Вопыт Майкельсана — Морлі

Агульны выгляд інтэрферометра ў перспектыве. Выява з даклада А. Майкельсана па выніках яго эксперыментаў, выкананых ў 1881 г.

Рух Зямлі вакол Сонца і праз эфір.

Выява эксперыментальнай устаноўкі

Вопыты Майкельсана — клас фізічных эксперыментаў, якія даследуюць залежнасць скорасці распаўсюджвання святла ад кірунку. На 2011 год дакладнасць вопытаў дазваляе знайсці адносныя адхіленні ізатропнасці скорасці святла парадку 10⁻¹⁸, аднак на гэтым узроўні адхіленняў не знойдзена. Вопыты Майкельсана з’яўляюцца эмпірычнай асновай прынцыпу інварыянтнасці скорасці святла, які ўваходзіць у агульную тэорыю адноснасці (АТА) і спецыяльную тэорыю адноснасці (СТА).

Тэорыя

Вылічаем агульны час $t_{1}$, выкарыстоўваючы суму часоў двух шляхоў:

$t_{1}={\frac {L_{1}}{c+v}}+{\frac {L_{1}}{c-v}}={\frac {2cL_{1}}{c^{2}-v^{2}}}={\frac {2L_{1}}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\approx {\frac {2L_{1}}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right).$

Прыбліжэнне звязана з тым, што $(v^{2}/c^{2})\ll 1$ (парадку $10^{-8}$), калі бярэцца скорасць абітальнага руху Зямлі $v\approx 30$ км/с, якая пры наяўнасці эфіру была б скорасцю адносна эфіру.

Скорасць эфіру $c=\|\mathbf {v} +\mathbf {v_{1}} \|$, а $v_{1}=\|\mathbf {v_{1}} \|$ скорасць хвалі у кірунку люстэрка. $c=\|\mathbf {v} +\mathbf {v_{1}} \|={\sqrt {v^{2}+v_{1}^{2}}}$ з гэтага вынікае, што:

$v_{1}={\sqrt {c^{2}-v^{2}}}={{c}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}.$

Улічваючы сіметрыю, мы можам зараз вылічыць:

$t_{2}={\frac {2L_{2}}{c}}{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\approx {\frac {2L_{2}}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}\right)$

Розніца фаз прапарцыянальная:

$\delta =c(t_{2}-t_{1})=2\left({{\frac {L_{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-{\frac {L_{1}}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)$

$S=|\delta +\delta ^{'}|$, дзе $\delta ^{'}$ прапарцыянальная рознасці фаз, пры павароце на ${\frac {\pi }{2}}$:

$S=|2L_{1}\left({{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)+2L_{2}\left({{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)|\approx (L_{1}+L_{2}){\frac {v^{2}}{c^{2}}}$

Было паказана, што з тэорыі эфіру вынікае рознасць, якая паддаецца колькаснай ацэнцы і выяўляецца адпаведнымі сродкамі (інтэрферометр Майкельсана — Морлі (Michelson-Morley)).

Гісторыя

Перадгісторыя

Асноўны артыкул: Эфір (фізіка)

Тэорыя распаўсюджання святла, якая ўключае ў сябе эфір, з’явілася ў XVII стагоддзі. У 1727 годзе англійскі астраном Джэймс Брэдлі патлумачыў праз яе аберацыю святла. Эдуард Кетэлер і Томас Юнг некалькі развілі тэорыю эфіру. У 1868 Хук паставіў вопыт па праверцы тэорыі эфіру на эфекце аберацыі святла ад зямной крыніцы святла. У 1871—1872 гадах Эйры правёў серыю дакладных вопытаў з астранамічнай крыніцай святла, зрабіўшы з іх выснову аб тым, што арбітальны рух Зямлі цалкам захапляе эфір.

Эпоха Майкельсана

Упершыню такі дослед быў пастаўлены Альбертам Майкельсанам на сваім інтэрферометры ў 1881 годзе, з мэтай вымярэння залежнасці скорасці святла ад руху Зямлі адносна эфіру. Пад эфірам тады разумелася асяроддзе, аналагічнае абъёмна размеркаванай матэрыі, у якой святло распаўсюджваецца падобна гукавым ваганням. Вынік эксперыменту, на думку Майкельсана, быў адмоўным — зрушэнні палос не супадаюць па фазе з тэарэтычнымі, а ваганні гэтых зрушэнняў толькі крыху меншыя за тэарэтычныя.

Пазней, у 1887 Майкельсан, сумесна з Морлі, правёў аналагічны, але больш дакладны эксперымент, вядомы як эксперымент Майкельсана-Морлі, і паказаў, што назіранае зрушэнне сапраўды менш ¹⁄₂₀ тэарэтычнага і, верагодна, менш ¹⁄₄₀. У тэорыі незахапляемага эфіру зрушэнне павінна быць прапарцыянальным квадрату скорасці, таму вынікі раўназначныя таму, што адносная скорасць Зямлі ў эфіры менш ¹⁄₆ яе арбітальнай скорасці і несумненна менш ¹⁄₄.

Вопыты Мілера

На думку прафесара Дэйтана К. Мілера (Кейсаўская школа прыкладных навук):

Можна меркаваць, што эксперымент толькі паказаў, што эфір у канкрэтным падвальным памяшканні захапляецца ў падоўжным кірунку разам з ім. Мы збіраемся таму перамясціць апарат на пагорак, каб паглядзець, ці не выявіцца эфект там.

К. Мілер з прафесарам Морлі сканструявалі інтэрферометр больш адчувальны, чым той, які прымяняўся ў першым эксперыменце, з даўжынёй аптычнага шляху 65,3 м, эквівалентнай прыкладна 130 млн даўжынь хваль. К. Мілер чакаў убачыць зрушэнне ў 1,1 паласы. Восенню 1905 Морлі і Мілер правялі эксперымент на Эўклідавых вышынях ў Кліўлендзе, якія знаходзяцца на вышыні каля 90 м над возерам Эры і каля 265 м вышэй за ўзровень мора. У 1905—1906 гг. было зроблена пяць серый назіранняў, якія далі пэўны станоўчы эфект — каля ¹⁄₁₀ чаканага дрэйфу.

У сакавіку 1921 г. методыка і апарат былі некалькі зменены і атрыманы вынік у 10 км/c «эфірнага ветру». Вынікі былі старанна правераны на прадмет магчымай ліквідацыі недахопаў, звязаных з магнітастрыкцыяй і цеплавым выпрамяненнем. Напрамак кручэння апарата не аказваў уплыву на вынік эксперыменту.

Больш познія даследаванні вынікаў, атрыманых Д. Мілерам, паказалі, што флуктуацыі, якія назіраліся ім і інтэрпрэтаваныя як наяўнасць «эфірнага ветру», з’яўляюцца следствам статыстычных памылак і няўліку тэмпературных эфектаў.

Вопыты Кенэдзі

Доктар Рой Кенэдзі (Каліфарнійскі тэхналагічны інстытут) пасля публікацый вынікаў вопыту Морлі-Мілера відазмяняе вопыт з мэтай праверкі. Інтэрферометр змяшчаецца ў металічны герметычны корпус, запоўнены геліем пад ціскам 1 атм. Выкарыстоўваючы прыстасаванне, здольнае адрозніць вельмі малыя зрушэння інтэрферэнцыйнай карціны, стала магчымым скараціць памер плячэй да 4 м. Выкарыстоўвалася палярызаванае святло з мэтай выключыць наколькі магчыма рассейванне святла на люстэрках. Дакладнасць вопыту адпавядала зрушэнню палос на 2×10⁻³ іх шырыні. На гэтым апараце скорасць 10 км/с, атрыманая Мілерам, давала б зрух, які адпавядае 8×10⁻³ даўжыні хвалі зялёнага колеру, што ў чатыры разы больш найменшага вызначанага значэння. Эксперымент праводзіўся ў лабараторыі Норман Брыдж, у памяшканні з пастаяннай тэмпературай, у розны час дня. Для праверкі залежнасці скорасці эфірнага ветру ад вышыні мясцовасці вопыты праводзіліся таксама на Маўнт Вілсан ў будынку абсерваторыі. Эфект аказаўся не большым за 1 км/с для эфірнага ветру.

Сучасныя варыянты

У 1958 годзе ў Калумбійскім універсітэце (ЗША) быў праведзены яшчэ больш дакладны эксперымент з выкарыстаннем процінакіраваных прамянёў двух мазераў, які паказаў нязменнасць частаты ад руху Зямлі з дакладнасцю каля 10⁻⁹%.

Яшчэ больш дакладныя вымярэнні ў 1974 годзе давялі адчувальнасць да 0,025 м/с. Сучасныя варыянты эксперыменту Майкельсана выкарыстоўваюць аптычныя і крыягенныя мікрахвалевыя рэзанатары і дазваляюць выявіць адхіленне скорасці святла, калі б яно складала некалькі адзінак на 10⁻¹⁸.

Гл. таксама

• Гісторыя тэорыі адноснасці

Літаратура

• Майкельсона опыт — артыкул з Фізічнай энцыклапедыі
• Swenson, L. S. The Michelson-Morley-Miller Experiments before and after 1905(англ.) // Journal for the History of Astronomy. — 1970. — Vol. 1. — P. 56—78.

Спасылкі

• Физическая энциклопедия, т. 3. — М.: Большая Российская Энциклопедия; стр. 27 Архівавана 2 сакавіка 2012. и стр. 28 Архівавана 11 сакавіка 2005..
• Г. А. Лоренц. Интерференционный опыт Майкельсона Архівавана 25 красавіка 2011.. Из книги "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern. Leiden, 1895, параграфы 89…92.
• Об «опыте Майкельсона—Морли» простым языком.