скорость света.

Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности пришло из микромира. Выяснилось, что при опытах с элементарными частицами, которые в специальных ускорителях разгоняют до очень больших скоростей, для хорошего согласия экспериментальных и расчетных данных следует учитывать эффект возрастания массы, так называемые релятивистские поправки к массе (английское слово «relativ» означает «относительный»). Замедление времени экспериментально зафиксировано уже при скоростях космических полетов (в Космосе часы чуть-чуть отстают). Все сказанное свидетельствует о том, что специальная теория относительности описывает не только мегамир, но также и микромир. В макромире же скорости слишком низки, а массы слишком велики, чтобы экспериментально наблюдать релятивистские эффекты.

Итак, специальная теория относительности говорит о том, что при больших скоростях (в мегамире и микромире) проявляется взаимосвязь пространства и времени, т.е. реализуется как минимум четырехмерное пространство-время. В макромире скорости настолько малы, что взаимосвязь пространства и времени экспериментально зафиксировать невозможно.

Что из себя опыт Майкельсона представлял?

Сапфир

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.

Опыт Майкельсона - физический опыт, поставленный Майкельсоном 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 был отрицательный - скорость света никак не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости. Позже, в 1887 году Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли и показавший тот же результат. 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 % (чувствительность к скорости движения Земли относительно эфира составляла 30 м/с) . 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 от анизотропии скорости света, если бы оно составляло несколько единиц на 10−16.
Опыт Майкельсона является эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО).

Мы уже говорили, что в свое время были сделаны попытки определить абсолютную скорость движения Земли сквозь воображаемый «эфир», который, как думали тогда, пропитывает 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 использовался 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 и, то появится разница во времени. Давайте посмотрим, почему.

Сначала подсчитаем время прохождения света от В к Е 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,
ct 1 = L + ut 1 , или t 1 = l/(c - u)
(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 t2. За это время пластинка В приблизится на расстояние ut 2 , так что свету на обратном пути придется пройти только L — ut 2 . Тогда
ct 2 = L -ut 2 , или t 2 = l/(c +u)
Общее же время равно
t 1 + t 2 = 2Lc/(c 2 - u 2);
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
(ct 3) 2 = L 2 + (ut 3) 2 ,
или
L 2 = c 2 t 2 3 - u 2 t 2 3 = (c 2 - u 2)t 2 3 ,
откуда
t 3 = l/√(c 2 - u 2)

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 и 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 но орбите (в определенный 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 различия 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 Lo, 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 Манкель-сона — Морли, то расстояние от В до С останется прежним, а расстояние от В до Е укоротится до L√(1 - u 2 /c 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 Май-кельсона — 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.

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).

Total: 0
Вконтакте0
Google+0
ОК0
Facebook0