Η εμπειρία του Michelson Morley μαρτυρεί τον Fr. Εμπειρία Michelvon-Morley

Το 1881, ο Michelson πραγματοποίησε ένα διάσημο πείραμα, με τη βοήθεια του οποίου ήλπιζε να ανακαλύψει την κίνηση της Γης σε σχέση με τον αιθέρα (τον αιθέριο άνεμο). Το 1887, ο Michelson επανέλαβε την εμπειρία του μαζί με τον Morley σε ένα πιο προηγμένο όργανο. Η εγκατάσταση Michelson-Morley φαίνεται στην εικ. 150.1. Η βάση από τούβλα στήριζε ένα δακτυλιοειδές χυτοσίδηρο γεμάτο με υδράργυρο. Ένας ξύλινος πλωτήρας επέπλεε στον υδράργυρο, σε σχήμα σαν το κάτω μισό ενός ντόνατ κομμένο κατά μήκος. Σε αυτόν τον πλωτήρα εγκαταστάθηκε μια τεράστια τετράγωνη πέτρινη πλάκα. Μια τέτοια συσκευή επέτρεψε την ομαλή περιστροφή της πλάκας γύρω από τον κατακόρυφο άξονα της συσκευής. Ένα συμβολόμετρο Michelson τοποθετήθηκε στην πλάκα (βλ. Εικ. 123.1), τροποποιημένο έτσι ώστε και οι δύο δοκοί, πριν επιστρέψουν στην ημιδιαφανή πλάκα, πολλές φορές περνούσαν μπρος-πίσω κατά μήκος της διαδρομής που συμπίπτει με τη διαγώνιο της πλάκας. Το διάγραμμα της διαδρομής της δέσμης φαίνεται στο σχ. 150,2. Οι ονομασίες σε αυτό το σχήμα αντιστοιχούν στις ονομασίες στο σχ. 123.1.

Το πείραμα βασίστηκε στις ακόλουθες εκτιμήσεις. Ας υποθέσουμε ότι ο βραχίονας του συμβολόμετρου (Εικ. 150.3) συμπίπτει με την κατεύθυνση της κίνησης της Γης σε σχέση με τον αιθέρα. Τότε ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδέψει η δέσμη προς τον καθρέφτη και προς τα πίσω θα είναι διαφορετικός από τον χρόνο που απαιτείται για τη δέσμη 2 για να διανύσει τη διαδρομή.

Ως αποτέλεσμα, ακόμη και αν τα μήκη και των δύο βραχιόνων είναι ίσα, οι δοκοί 1 και 2 θα αποκτήσουν κάποια διαφορά διαδρομής. Εάν η συσκευή περιστραφεί κατά 90°, οι βραχίονες θα αλλάξουν θέση και η διαφορά διαδρομής θα αλλάξει πρόσημο. Αυτό θα πρέπει να οδηγήσει σε μια μετατόπιση του σχεδίου παρεμβολών, το μέγεθος του οποίου, όπως φαίνεται από τους υπολογισμούς του Michelson, θα μπορούσε κάλλιστα να ανιχνευθεί.

Για να υπολογίσουμε την αναμενόμενη μετατόπιση του σχεδίου παρεμβολής, ας βρούμε τους χρόνους διέλευσης των αντίστοιχων μονοπατιών από τις δέσμες 1 και 2. Έστω η ταχύτητα της Γης σε σχέση με τον αιθέρα ίση με .

Εάν ο αιθέρας δεν παρασύρεται από τη Γη και η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τον αιθέρα είναι ίση με c (ο δείκτης διάθλασης του αέρα είναι πρακτικά ίσος με τη μονάδα), τότε η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τη συσκευή θα είναι ίση με c - v για την κατεύθυνση και c + v για την κατεύθυνση. Επομένως, ο χρόνος για τη δέσμη 2 δίνεται από

(η ταχύτητα της τροχιάς της Γης είναι 30 km/s, άρα

Πριν προχωρήσετε στον υπολογισμό του χρόνου, εξετάστε το ακόλουθο παράδειγμα από τη μηχανική. Ας υποθέσουμε ότι ένα σκάφος, που αναπτύσσει ταχύτητα c σε σχέση με το νερό, πρέπει να διασχίσει ένα ποτάμι που ρέει με ταχύτητα v σε κατεύθυνση ακριβώς κάθετη στις όχθες του (Εικόνα 150.4). Για να κινηθεί το σκάφος προς μια δεδομένη κατεύθυνση, η ταχύτητά του c σε σχέση με το νερό πρέπει να κατευθύνεται όπως φαίνεται στο σχήμα. Επομένως, η ταχύτητα του σκάφους σε σχέση με την ακτή θα είναι ίση με Το ίδιο θα είναι (όπως υπέθεσε ο Michelson) η ταχύτητα της δέσμης 1 σε σχέση με τη συσκευή.

Επομένως, ο χρόνος για τη δέσμη 1 είναι

Αντικαθιστώντας τις τιμές (150.1) και (150.2) στην έκφραση, λαμβάνουμε τη διαφορά μεταξύ των διαδρομών των ακτίνων 1 και 2:

Όταν το όργανο περιστρέφεται κατά 90°, η διαφορά διαδρομής θα αλλάξει πρόσημο. Κατά συνέπεια, ο αριθμός των κροσσών κατά τις οποίες θα μετατοπιστεί το μοτίβο παρεμβολής θα είναι

Το μήκος του βραχίονα I (λαμβάνοντας υπόψη τις πολλαπλές ανακλάσεις) ήταν 11 μ. Το μήκος κύματος του φωτός στο πείραμα των Michelson και Morley ήταν 0,59 μm. Η αντικατάσταση αυτών των τιμών στον τύπο (150.3) δίνει ζώνες.

Η συσκευή κατέστησε δυνατό τον εντοπισμό μιας μετατόπισης της τάξης των 0,01 κροσσών. Ωστόσο, δεν βρέθηκε καμία αλλαγή στο μοτίβο παρεμβολών. Για να αποκλειστεί η πιθανότητα ότι τη στιγμή των μετρήσεων το επίπεδο του ορίζοντα θα ήταν κάθετο στο διάνυσμα της τροχιακής ταχύτητας της Γης, το πείραμα επαναλήφθηκε σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Στη συνέχεια, το πείραμα διεξήχθη πολλές φορές σε διαφορετικές εποχές του έτους (για ένα χρόνο το διάνυσμα της τροχιακής ταχύτητας της Γης περιστρέφεται στο διάστημα κατά 360°) και έδωσε πάντα αρνητικά αποτελέσματα. Ο αιθέριος άνεμος δεν μπορούσε να ανιχνευθεί. Ο παγκόσμιος αιθέρας παρέμενε άπιαστος.

Έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες να εξηγηθεί το αρνητικό αποτέλεσμα του πειράματος του Michelson χωρίς να εγκαταλειφθεί η υπόθεση ενός παγκόσμιου αιθέρα. Ωστόσο, όλες αυτές οι προσπάθειες ήταν ανεπιτυχείς. Μια εξαντλητική, συνεπής εξήγηση όλων των πειραματικών γεγονότων, συμπεριλαμβανομένων των αποτελεσμάτων του πειράματος του Michelson, δόθηκε από τον Αϊνστάιν το 1905. Ο Αϊνστάιν κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο παγκόσμιος αιθέρας, δηλαδή ένα ειδικό μέσο που θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως απόλυτο πλαίσιο αναφοράς, δεν υπάρχει. Σύμφωνα με αυτό, ο Αϊνστάιν επέκτεινε τη μηχανική αρχή της σχετικότητας σε όλα τα φυσικά φαινόμενα χωρίς εξαίρεση. Περαιτέρω, ο Αϊνστάιν υπέθεσε, σύμφωνα με πειραματικά δεδομένα, ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι η ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς και δεν εξαρτάται από την κίνηση των πηγών φωτός και των δεκτών.

Η αρχή της σχετικότητας και η αρχή της σταθερότητας της ταχύτητας του φωτός αποτελούν τη βάση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας που δημιούργησε ο Αϊνστάιν (βλ. Κεφάλαιο VIII του 1ου τόμου).

Πριν μπούμε στις λεπτομέρειες του συμβολόμετρου Michelson, ας το δούμε από ψηλά και ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε σε τι οδηγεί η υποτίμηση της επίδρασης της εκτροπής φωτός.

Αριστερά στο σχ. Το 1 δείχνει την πλήρη διαδρομή των ακτίνων φωτός, στα δεξιά στο ίδιο σχήμα σχεδιάζεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα, υιοθετημένο από τη σύγχρονη επιστήμη. Στο δεξιό σχήμα, βλέπουμε την τετράγωνη βάση της συσκευής, στην οποία είναι στερεωμένη μια φωτεινή πηγή, ένα σύστημα κατόπτρων που αντανακλούν επανειλημμένα μια δέσμη φωτός και μια οπτική συσκευή (ο Michelson το ονόμασε «τηλεσκόπιο») για την παρατήρηση μοτίβο παρεμβολής. Απαιτείται ένα σύστημα κατόπτρων για την αύξηση της οπτικής διαδρομής των ακτίνων παρεμβολής, η οποία σχετίζεται άμεσα με τη διαφορά φάσης. Θεμελιώδους σημασίας, ωστόσο, οι καθρέφτες δεν έχουν: μπορεί να υπάρχουν περισσότεροι ή λιγότεροι από αυτούς.

Ρύζι. ένας. Η διαδρομή των ακτίνων φωτός στο συμβολόμετρο Michelson. Στο δεξιό σχήμα, η δέσμη 1 από την πηγή φωτός 0 διαδίδεται προς την κατεύθυνση της κίνησης της Γης. Η δέσμη 2 είναι η δέσμη 1 που ανακλάται από τον καθρέφτη Γ. Η δέσμη 3, που ανακλάται από τον καθρέφτη Α, γίνεται δέσμη 4. Όπως σημείωσε ο Michelson, η οπτική διαδρομή που ακολουθούν οι δέσμες 1-2 δεν είναι ίση με την οπτική διαδρομή που ακολουθούν οι δέσμες 3-4. Κατά συνέπεια, αφού συναντηθούν στο σημείο Β, θα δώσουν κρόσσια παρεμβολής, οι αποστάσεις μεταξύ των οποίων είναι ανάλογες με τη διαφορά στη διαδρομή των ακτίνων 1-2 και των ακτίνων 3-4. Σε αυτό παραδοσιακόςσχήμα, το οποίο αναπαράγεται σε όλα τα σχολικά βιβλία που μιλούν για το πείραμα Michelson-Morley, η γωνία εκτροπής είναι στην πραγματικότητα η γωνία α. Η επίδραση της εκτροπής συγκρίνεται με την επίδραση της "μετακίνησης" μιας δέσμης φωτός προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση, ανάλογα με την κίνηση της πηγής ή του δέκτη. Δυστυχώς, κατά την επιλογή του σημείου της εκτροπής της δέσμης 3, έγινε ένα λάθος: στο διάγραμμα, η δέσμη 3 αποκλίνει προς τα δεξιά, στην πραγματικότητα θα πρέπει να αποκλίνει προς τα αριστερά (δοκός 3").

Στα σχολικά εγχειρίδια, η εκτροπή εξηγείται με λοξούς πίδακες νερού που αφήνει η βροχή στα πλαϊνά παράθυρα ενός κινούμενου αυτοκινήτου. Αυτοί οι πίδακες σχηματίζουν οξεία γωνία με την κατεύθυνση του διανύσματος κίνησης του οχήματος. Στην πραγματικότητα, φανταστείτε ότι κάθεστε μέσα σε ένα αυτοκίνητο που κινείται στο δρόμο. Σταγόνες βροχής στα πλαϊνά παράθυρα του εσωτερικού του αυτοκινήτου σχεδιάζουν λοξές γραμμές, καθώς σχηματίζεται ένα τρίγωνο ταχυτήτων: ένα οριζόντιο πόδι v 1 - ταχύτητα οχήματος. κάθετο πόδι v 2 - η ταχύτητα της πτώσης από πάνω προς τα κάτω. Τότε η υποτείνουσα αυτού του τριγώνου είναι το διανυσματικό άθροισμα αυτών των δύο ταχυτήτων. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της εκτροπής.

Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, οι αστρονόμοι, όταν παρατηρούν τα αστέρια, στρέφουν ελαφρώς τα τηλεσκόπια τους προς την κατεύθυνση της κίνησης της Γης. Διαφορετικά, το τμήμα του μετώπου κύματος που εισήλθε στον φακό του τηλεσκοπίου δεν θα φτάσει στον προσοφθάλμιό του. Επιπλέον, το μέγεθος της εκτροπής εξαρτάται από τη θέση του αστεριού στον νυχτερινό ουρανό. Τα αστέρια που βρίσκονται ακριβώς πάνω από το κεφάλι μας περιγράφουν έναν κανονικό κύκλο με γωνιακή ακτίνα απόκλισης εκτροπής α \u003d 20,45 κατά τη διάρκεια του έτους. Τα αστέρια που βρίσκονται σε κάποια γωνιακή απόσταση από το ζενίθ περιγράφουν μια έλλειψη. Αστέρια στον ορίζοντα, δηλ. στο επίπεδο του την εκλειπτική (τροχία της Γης), ταλαντώνονται κατά μήκος ευθείας με την ίδια γωνιακή απόκλιση ±α.

Ρύζι. 2. Η ουσία του εφέ ελαφριάς εκτροπής. Το αστέρι, η διεύθυνση προς το οποίο βρίσκεται σε ορθή γωνία ως προς το επίπεδο της τροχιάς της Γης, αποδεικνύεται ότι μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση της κίνησης της Γης κατά γωνία α = 20,45 ". Επομένως, ο σωλήνας του τηλεσκοπίου πρέπει να έχει κλίση γωνία α προς την κατακόρυφη διεύθυνση Το φαινόμενο εκτροπής εξηγείται από το γεγονός ότι το φως που εισέρχεται στον φακό του τηλεσκοπίου σε ένα σημείο ΕΝΑ, πρέπει να φτάσει το προσοφθάλμιο στο σημείο Vώστε να μπορεί να το δει ένας παρατηρητής στο έδαφος. Προσδιορίζεται η γωνία κλίσης α διανυσματικό άθροισμα δύο ταχυτήτων- η ταχύτητα του φωτός ντοκαι την ταχύτητα της Γης σε τροχιά v, έτσι ώστε η ταχύτητα του φωτός μέσα στον σωλήνα του τηλεσκοπίου ( ντο") στο τμήμα ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝκαθορίζεται από τον Πυθαγόρειο τύπο, δηλ. επί ο κλασικός τύπος για την πρόσθεση ταχυτήτων - (ντο² – v²) ½ (Αυτές οι εξηγήσεις προέρχονται από ένα άρθρο που έγραψα νωρίτερα Το κύριο επιχείρημα κατά της θεωρίας της σχετικότητας).

Στο πρώτο μέρος αυτής της εργασίας, τονίστηκε επανειλημμένα ότι η σωστή κατανόηση του πειράματος Michelson-Morley προέρχεται από την εξέταση της κυματικής φύσης του φωτός - και αυτό είναι αλήθεια. Ωστόσο, πρέπει επίσης να θυμόμαστε ότι το φαινόμενο της εκτροπής μπορεί επίσης να παρατηρηθεί στο παράδειγμα των σημειακών αντικειμένων. Δεν πρέπει να λησμονείται ότι ο J. Bradley, ο ανακάλυψε την εκτροπή, σύμφωνα με την οπτική θεωρία του Νεύτωνα, αναπαριστούσε το φως με τη μορφή σωματιδίων.

Έτσι, στα παραδείγματα με τηλεσκόπιο ή αυτοκίνητο, το κινούμενο είναι δέκτης. Επαναλαμβάνουμε, εάν οι ακτίνες από ένα αστέρι ή μια σταγόνα βροχής πέσουν κάθετα προς τα κάτω, τότε λόγω της κίνησης του δέκτη σχηματίζεται μια οξεία γωνία α, η οποία θα εναποτεθεί από την κανονική στο πλάι. προς την κατεύθυνση του δέκτη. Λοιπόν, τι θα συμβεί αν μετακινηθεί μια πηγή? Φανταστείτε ότι ένα σιντριβάνι είναι εγκατεστημένο στο πίσω μέρος ενός αυτοκινήτου, του οποίου ο πίδακας κατευθύνεται κάθετα προς τα πάνω. Όταν το αυτοκίνητο κινείται, αυτό το τζετ θα αποκλίνει φυσικά προς τα πίσω. Επομένως, η γωνία εκτροπής α, όταν κινείται η φωτεινή πηγή, πρέπει να μετατεθεί από την κανονική σε αντίθετη πλευράαπό το διάνυσμα ταχύτητας πηγής.

Έτσι, στο σχ. 1 δέσμη 3 από την πηγή φωτός 0 δεν θα πάει προς το σημείο Α, αλλά προς το σημείο Δ. Ο Michelson έκανε λάθος. Στο κεφάλι του ήταν μια εικόνα ενός ποταμού με δύο βάρκες να κινούνται κατά μήκος και κατά μήκος του ρεύματος. Ήταν για αυτήν την εικόνα που υπολόγισε το χρόνο των ακτίνων στη συσκευή και έλαβε τη διαφορά φάσης. Αυτό όμως δεν εξαντλεί τις ελλείψεις του σχεδίου του και, κατά συνέπεια, των υπολογισμών του.

Εξωτερικά, το διάγραμμα Michelson της διαδρομής των ακτίνων στο συμβολόμετρο, που λαμβάνεται από το έργο (δείτε το σχήμα στα δεξιά), μοιάζει με σχέδιο από γεωμετρική οπτική, όταν όλες οι γωνίες ανάκλασης είναι ίσες με τις γωνίες πρόσπτωσης. Αλλά με την παρουσία παρεκκλίσεων, αυτός ο νόμος παραβιάζεται. Μια δέσμη φωτός που πέφτει σε ένα ημιδιαφανές κάτοπτρο υπό γωνία 45° θα ανακλάται όχι στην ίδια γωνία, αλλά σε διαφορετική γωνία: 45° + α. Επομένως, στην περίπτωση γρήγορο ταξίδιπηγή, δέκτη και σύστημα κατόπτρων, δεν είναι πλέον δυνατή η χρήση των νόμων γεωμετρική οπτική, ισχύει μόνο για ακίνητοςυπόθεση.

Σε ένα κινούμενο σύστημα, η έννοια της «οπτικής διαδρομής» τροποποιείται. Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η επίδραση της εκτροπής και το φαινόμενο Doppler, τα οποία δεν λαμβάνονται υπόψη στην οπτική των σταθερών πηγών φωτός και των αισθητήρων λήψης. Το παραδοσιακό σχήμα διαδρομής ακτίνων σε ένα συμβολόμετρο δεν είναι κατάλληλο για τον υπολογισμό της διαφοράς φάσης, η οποία είναι υπεύθυνη για το σχέδιο παρεμβολής. Λήφθηκε κατευθείαν από το παράδειγμα του Michelson των σκαφών που παρασύρθηκαν από το ρεύμα ενός ποταμού. Με τις ακτίνες φωτός, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Διαδίδονται σε ένα ακίνητο αιθέριο μέσο, ​​ενώ η πηγή και οι δέκτες των φωτεινών δονήσεων κινούνται.

Πριν εμβαθύνουμε στις λεπτομέρειες του συμβολόμετρου και του σχεδιασμού του πειράματος, ας ρίξουμε μια ματιά στο τι συνέβη την προηγούμενη μέρα. Για το σκοπό αυτό, θα παραθέσουμε ένα απόσπασμα από ένα άρθρο των Michelson και Morley, που γράφτηκε στα αποτελέσματα ενός πειράματος το 1887.

«Σύμφωνα με τον Fresnel», γράφουν οι συγγραφείς, «στη θεωρία των κυμάτων, ο αιθέρας, πρώτον, θεωρείται ότι βρίσκεται σε ηρεμία, με εξαίρεση το εσωτερικό των διαφανών μέσων, στο οποίο, δεύτερον, θεωρείται ότι κινείται σε ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του μέσου σε σχέση με ( n² – 1)/ n², όπου n- δείκτης διάθλασης. Αυτές οι δύο υποθέσεις παρέχουν μια πλήρη και ικανοποιητική εξήγηση για την εκτροπή. Η δεύτερη υπόθεση, παρά την απίθανη φαινομενική της, πρέπει να θεωρηθεί πλήρως αποδεδειγμένη, πρώτον, από το αξιόλογο πείραμα του Fizeau και, δεύτερον, από τη δική μας έρευνα. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι η πειραματική επαλήθευση της πρώτης υπόθεσης.

Εάν η Γη ήταν ένα διαφανές σώμα, τότε, λαμβάνοντας υπόψη τα πειράματα που μόλις αναφέρθηκαν, θα ήταν πιθανώς δυνατό να υποθέσουμε ότι ο διαμοριακός αιθέρας βρίσκεται σε ηρεμία στο διάστημα, παρά την κίνηση της Γης σε τροχιά. αλλά δεν έχουμε δικαίωμα να επεκτείνουμε τα συμπεράσματα από αυτά τα πειράματα σε αδιαφανή σώματα. Ωστόσο, δεν μπορεί να υπάρξει αμφιβολία ότι ο αιθέρας μπορεί και περνά μέσα από μέταλλα. Ο Lorenz αναφέρει τον σωλήνα ενός υδραργύρου μανόμετρου ως παράδειγμα. Όταν ο σωλήνας έχει κλίση, ο αιθέρας στο χώρο πάνω από τον υδράργυρο θα ωθηθεί σίγουρα από εκεί, αφού δεν είναι συμπιέσιμος. Αλλά και πάλι, δεν έχουμε δικαίωμα να υποθέσουμε ότι βγαίνει ελεύθερα, και αν υπήρχε κάποια αντίσταση, όσο μικρή κι αν ήταν, δεν θα μπορούσαμε φυσικά να πιστέψουμε ότι ένα αδιαφανές σώμα, όπως η Γη συνολικά, παρέχει ελεύθερη διέλευση του αιθέρα μέσα από όλη αυτή τη μάζα. Αλλά, όπως εύστοχα παρατηρεί ο Lorenz, «όσο και αν είναι, κατά τη γνώμη μου, και σε αυτό το θέμα, είναι καλύτερο να μην επιτρέψετε στον εαυτό σας να καθοδηγείται από σκέψεις που βασίζονται στην αληθοφάνεια ή την απλότητα αυτής ή της άλλης υπόθεσης, αλλά να στραφούν στην εμπειρία για να μάθουν να αναγνωρίζουν την κατάσταση ηρεμίας ή κίνησης στην οποία ο αιθέρας βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης.

Τον Απρίλιο του 1881, προτάθηκε και δοκιμάστηκε μια μέθοδος για την επίλυση αυτού του προβλήματος.

Κατά την εξαγωγή του τύπου για τη μετρούμενη ποσότητα, τότε αγνοήθηκε η επίδραση της κίνησης της Γης μέσω του αιθέρα στη διαδρομή της δέσμης κάθετα σε αυτή την κίνηση. Η συζήτηση αυτής της παράλειψης και ολόκληρου του πειράματος είναι το αντικείμενο μιας πολύ βαθιάς ανάλυσης από τον G. A. Lorentz, ο οποίος ανακάλυψε ότι αυτό το αποτέλεσμα δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να παραμεληθεί. Κατά συνέπεια, στην πραγματικότητα η προς μέτρηση ποσότητα είναι μόνο η μισή της υποτιθέμενης τιμής και, καθώς η τελευταία ήταν ήδη μετά βίας πέρα ​​από το σφάλμα του πειράματος, τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τα αποτελέσματα του πειράματος θα μπορούσαν κάλλιστα να αμφισβητηθούν. Ωστόσο, δεδομένου ότι το κύριο μέρος της θεωρίας δεν υπόκειται σε αμφιβολία, αποφασίστηκε να επαναληφθεί το πείραμα με τέτοιες αλλαγές που θα έδιναν σιγουριά ότι το θεωρητικό αποτέλεσμα είναι αρκετά μεγάλο ώστε να μην κρύβεται από πειραματικά λάθη.

«Ακόμη και ο Fresnel, στην επιστολή που αναφέρθηκε παραπάνω, στην οποία εισήχθη η έννοια του συντελεστή οπισθέλκουσας, έδειξε ότι η αποδοχή της τιμής κ = (n² – 1)/ nΤο ² καθιστά δυνατή την εξήγηση της έλλειψης επιρροής της κίνησης της Γης σε ορισμένα οπτικά φαινόμενα, ακόμα κι αν αναγνωρίσουμε την ακινησία του αιθέρα, δηλ. αρνούνται ρητά να επεκτείνουν την αρχή της σχετικότητας στην ηλεκτροδυναμική. Στη συνέχεια, το ζήτημα του συντελεστή συμπαρασυρμού γίνεται το κεντρικό σημείο της θεωρίας. Αναγνωρίζοντας τις αρχικές προϋποθέσεις του Fresnel (διαφορετική πυκνότητα αιθέρα σε διαφορετικά σώματα με την ίδια ελαστικότητα) ως ανεπαρκώς τεκμηριωμένες, οι επόμενοι ερευνητές προσπάθησαν να δώσουν μια δυναμική ερμηνεία του φαινομένου οπισθέλκουσας με βάση άλλα μοντέλα.

Ο Stokes σημείωσε ότι ο συντελεστής Fresnel μπορεί να ληφθεί εάν υποθέσουμε ότι όλος ο αιθέρας κινείται μέσα στο σώμα και ο αιθέρας που εισέρχεται στη Γη ή ένα άλλο σώμα μπροστά συμπιέζεται αμέσως και ο αιθέρας που αφήνει πίσω του το σώμα εκφορτίζεται.

Από αυτό γίνεται σαφές ότι ο Michelson και ο Morley δοκίμασαν στην πραγματικότητα ακριβώς αυτή την ιδέα του Stokes, την οποία προτιμούσε επίσης ο Lorentz. Σύμφωνα με το μοντέλο Fresnel, ο αιθέρας δεν προκαλεί άνεμο: τα φυσικά σώματα δημιουργούν ανομοιογένεια στην πυκνότητα του αιθέρα, που κινούνται γύρω από τον Ήλιο με την τροχιακή ταχύτητα της Γης, αλλά ο ίδιος ο αιθέρας βρίσκεται σε ηρεμία. Η Φρανκφούρτη και ο Φρενκ σωστά παρατήρησαν ότι αν το αποδεχτούμε αυτό σημαίνει «ρητώς άρνηση να επεκτείνουμε την αρχή της σχετικότητας στην ηλεκτροδυναμική». Εν τω μεταξύ, τη στιγμή που συζητήθηκε αυτό το οξύ πρόβλημα, η συνολική αρχή της σχετικότητας είχε ήδη διακηρυχτεί από τον Mach. Όσοι συμφώνησαν μαζί του μεταπήδησαν αυτόματα στις θέσεις των Στόουκς και Λόρεντς, οι οποίοι σε καμία περίπτωση δεν τήρησαν μια νέα αντίληψη.

Σύμφωνα με τις παλιές ιδέες, η Γη, όταν κινείται γύρω από τον Ήλιο, πρέπει να φυσιέται από το αιθέριο μέσο, ​​όπως μια ιπτάμενη μπάλα φυσιέται από τον αέρα. Ανεξάρτητα από το πόσο εκφορτισμένος είναι ο αιθέρας, ως αποτέλεσμα της τριβής, η Γη και άλλοι πλανήτες αργά ή γρήγορα θα πρέπει να πέσουν στον Ήλιο. Ωστόσο, οι αστρονόμοι δεν παρατήρησαν καμία επιβράδυνση στην κίνησή τους: κάθε επόμενο έτος είναι ακριβώς ίσο με το προηγούμενο. Το θέμα επιδεινώθηκε από το γεγονός ότι οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι το φως είναι μια ταλάντωση ενός ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου που κατευθύνεται κάθετα στη δέσμη διάδοσης. Διαπιστώθηκε ότι τέτοια εγκάρσιοςδιακυμάνσεις είναι δυνατές μόνο σε απολύτως συμπαγήςσώμα. Άρα οι πλανήτες και όλα τα άλλα σώματα κινούνται σε ένα συμπαγές σώμα; Παράλογος!

Την εποχή του Michelson, δεν υπήρχαν αντικείμενα που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως πρότυπο για αυτό το είδος κίνησης. Σήμερα, η γνώση για τον κόσμο έχει επεκταθεί σημαντικά. Κατά τη μελέτη της φυσικής των ημιαγωγών, ανακαλύφθηκαν μηχανισμοί που καθιστούν δυνατή την προσομοίωση της κατάστασης που περιγράφεται παραπάνω. Για παράδειγμα, σε χαμηλές θερμοκρασίες στο γερμάνιο, το λεγόμενο εξιτόν. Αυτά τα οιονεί σωματίδιακινούνται στον ημιαγωγό χωρίς να μεταφέρουν την ουσία του ημιαγωγού.

Έτσι, σχηματίζονται ενεργειακές διεγέρσεις σε ένα στερεό σώμα, οι οποίες είναι παρόμοιες με τα άτομα υδρογόνου και περιγράφονται από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά: την ακτίνα Bohr της τροχιάς, την ορμή, τη μάζα κ.λπ. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί κανείς να αποκτήσει biexcitons- ανάλογο ηλίου, τριεξιτονών- ανάλογο λιθίου. Οι φυσικοί ανακάλυψαν υγρό εξιτονίου, που πρόκειται να σταγόνες; τα σταγονίδια μπορούν να εξατμιστούν. Εν ολίγοις, φυσική στερεάς κατάστασηςπου ασχολούνται με τη μηχανική υπερουσίες, που είναι χτισμένο πάνω σε συνηθισμένη ύλη.

Ωστόσο, ακόμη και την εποχή του Michelson, πολλοί εποικοδομητικά σκεπτόμενοι φυσικοί πίστευαν ότι τα άτομα και τα μόρια της συνηθισμένης ύλης σχηματίστηκαν από δίνες ή κάποιες πιο σύνθετες διεγέρσεις του αιθέριου μέσου. Για παράδειγμα, ο J.J. Thomson προσπάθησε να μοντελοποιήσει το ηλεκτρόνιο και το άτομο χρησιμοποιώντας δίνες και σωλήνες Faraday (βλ. παρακάτω). Ύλη και αιθέρας , ηλεκτρική ενέργεια και ύλη, και επίσης χρήσιμο για ανάγνωση). Φυσικοί σαν αυτόν κατάλαβαν πολύ καλά ότι κανένας «αιθερικός άνεμος» δεν μπορούσε να καταγραφεί. Η γη και τα πάντα πάνω της (συμπεριλαμβανομένου του συμβολόμετρου Michelson) πετούν στον ανοιχτό χώρο, ακριβώς όπως ένα κύμα γλιστρά πάνω από την επιφάνεια του ωκεανού.

Είναι δύσκολο να πούμε γιατί το πείραμα Michelson-Morley έκανε τόσο ισχυρή εντύπωση στους σχετικιστές. Άλλωστε, ακόμη και ο Mascar, μετά από μια μεγάλη σειρά πειραμάτων το 1869 - 1874. κατέληξε: «Τα φαινόμενα ανάκλασης φωτός, περίθλασης, διπλής διάθλασης και περιστροφής του επιπέδου πόλωσης δεν είναι εξίσου ικανά να αποκαλύψουν τη μεταφορική κίνηση της Γης όταν χρησιμοποιούμε το φως του Ήλιου ή μια γήινη πηγή». Το ερώτημα είναι, γιατί να περιμένει κανείς κάτι εξαιρετικό από το μοτίβο παρεμβολών που ελήφθη στη ρύθμιση Michelson; Η Φρανκφούρτη και ο Φρανκ υπενθυμίζουν ότι εκτός από τον προαναφερθέντα Μίλερ, ο οποίος πέτυχε θετικό αποτέλεσμα, παρόμοια πειράματα διεξήχθησαν από τους Rayleigh (1902) και Bres (1905), οι οποίοι επιβεβαίωσαν το ήδη αρνητικό αποτέλεσμα του Michelson. Είναι σαφές ότι η ασυμφωνία στην ερμηνεία των πειραμάτων, ο βαθμός παρανόησης και δυσπιστίας των εμπειρικών αποτελεσμάτων εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις κοσμοθεωρητικές θέσεις του φυσικού.

Μπορούμε να μιλήσουμε για τις διαφορές στην γνωσιολογική προσέγγιση των φορμαλιστών-φαινομεναλιστών και των ορθολογιστών-κονστρουκτιβιστών για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά τώρα είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι η κοσμοθεωρία του Lorenz έλκεται προς το πρώτο, και του J. J. Thomson προς το δεύτερο. Στη θεωρία των ηλεκτρονίων του, ο Lorentz, σε αντίθεση με τον J. J. Thomson, αντιπροσώπευε το ηλεκτρόνιο ως ένα μαθηματικό σημείο και δεν μπερδεύτηκε με την εσωτερική του δομή. Πίστευε επίσης ότι τα άτομα της ύλης υπάρχουν από μόνα τους, και το αιθέριο μέσο - από μόνο του. Η σκέψη του διαποτίζεται από αφηρημένους συμβολισμούς και λίγος χώρος δόθηκε σε οπτικές αναπαραστάσεις. Πίσω από μεγάλους μαθηματικούς υπολογισμούς, χάθηκε η φυσική του φαινομένου.

Το πείραμα του Hippolyte Louis Fizeau (1819 - 1896), που πραγματοποιήθηκε το 1851 και επαναλήφθηκε από τον Michelson το 1886, αφορούσε τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός σε ένα κινούμενο μέσο. Το απλοποιημένο σχήμα του πειράματος είναι όπως φαίνεται στο Σχ. 16 παρμένο από το βιβλίο.

Σύκο. δεκαέξι.φως από την πηγή μεγάλο, που χωρίζεται σε δύο δοκούς, διέρχεται από έναν σωλήνα μέσω του οποίου το νερό ρέει με ταχύτητα u. Λόγω της διαφοράς της διαδρομής των ακτίνων στο σημείο ΕΝΑΕμφανίζονται κρόσσια παρεμβολής, τα οποία μπορούν να μετατοπιστούν εάν αλλάξει η κατεύθυνση της ταχύτητας u. Θεωρητικά, η ταχύτητα που προκύπτει θα πρέπει να βρεθεί σύμφωνα με τον βασικό τύπο για την προσθήκη δύο ταχυτήτων: V = c" ± u, που c" = c/n- την ταχύτητα του φωτός σε ένα μέσο με δείκτη διάθλασης n. Ωστόσο, το πείραμα έδειξε ότι αυτός ο τύπος δεν είναι κατάλληλος για υπολογισμό V.

Θυμηθείτε ότι εάν η ταχύτητα του φωτός στο κενό συμβολίζεται με ντο, στη συνέχεια σε ένα μέσο με δείκτη διάθλασης nθα μειωθεί: c" = c/n. Στον αέρα, όπως και στο κενό, είναι ίσο με γ" = γ\u003d 300.000 km / s, αφού για τον αέρα ο δείκτης διάθλασης nκοντά στην ενότητα? για το νερό n= 1,33 και ντο"= 225.000 km/s, και για διαμάντι n= 2,42 και ντο"= 124.000 km/s. Αποδεικνύεται ότι όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, ​​τόσο μικρότερη είναι η ταχύτητα του φωτός (η πυκνότητα του διαμαντιού είναι 3,5 φορές μεγαλύτερη από το νερό). Στην ακουστική, γενικά, παρατηρείται αντίστροφη σχέση. Εάν ο ήχος διαδίδεται στον αέρα με ταχύτητα 331 m/s, τότε στο νερό - 1482 m/s και στον χάλυβα 6000 m/s. Ωστόσο, η εξάρτηση της ταχύτητας του ακουστικού κύματος από την πυκνότητα του μέσου δεν είναι τόσο σαφής και εξαρτάται από δομή της ύλης(βλέπε πίνακα 3 Εισαγωγή στην ακουστική).

Ο Fizeau έδειξε ότι όταν το υδάτινο μέσο αρχίζει να κινείται, η ταχύτητα του φωτός σε αυτό βρίσκεται από τον "σχετικιστικό" τύπο για την προσθήκη δύο ταχυτήτων:

που u= 7 m/s, στα οποία δεν σχηματίζονται τυρβώδεις δίνες. Σε ένα τμήμα του σωλήνα, η ταχύτητα κίνησης του νερού uταιριάζει με την ταχύτητα ντο"και μετά εμφανίζεται στον τύπο, δεν ταιριάζει σε άλλη ενότητα και μετά τοποθετείται το "-".

Δεν υπήρχε όμως θέμα κάποιας «σχετικιστικής» ερμηνείας της τελευταίας φόρμουλας στα μέσα του 19ου αιώνα. Η ερμηνεία απέδωσε στην κατά προσέγγιση τιμή της, πίσω από την οποία κρυβόταν μια πιο περίπλοκη εξάρτηση της προκύπτουσας ταχύτητας. Vστο μήκος κύματος της φωτεινής ακτινοβολίας. Η έκφραση σε αγκύλες ονομάζεται συντελεστής συμπαρασύρσεως, την οποία συνήγαγε και εξήγησε ο Augustin Jean Fresnel (1788 - 1827) ήδη από το 1818, μετά από ένα πείραμα που πραγματοποίησε ο Dominique François Jean Arago (1786 -1853).

Ο Arago πειραματίστηκε με ένα κινούμενο γυάλινο πρίσμα, ενώ μέτρησε τη γωνία εκτροπής. Περίμενε ότι τα δύο γνωστά σε εμάς διανύσματα ταχύτητας θα προστίθεντο και θα αφαιρούνταν με τον συνηθισμένο τρόπο: V = c" ± u. Στη συνέχεια, σύμφωνα με τη λογική του πειράματος, η γωνία εκτροπής θα έπρεπε να έχει αλλάξει. Ωστόσο, με ακρίβεια ενός τόξου δευτερολέπτου, η τιμή α = 20,45 ", που βρέθηκε από τον J. Bradley, δεν άλλαξε.

Ο σκοπός του πειράματος θα μπορούσε να διατυπωθεί διαφορετικά και να λύσει το αντίστροφο πρόβλημα: πώς θα αλλάξει ο δείκτης διάθλασης ενός πρίσματος που βρίσκεται στη Γη που κινείται με ταχύτητα 30 km / s εάν το φως από ένα σταθερό αστέρι περάσει μέσα από το πρίσμα. Τότε το αρνητικό συμπέρασμα από αυτή τη διατύπωση του προβλήματος μοιάζει με αυτό: ο δείκτης διάθλασης του πρίσματος δεν αλλάζει.

Ο Fresnel αποδέχτηκε ότι τα ελαφρά κύματα μεταφέρουν γεωγραφικού μήκουςχαρακτήρας, όπως τα ακουστικά κύματα ( εγκάρσιοςη φύση των κυμάτων φωτός καθιερώθηκε από αυτόν το 1821). Η ταχύτητα του ήχου σε μια συγκεκριμένη ουσία, όπως ήδη γνωρίζουμε ( Εισαγωγή στην ακουστική) εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού. Μια περίσσεια πυκνότητας προκύπτει ως αποτέλεσμα διαφόρων διεγέρσεων του μέσου, για παράδειγμα, δίνες αέρα και νερού. Εάν τα ακουστικά κύματα διέρχονται από ένα κινούμενο με ταχύτητα uδίνη, τότε η ηχητική τους ταχύτητα μέσα στη δίνη θα αντιδράσει στην υπερβολική πυκνότητα σύμφωνα με τον «σχετικιστικό» τύπο. Φαίνεται ότι όλος ο αέρας που περιέχεται σε αυτό περιστρέφεται σε ανεμοστρόβιλο και μεταφέρεται μαζί με τον ανεμοστρόβιλο. Αν ναι, τότε η ταχύτητα που θα προέκυπτε θα καθοριζόταν από τον "κλασικό" τύπο για την προσθήκη ταχυτήτων, αλλά αυτό δεν συνέβη. Σε υψηλό τυπικό-θεωρητικό επίπεδο, ο Fresnel κατάφερε να κάνει έναν παραλληλισμό μεταξύ οπτικών και ακουστικών φαινομένων. Έδειξε ότι μόνο η περίσσεια της πυκνότητας του αιθέρα στα υλικά σώματα υποβάλλεται σε συμπαρασυρμό σε σύγκριση με την πυκνότητα αιθέρα στο εξωτερικό διάστημα.

Η κυματική θεωρία του Fresnel, η οποία εξηγεί μια ολόκληρη σειρά οπτικών προβλημάτων, συμπεριλαμβανομένης της περίθλασης και της πόλωσης, βασίλεψε γαλήνια κατά τη διάρκεια της ζωής του και στη συνέχεια για σχεδόν δύο δεκαετίες μετά τον θάνατό του. γαλλικό σχολείοΟι οπτικοί, πρωτίστως στο πρόσωπο των Arago, Fresnel, Foucault και Fizeau, κυριάρχησαν ξεκάθαρα στον κόσμο. Οι Βρετανοί, οι αιώνιοι αντίπαλοι των Γάλλων, έβλεπαν με φθόνο τις επιτυχίες των αντιπάλων τους, όχι μόνο στον επιστημονικό τομέα, αλλά και στον πολιτιστικό, πολιτικό και στρατιωτικό.

Συντελεστής που προέρχεται από Fresnel μερικόςπαρασύρει, που λειτουργεί με δύο χαρακτηριστικά του αιθέρα, τα οποία καθορίζουν την ταχύτητα του φωτός. Είναι δικό του ελαστικότητα, το οποίο παρέμεινε αμετάβλητο για τα κινούμενα μέσα και η μεταβλητή του πυκνότητα. Ο Άγγλος George Gabriel Stokes (1891-1903) πρότεινε για πρώτη φορά την ιδέα στα μέσα της δεκαετίας του 1840 πλήρηςπαρασύρει τον αιθέρα με κινούμενα αντικείμενα όπως, για παράδειγμα, ο πλανήτης μας. Ταυτόχρονα, βασίστηκε στο τρίτο μηχανικό χαρακτηριστικό του αιθέρα - ιξώδες. Το 1849, δημοσίευσε το θεμελιώδες έργο του «On the Theory of Internal Triction in Moving Fluids and on the Equilibrium and Motion of Elastic Solids», στο οποίο απέκτησε την περίφημη διαφορική εξίσωση για την περιγραφή της κίνησης παχύρρευστα υγρά.

Ο Στόουκς πίστευε ότι ολόκληρη η Γη φέρει τον αιθέρα όχι μόνο μέσα στον όγκο της, αλλά και πολύ πέρα ​​από την επιφάνειά της. Το πόσο ψηλά εκτείνεται το στρώμα αιθέρα που μεταφέρει ο πλανήτης είναι άγνωστο. Ο Μίλερ, προσπαθώντας να μετρήσει την ταχύτητα του αιθέριου ανέμου, προσπάθησε να ανέβει όσο πιο ψηλά γινόταν μαζί με το συμβολόμετρο: ίσως ο άνεμος φυσούσε ψηλά στα βουνά ή στο υψόμετρο του αερόπλοιου. Το πείραμα Fizeau του 1851 ήταν καλό ακριβώς επειδή απέδειξε πειστικά την ασυνέπεια της θεωρίας του Stokes και την εγκυρότητα της θεωρίας του Fresnel.

Το 1868, ο γνωστός Άγγλος, Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (1831-1879), έκανε ο ίδιος ένα πείραμα παρόμοιο με αυτό του Φιζό. Ωστόσο, ως αποτέλεσμα πειραματισμού, αναγκάστηκε να αναγνωρίσει τη νίκη για τη θεωρία του Fresnel. Δεδομένου ότι το πείραμα του Fizeau αφορούσε ένα φαινόμενο πρώτης τάξης στο β, ο Maxwell πρότεινε ότι το αποτέλεσμα στο β² μπορεί να γίνει αισθητό στο μέλλον, όταν οι φυσικοί μάθουν πώς να μετρούν τόσο μικρές ποσότητες.

Ένα μεταγενέστερο πείραμα από τον Άγγλο George Biddell Airy (1801–1892) το 1871, μέτρησης της αστρικής εκτροπής όταν το δούμε μέσα από ένα τηλεσκόπιο γεμάτο με νερό, επιβεβαίωσε επίσης την άποψη του Fresnel. Τέλος, το πείραμα του 1886, που διεξήχθη από τους Michelson και Morley, σύμφωνα με το σχήμα κοντά στην πειραματική διάταξη του Fizeau το 1851, απέδειξε για άλλη μια φορά την ορθότητα της θεωρίας της μερικής έλξης του αιθέρα. Δείτε πώς μίλησε ο Michelson στο επετειακό συνέδριο του 1927:

«Το 1880, σκέφτηκα τη δυνατότητα να μετρήσω οπτικά την ταχύτητα vη κίνηση της γης στο ηλιακό σύστημα. Οι πρώτες προσπάθειες ανίχνευσης εφέ πρώτης τάξης βασίστηκαν στην ιδέα ενός συστήματος που κινείται μέσω ενός ακίνητου αιθέρα. Τα εφέ πρώτης τάξης είναι αναλογικά v/c, που ντοείναι η ταχύτητα του φωτός. Με βάση την ιδέα του αγαπημένου παλιού αιθέρα (που τώρα έχει εγκαταλειφθεί, αν και προσωπικά εξακολουθώ να εμμένω σε αυτήν), αναμενόταν μια πιθανότητα, δηλαδή ότι η εκτροπή του φωτός θα έπρεπε να είναι διαφορετική για τηλεσκόπια γεμάτα με αέρα ή νερό. Ωστόσο, τα πειράματα έχουν δείξει, σε αντίθεση με την υπάρχουσα θεωρία, ότι δεν υπάρχει τέτοια διαφορά.

Η θεωρία του Fresnel ήταν η πρώτη που εξήγησε αυτό το αποτέλεσμα. Ο Fresnel πρότεινε ότι η ουσία αιχμαλωτίζει τον αιθέρα, εν μέρει (παραγωγή του αιθέρα), δίνοντάς του ταχύτητα v, Έτσι v" = kv. Αυτός αποφάσισε κ- Συντελεστής Fresnel μέσω του δείκτη διάθλασης n: κ = (n² – 1)/ n². Αυτός ο συντελεστής προκύπτει εύκολα από το αρνητικό αποτέλεσμα του παρακάτω πειράματος.

Δύο δέσμες φωτός περνούν κατά μήκος της ίδιας διαδρομής (0,1,2,3,4,5) σε αντίθετες κατευθύνσεις και δημιουργούν ένα σχέδιο παρεμβολής. Είμαι ένας σωλήνας γεμάτος με νερό. Αν τώρα όλο το σύστημα κινείται με ταχύτητα vμέσω του αιθέρα, κατά τη μετακίνηση του σωλήνα από τη θέση I στη θέση II, θα πρέπει να αναμένεται μια μετατόπιση των κροσσών παρεμβολής. Δεν παρατηρήθηκε μετατόπιση. Από αυτό το πείραμα, λαμβάνοντας υπόψη τη μερική αντίσταση του αιθέρα, μπορεί να προσδιοριστεί ο συντελεστής Fresnel κ. Μπορεί επίσης να προέρχεται πολύ απλά και άμεσα από μετασχηματισμούς Lorentz.

Το αποτέλεσμα που προέκυψε από τον Fresnel αναγνωρίστηκε από όλους τους ερευνητές ως καθολικό. Ο Maxwell επεσήμανε ότι εάν δεν βρεθεί το αναμενόμενο αποτέλεσμα πρώτης τάξης, τότε ίσως υπάρχουν αποτελέσματα δεύτερης τάξης ανάλογα με v²/ ντο². Στη συνέχεια στο v= 30 km/s για την τροχιακή κίνηση της Γης v/c= 10 –4 έχουμε v²/ ντο² \u003d 10 -8. Αυτή η τιμή, σύμφωνα με τον Maxwell, είναι πολύ μικρή για να μετρηθεί.

Μου φάνηκε, ωστόσο, ότι με τη χρήση φωτεινών κυμάτων θα μπορούσε κανείς να επινοήσει μια κατάλληλη συσκευή για τη μέτρηση ενός τέτοιου εφέ δεύτερης τάξης. Βρήκα μια συσκευή που περιλάμβανε καθρέφτες που κινούνταν με ταχύτητα vμέσω του αιθέρα. Σε αυτή τη συσκευή διαδίδονται δύο δέσμες φωτός. Το πρώτο πηγαίνει πέρα ​​δώθε παράλληλα με το διάνυσμα v, το δεύτερο περνάει κάθετα προς το διάνυσμα της ταχύτητας v. Συμφωνώς προς κλασική θεωρίααλλαγές στη διαδρομή του φωτός που προκαλούνται από την ταχύτητα v, πρέπει να είναι διαφορετική για τη διαμήκη και την εγκάρσια δοκό. Αυτό θα πρέπει να προκαλέσει μια αισθητή μετατόπιση στα κρόσσια παρεμβολής. …

Όταν η συσκευή κινείται με ταχύτητα vμέσω του αιθέρα θα πρέπει να υπάρχει το ίδιο αποτέλεσμα στο φως όπως και με κίνηση του σκάφους, που επιπλέει πάνω και κάτω στο ποτάμι, καθώς και πέρα ​​δώθε κατά μήκος του ρέματος. Ο χρόνος που απαιτείται για την κάλυψη της απόστασης προς τα εμπρός και προς τα πίσω θα είναι διαφορετικός και για τις δύο περιπτώσεις. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό από την ακόλουθη θεώρηση. Όποια και αν είναι η ταχύτητα του ρεύματος του ποταμού, το σκάφος θα πρέπει πάντα να επιστρέφει στο μέρος από το οποίο ξεκίνησε, αν μόνο κινείται πέρα από το ρέμαποτάμια. Αν το σκάφος κινείται κατά μήκος του ρέματος, τότε μπορεί να μην φτάσει πλέον στο σημείο από όπου ξεκίνησε όταν κολυμπά αντίθετα στο ρεύμα.

Προσπάθησα να πραγματοποιήσω ένα πείραμα στο εργαστήριο Helmholtz στο Βερολίνο, αλλά οι δονήσεις των αυτοκινητοδρόμων της πόλης δεν επέτρεψαν να σταθεροποιηθεί η θέση των κροσσών παρεμβολής. Ο εξοπλισμός μεταφέρθηκε στο εργαστήριο στο Πότσνταμ. Ξέχασα το όνομα του σκηνοθέτη (νομίζω ότι ήταν ο Βόγκελ), αλλά θυμάμαι με ευχαρίστηση ότι έδειξε αμέσως ενδιαφέρον για το πείραμά μου. Και παρόλο που δεν με είχε ξαναδεί, έθεσε στη διάθεσή μου ολόκληρο το εργαστήριο μαζί με το προσωπικό του. Στο Πότσνταμ, πήρα μηδενικό αποτέλεσμα. Η ακρίβεια δεν ήταν πολύ καλή γιατί το μήκος της οπτικής διαδρομής ήταν περίπου 1 μ. Ωστόσο, είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι το αποτέλεσμα ήταν αρκετά καλό.

Όταν επέστρεψα στην Αμερική, είχα την τύχη να συνεργαστώ με τον καθηγητή Morley στο Κλίβελαντ. Στη συσκευή εφαρμόστηκε η ίδια αρχή όπως και στη συσκευή που χρησιμοποιήθηκε στο Βερολίνο. Είναι αλήθεια ότι το μήκος της φωτεινής διαδρομής αυξήθηκε εισάγοντας έναν αριθμό αντανακλάσεων αντί για ένα μόνο πέρασμα της δέσμης. Μάλιστα το μήκος του μονοπατιού ήταν 10 - 11 m, το οποίο λόγω της τροχιακής κίνησης της Γης μέσω του αιθέρα, θα έπρεπε να έχει δώσει μια μετατόπιση στη μισή ζώνη. Ωστόσο, η αναμενόμενη αλλαγή δεν μπόρεσε να βρεθεί. Η μετατόπιση του περιθωρίου έχει προσδιοριστεί ότι είναι μικρότερη από το 1/20 ή ακόμα και το 1/40 αυτού που προβλέπει η θεωρία. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να ερμηνευτεί με τέτοιο τρόπο ώστε η Γη να συλλαμβάνει τον αιθέρα σχεδόν πλήρως, έτσι ώστε η σχετική ταχύτητα του αιθέρα και της Γης στην επιφάνειά της να είναι μηδενική ή πολύ μικρή.

Αυτή η υπόθεση, ωστόσο, είναι πολύ αμφίβολη γιατί έρχεται σε αντίθεση με μια άλλη σημαντική θεωρητική προϋπόθεση. Ο Λόρεντς έδωσε μια άλλη εξήγηση ( Συστολή Lorentz), την οποία συνήγαγε στην τελική μορφή ως αποτέλεσμα του γνωστού Μεταμορφώσεις Lorentz. Είναι η ουσία του συνόλου Θεωρία της σχετικότητας» .

Σε αυτό το κομμάτι, ο Michelson αντανακλούσε τα κύρια ορόσημα στον σχηματισμό ειδική σχετικότητα. Όπως μπορούμε να δούμε, η ανακρίβεια του πειράματος για την ανίχνευση του αιθέριου ανέμου προκύπτει από δύο εσφαλμένες υποθέσεις. Πρώτα απ 'όλα, ο συγγραφέας του πειράματος πίστευε λανθασμένα ότι το υλικό του παγκόσμιου περιβάλλοντος και το υλικό από το οποίο είναι «φτιαγμένη» η Γη είναι διαφορετικά. Γι' αυτό πρέπει να παρατηρείται ένας αιθέριος άνεμος στην επιφάνεια του πλανήτη όταν αυτός περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο. Το δεύτερο σφάλμα προήλθε από μια εσφαλμένη αναλογία μεταξύ της κίνησης των σκαφών σε ένα ποτάμι και της διαδρομής των ακτίνων σε ένα συμβολόμετρο, όπως συζητήθηκε στο τέλος της προηγούμενης υποενότητας.

Η θεωρία του Augustin Jean Fresnel (1788 - 1827), που δημιουργήθηκε μετά την επιτυχή ερμηνεία του πειράματος του Arago το 1810 για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός σε έναν κινούμενο φακό, χρησιμοποιώντας την έννοια μερική εισαγωγή αιθέραεξήγησε το αμετάβλητο του σχεδίου παρεμβολής και στο πείραμα του Fizeau. Με τον ίδιο τρόπο, ήταν απαραίτητο να βρεθεί ένας συγκεκριμένος λόγος για το αμετάβλητο του σχεδίου παρεμβολής στο πείραμα Michelson-Morley. Ο Lorentz, ο οποίος συνεργάστηκε στενά με τον Michelson, πρότεινε μια μείωση στις γραμμικές διαστάσεις των φυσικών σωμάτων προς την κατεύθυνση του διανύσματος v, που όπως του φάνηκε προέκυψε από τις μεταμορφώσεις που βρήκε. Ωστόσο, αυτοί οι περιττοί μετασχηματισμοί είχαν φυσικό νόημα, ειδικά στην ερμηνεία της εκδοχής του Αϊνστάιν για τη θεωρία της σχετικότητας.

Ο αληθινός λόγος για το αρνητικό αποτέλεσμα βρίσκεται αλλού και το νόημά του είναι το εξής. Εάν η πηγή κύματος βρίσκεται στην ίδια κινούμενη πλατφόρμα με τον δέκτη, τότε λόγω αποζημίωσητο μήκος κύματος, η συχνότητα και η περίοδος ταλάντωσης θα παραμείνουν ίδια όπως σε μια ακίνητη πλατφόρμα. Μπορείτε να περιστρέψετε αυτήν την πλατφόρμα σε οποιαδήποτε γωνία σε σχέση με το διάνυσμα μετατόπισής της - παρόλα αυτά, το σχέδιο παρεμβολής θα παραμείνει αμετάβλητο, καθώς ο μηχανισμός αντιστάθμισης θα λειτουργήσει και σε αυτήν την περίπτωση. Αυτό το επιχείρημα έχει ήδη αναφερθεί, αλλά είναι τόσο σημαντικό που η περιττή υπενθύμισή του δεν βλάπτει, ειδικά για τους σχετικιστές.

Γενική άποψη του συμβολόμετρου σε προοπτική. Εικόνα από την αναφορά του A. Michelson βασισμένη στα αποτελέσματα των πειραμάτων του που έγιναν το 1881 Κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο και μέσω του αιθέρα. Σχέδιο της πειραματικής εγκατάστασης Εικονογράφηση πειραματικής εγκατάστασης

Τα πειράματα του Michelson- μια κατηγορία φυσικών πειραμάτων που διερευνούν την εξάρτηση της ταχύτητας διάδοσης του φωτός από την κατεύθυνση. Επί του παρόντος (2011), η ακρίβεια των πειραμάτων καθιστά δυνατή την εύρεση σχετικών αποκλίσεων της ισοτροπίας της ταχύτητας του φωτός σε μονάδες 10−16, αλλά δεν έχουν βρεθεί αποκλίσεις σε αυτό το επίπεδο. Τα πειράματα του Michelson αποτελούν την εμπειρική βάση της αρχής της αμετάβλητης ταχύτητας του φωτός, η οποία περιλαμβάνεται στη γενική θεωρία της σχετικότητας (GR) και στην ειδική θεωρία της σχετικότητας (SRT).

Θεωρία

Υπολογίστε τον συνολικό χρόνο t 1 (\displaystyle t_(1)) χρησιμοποιώντας το άθροισμα των χρόνων των δύο διαδρομών:

T 1 = L 1 c + v + L 1 c − v = (\displaystyle t_(1)=(\frac (L_(1))(c+v))+(\frac (L_(1))(cv ))=) 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)))))\περίπου (\frac (2L_(1))(c))\left(1+(\frac (v^(2))(c^(2)))\δεξιά))

Η προσέγγιση οφείλεται στο γεγονός ότι (v 2 / c 2) 1 (\displaystyle (v^(2)/c^(2))) όταν λαμβάνεται η ταχύτητα v (\displaystyle v), η οποία είναι ίδια με το έδαφος.

Ταχύτητα αιθέρα c = ∥ v + v 1 ∥ (\displaystyle c=\|\mathbf (v) +\mathbf (v_(1)) \|) , και v 1 = ∥ v 1 ∥ (\displaystyle v_(1) =\|\mathbf (v_(1)) \|) - ταχύτητα κύματος προς την κατεύθυνση του καθρέφτη.

C = ∥ v + v 1 ∥ = v 2 + v 1 2 (\displaystyle c=\|\mathbf (v) +\mathbf (v_(1)) \|=(\sqrt (v^(2)+v_ (1)^(2)))) ; προκύπτει ότι: 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)))))))

Λαμβάνοντας υπόψη τη συμμετρία, μπορούμε τώρα να υπολογίσουμε:

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))))))\περίπου (\frac (2L_(2))(c))\left( 1+(\frac (v^(2))(2c^(2)))\δεξιά))

Η διαφορά φάσης είναι ανάλογη με:

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))))))\δεξιά))

S = | δ + δ′ | (\displaystyle S=|\delta +\delta ^(")|) , όπου δ ′ (\displaystyle \delta ^(")) είναι ανάλογο της διαφοράς φάσης όταν περιστρέφεται κατά 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))))))\ δεξιά)+) 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)|\περίπου (L_(1)+L_ (2))(\frac (v^(2))(c^(2))))

Έχει αποδειχθεί ότι η θεωρία του αιθέρα υπονοεί μια διαφορά που μπορεί να ποσοτικοποιηθεί και να ανιχνευθεί με κατάλληλα μέσα (συμβολόμετρο Michelson-Morley).

Ιστορία

Ιστορικό

Κύριο άρθρο: Αιθέρας (φυσική)

Η θεωρία της διάδοσης του φωτός ως ταλαντώσεις ενός ειδικού μέσου - του φωτεινού αιθέρα - εμφανίστηκε τον 17ο αιώνα. Το 1727, ο Άγγλος αστρονόμος James Bradley εξήγησε την εκτροπή του φωτός με τη βοήθειά του. Θεωρήθηκε ότι ο αιθέρας ήταν ακίνητος, αλλά μετά τα πειράματα του Fizeau, προέκυψε η υπόθεση ότι ο αιθέρας ήταν εν μέρει ή πλήρως παρασυρόμενος στην πορεία της κίνησης της ύλης.

Το 1864, ο James Maxwell δημιούργησε ένα πείραμα για να προσδιορίσει την ταχύτητα της Γης σε σχέση με τον αιθέρα, αλλά αργότερα βρήκε ένα λάθος στους υπολογισμούς του και δεν δημοσίευσε τα αποτελέσματα. Λίγο πριν από το θάνατό του, το 1879, έγραψε ένα γράμμα σε έναν φίλο του για αυτό το θέμα, το οποίο δημοσιεύτηκε μετά θάνατον στο περιοδικό Nature. Το 1871-1872, ο Airy διεξήγαγε μια σειρά από ακριβή πειράματα με μια αστρονομική πηγή φωτός, καταλήγοντας από αυτά ότι η τροχιακή κίνηση της Γης συμπαρασύρει πλήρως τον αιθέρα.

Τα πειράματα του Michelson

Η προαναφερθείσα δημοσίευση της επιστολής του Μάξγουελ ενδιέφερε τον Αμερικανό φυσικό Άλμπερτ Μάικελσον. Γύρω στο 1880, εφηύρε ένα οπτικό όργανο εξαιρετικής ακρίβειας, το οποίο ονόμασε συμβολόμετρο. Ο σκοπός του πρώτου πειράματος (1881) ήταν να μετρήσει την εξάρτηση της ταχύτητας του φωτός από την κίνηση της Γης σε σχέση με τον αιθέρα. Το αποτέλεσμα του πρώτου πειράματος ήταν αρνητικό - οι μετατοπίσεις των ζωνών είναι εκτός φάσης με τις θεωρητικές και οι διακυμάνσεις αυτών των μετατοπίσεων είναι μόνο ελαφρώς μικρότερες από τις θεωρητικές. Το άρθρο σχετικά με τα αποτελέσματα του πειράματος προκάλεσε κριτική από τον κορυφαίο θεωρητικό φυσικό Χέντρικ Λόρεντς, ο οποίος επεσήμανε ότι η θεωρητική ακρίβεια του πειράματος ήταν υπερεκτιμημένη.

Αργότερα, το 1887, ο Michelson, μαζί με τον Morley, πραγματοποίησαν ένα παρόμοιο αλλά πολύ πιο ακριβές πείραμα, γνωστό ως Πείραμα Michelson-Morleyκαι δείχνοντας ότι η παρατηρούμενη μετατόπιση είναι σίγουρα μικρότερη από το 1/20 της θεωρητικής, και πιθανώς μικρότερη από το 1/40. Στη θεωρία του μη συμπαρασυρόμενου αιθέρα, η μετατόπιση πρέπει να είναι ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητας, επομένως τα αποτελέσματα είναι ισοδύναμα με το γεγονός ότι η σχετική ταχύτητα της Γης στον αιθέρα είναι μικρότερη από το 1/6 της τροχιακής της ταχύτητας και σίγουρα λιγότερο από το 1/4.

Υπό την επίδραση αυτών των αποτελεσμάτων, ο George Fitzgerald και ο Lorentz διατύπωσαν μια υπόθεση σχετικά με τη συστολή των υλικών σωμάτων προς την κατεύθυνση της κίνησης σε έναν ακίνητο και αδέσμευτο αιθέρα (1889).

Τα πειράματα του Μίλερ

Σύμφωνα με τον καθηγητή Dayton K. Miller (Caesian School of Applied Sciences):

Μπορεί να υποτεθεί ότι το πείραμα έδειξε μόνο ότι ο αιθέρας σε ένα συγκεκριμένο υπόγειο δωμάτιο μεταφέρεται μαζί του στη διαμήκη κατεύθυνση. Ως εκ τούτου, θα μετακινήσουμε τη συσκευή σε ένα λόφο για να δούμε αν το αποτέλεσμα βρίσκεται εκεί.[ απροσδιόριστη πηγή 1066 ημέρες]

Ο K. Miller και ο καθηγητής Morley σχεδίασαν ένα πιο ευαίσθητο συμβολόμετρο από αυτό που χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο πείραμα, με μήκος οπτικής διαδρομής 65,3 m, που ισοδυναμεί με περίπου 130 εκατομμύρια μήκη κύματος. Ο K. Miller αναμενόταν να δει μια μετατόπιση 1,1 ζωνών.

Το φθινόπωρο του 1905, οι Morley και Miller πραγματοποίησαν ένα πείραμα στα Ευκλείδεια Ύψη στο Κλίβελαντ, περίπου 90 μέτρα πάνω από τη λίμνη Έρι και περίπου 265 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Το 1905-1906. Έγιναν πέντε σειρές παρατηρήσεων, οι οποίες έδωσαν ένα ορισμένο θετικό αποτέλεσμα - περίπου το 1/10 της αναμενόμενης μετατόπισης.

Τον Μάρτιο του 1921, η μεθοδολογία και η συσκευή άλλαξαν κάπως και προέκυψε ένα αποτέλεσμα 10 km/s "αιθερικός άνεμος". Τα αποτελέσματα ελέγχθηκαν προσεκτικά για πιθανή εξάλειψη σφαλμάτων που σχετίζονται με τη μαγνητοσυστολή και τη θερμική ακτινοβολία. Η φορά περιστροφής της συσκευής δεν είχε καμία επίδραση στο αποτέλεσμα του πειράματος.

Μεταγενέστερες μελέτες των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν από τον D. Miller έδειξαν ότι οι διακυμάνσεις που παρατηρήθηκαν από αυτόν και ερμηνεύτηκαν ως η παρουσία ενός «αιθερικού ανέμου» είναι αποτέλεσμα στατιστικών σφαλμάτων και παραμέλησης των επιδράσεων της θερμοκρασίας.

Τα πειράματα του Κένεντι

Ο Δρ Roy Kennedy (Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια), μετά τη δημοσίευση των αποτελεσμάτων του πειράματος Morley-Miller, τροποποιεί το πείραμα με σκοπό την επαλήθευση. Το συμβολόμετρο τοποθετείται σε σφραγισμένη μεταλλική θήκη γεμάτη με ήλιο σε πίεση 1 atm. Χρησιμοποιώντας μια συσκευή ικανή να διακρίνει πολύ μικρές μετατοπίσεις στο σχέδιο παρεμβολής, κατέστη δυνατή η μείωση του μεγέθους των βραχιόνων στα 4 μ. Χρησιμοποιήθηκε πολωμένο φως για να εξαλειφθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η διασπορά του φωτός στους καθρέφτες. Η ακρίβεια του πειράματος αντιστοιχούσε στη μετατόπιση των ζωνών κατά 2·10−3 του πλάτους τους. Σε αυτή τη συσκευή, τα 10 km/s του Miller θα έδιναν μια μετατόπιση που αντιστοιχεί σε 8 x 10 −3 πράσινα μήκη κύματος, τέσσερις φορές τη μικρότερη ανιχνεύσιμη τιμή. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Norman Bridge, σε ένα δωμάτιο με σταθερή θερμοκρασία, σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Για να ελεγχθεί η εξάρτηση της ταχύτητας του αιθέριου ανέμου από το ύψος του εδάφους, πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα στο όρος Wilson, στο κτίριο του παρατηρητηρίου. Το φαινόμενο αποδείχθηκε ότι δεν ξεπερνά το 1 km/s για τον αιθέριο άνεμο.

Τώρα θα ήθελα να κάνω μερικές παρατηρήσεις για το πείραμα του Μίλερ. Πιστεύω ότι υπάρχει ένα σοβαρό πρόβλημα που σχετίζεται με το εφέ, το οποίο είναι περιοδικό για μια πλήρη περιστροφή της συσκευής, και προεξοφλήθηκε από τον Miller, ο οποίος τονίζει τη σημασία του φαινομένου μισού κύκλου, δηλ. επανάληψη κατά τη διάρκεια μιας μισής στροφής τη συσκευή, και σχετικά με το ζήτημα του αιθέριου ανέμου. Σε πολλές περιπτώσεις, το φαινόμενο πλήρους κύκλου είναι πολύ μεγαλύτερο από το φαινόμενο μισού κύκλου. Σύμφωνα με τον Miller, το αποτέλεσμα της συνολικής περιόδου εξαρτάται από το πλάτος των ζωνών και θα είναι μηδέν για απεριόριστα ευρείες ζώνες.

Αν και ο Miller ισχυρίζεται ότι κατάφερε να εξαλείψει αυτό το φαινόμενο σε μεγάλο βαθμό στις μετρήσεις του στο Κλίβελαντ, και αυτό μπορεί να εξηγηθεί εύκολα στο πείραμα, θα ήθελα να καταλάβω τους λόγους για αυτό πιο ξεκάθαρα. Μιλώντας αυτή τη στιγμή ως σχετικός, πρέπει να πω ότι τέτοιο αποτέλεσμα δεν υπάρχει καθόλου. Πράγματι, η περιστροφή της συσκευής στο σύνολό της, συμπεριλαμβανομένης της πηγής φωτός, δεν δίνει καμία μετατόπιση από τη σκοπιά της θεωρίας της σχετικότητας. Δεν πρέπει να υπάρχει καμία επίδραση όταν η Γη και το σκάφος βρίσκονται σε ηρεμία. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η ίδια έλλειψη επίδρασης θα πρέπει να παρατηρηθεί και για την κινούμενη Γη. Το φαινόμενο της συνολικής περιόδου έρχεται επομένως σε σύγκρουση με τη θεωρία της σχετικότητας και έχει μεγάλη σημασία. Εάν στη συνέχεια ο Miller ανακάλυψε συστηματικά αποτελέσματα των οποίων η ύπαρξη δεν μπορεί να αμφισβητηθεί, είναι επίσης σημαντικό να γνωρίζουμε την αιτία του φαινομένου της πλήρους περιόδου.

Πειράματα των Michelson και Gal

Σχέδιο του πειράματος Michelson-Gal

Το 1925, ο Michelson και ο Gael έπεσαν στο έδαφος στο Clearing στο Illinois. σωλήνες νερούσε μορφή ορθογωνίου. Διάμετρος σωλήνα 30 εκ. Οι σωλήνες AF και DE κατευθύνονταν ακριβώς από τα δυτικά προς τα ανατολικά, EF, DA και CB - από βορρά προς νότο. Τα μήκη DE και AF ήταν 613 m. EF, DA και CB - 339,5 μ. Μία κοινή αντλία, που λειτουργεί για τρεις ώρες, μπορεί να αντλεί αέρα σε πίεση 1 cmHg. Για να ανιχνεύσει τη μετατόπιση, ο Michelson συγκρίνει στο πεδίο του τηλεσκοπίου τα κρόσσια παρεμβολής που λαμβάνονται με το τρέξιμο γύρω από τα μεγάλα και τα μικρά περιγράμματα. Η μία δέσμη φωτός πήγαινε δεξιόστροφα, η άλλη αντίθετα. Η μετατόπιση των ζωνών που προκλήθηκε από την περιστροφή της Γης καταγράφηκε από διαφορετικούς ανθρώπους σε διαφορετικές ημέρες με πλήρη αναδιάταξη των κατόπτρων. Έγιναν συνολικά 269 μετρήσεις. Θεωρητικά, υποθέτοντας ότι ο αιθέρας είναι ακίνητος, θα πρέπει να περιμένει κανείς μια μετατόπιση της ζώνης κατά 0,236±0,002. Η επεξεργασία των δεδομένων παρατήρησης έδωσε προκατάληψη 0,230±0,005, επιβεβαιώνοντας έτσι την ύπαρξη και το μέγεθος του φαινομένου Sagnac.

Ο S. I. Vavilov στο άρθρο "Πειραματικά θεμέλια της Θεωρίας της Σχετικότητας" εξηγεί αυτό το φαινόμενο ως εξής:

Τα περιστροφικά πειράματα των Sagnac και Michelson-Gael στη θεωρία της σχετικότητας (ειδική και γενική) εξηγούνται σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως η δυνατότητα ανίχνευσης περιστροφικής κίνησης από τις εκδηλώσεις φυγόκεντρων δυνάμεων στη μηχανική. Αυτό είναι μια φυσική συνέπεια της θεωρίας της σχετικότητας, χωρίς να προσθέτει τίποτα νέο.

Σύγχρονες επιλογές

Το 1958, στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια (ΗΠΑ), διεξήχθη ένα ακόμη πιο ακριβές πείραμα χρησιμοποιώντας δέσμες αντίθετης κατεύθυνσης δύο μέιζερ, οι οποίες έδειξαν την αναλλοίωτη συχνότητα λόγω της κίνησης της Γης με ακρίβεια περίπου 10−9%.

Ακόμη πιο ακριβείς μετρήσεις το 1974 έφεραν την ευαισθησία στα 0,025 m/s. Οι σύγχρονες εκδόσεις του πειράματος Michelson χρησιμοποιούν οπτικά και κρυογονικά [ διευκρινίζω] συντονιστές μικροκυμάτων και καθιστούν δυνατή την ανίχνευση της απόκλισης της ταχύτητας του φωτός εάν ήταν πολλές μονάδες ανά 10−16.

/ Νέος φάκελος_2 / Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός (2)

ΙΣΤΟΡΙΑ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Η ταχύτητα του φωτός στον ελεύθερο χώρο (κενό) είναι η ταχύτητα διάδοσης οποιωνδήποτε ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, συμπεριλαμβανομένων των κυμάτων φωτός. Αντιπροσωπεύει την περιοριστική ταχύτητα διάδοσης οποιωνδήποτε φυσικών επιρροών και είναι αμετάβλητη στη μετάβαση από το ένα πλαίσιο αναφοράς στο άλλο.

Η ταχύτητα του φωτός στο μέσο εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης του μέσου n, ο οποίος είναι διαφορετικός για διαφορετικές συχνότητες ακτινοβολίας: с’() = c/n(). Αυτή η εξάρτηση οδηγεί σε διαφορά μεταξύ της ταχύτητας ομάδας και της ταχύτητας φάσης του φωτός σε ένα μέσο, ​​αν δεν μιλάμε για μονοχρωματικό φως (για την ταχύτητα του φωτός στο κενό, αυτά τα μεγέθη είναι τα ίδια. Πειραματικά προσδιορίζοντας το c', μετράμε πάντα την ομαδική ταχύτητα του φωτός.

Για πρώτη φορά, η ταχύτητα του φωτός καθορίστηκε το 1676 από τον O. K. Römer αλλάζοντας τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των εκλείψεων των δορυφόρων του Δία. Το 1728, καθιερώθηκε από τον J. Bradley, με βάση τις παρατηρήσεις του για την εκτροπή του αστρικού φωτός. Το 1849, ο AIL Fizeau ήταν ο πρώτος που μέτρησε την ταχύτητα του φωτός μέχρι το χρόνο που χρειάστηκε το φως για να διανύσει μια ακριβώς γνωστή απόσταση (βάση), καθώς ο δείκτης διάθλασης του αέρα διαφέρει πολύ λίγο από το 1, οι μετρήσεις στο έδαφος δίνουν μια τιμή πολύ κοντά στην ταχύτητα.

Στο πείραμα του Fizeau, μια δέσμη φωτός από μια φωτεινή πηγή S, που αντανακλάται από έναν ημιδιαφανή καθρέφτη 3, διακόπτεται περιοδικά από έναν περιστρεφόμενο οδοντωτό δίσκο 2, περνούσε τη βάση 4-1 (περίπου 8 km) και, αντανακλούμενη από τον καθρέφτη 1, επέστρεφε στο δίσκο. Ανεβαίνοντας στην οδόντωση, το φως δεν έφτασε στον παρατηρητή, αλλά χτύπησε τον

το κενό μεταξύ των δοντιών μπορούσε να παρατηρηθεί μέσω του προσοφθάλμιου φακού 4. Από τις γνωστές ταχύτητες περιστροφής του δίσκου, προσδιορίστηκε ο χρόνος για να περάσει το φως από τη βάση. Ο Fizeau έλαβε την τιμή c = 313300 km/s.

Το 1862, ο J. B. L. Foucault πραγματοποίησε την ιδέα του D. Argo, που εκφράστηκε το 1838, χρησιμοποιώντας έναν ταχέως περιστρεφόμενο καθρέφτη (512 στροφές ανά δευτερόλεπτο) αντί για έναν οδοντωτό δίσκο. Αντανακλώντας από τον καθρέφτη, η δέσμη φωτός κατευθύνθηκε προς τη βάση και, κατά την επιστροφή, έπεσε ξανά στον ίδιο καθρέφτη, ο οποίος είχε χρόνο να στραφεί σε κάποια μικρή γωνία. Με βάση μόνο 20 μέτρα, ο Φουκώ βρήκε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι 298.000 500 km/s. Τα σχήματα και οι βασικές ιδέες των μεθόδων Fizeau και Foucault χρησιμοποιήθηκαν επανειλημμένα σε επόμενες εργασίες για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός.

Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός με τη μέθοδο του περιστρεφόμενου καθρέφτη (μέθοδος Foucault): S – πηγή φωτός; Το R είναι ένας ταχέως περιστρεφόμενος καθρέφτης. Το C είναι ένα σταθερό κοίλο κάτοπτρο του οποίου το κέντρο συμπίπτει με τον άξονα περιστροφής R (επομένως, το φως που ανακλάται από το C χτυπά πάντα το R πίσω). Το M είναι ένα ημιδιαφανές κάτοπτρο. L - φακός; E - προσοφθάλμιο? RC - με ακρίβεια μετρημένη απόσταση (βάση). Η διακεκομμένη γραμμή δείχνει τη θέση R, η οποία έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια του χρόνου που το φως διανύει τη διαδρομή RC και πίσω, και τη διαδρομή επιστροφής της δέσμης ακτίνων μέσω του φακού L, που συλλέγει την ανακλώμενη δέσμη στο σημείο S', και όχι στο σημείο S, όπως θα ήταν με ένα σταθερό κάτοπτρο R. Η ταχύτητα του φωτός ρυθμίζεται με τη μέτρηση της μετατόπισης SS'.

Η τιμή c = 299796 4 km/s που έλαβε ο A. Michelson το 1926 ήταν τότε η πιο ακριβής και συμπεριλήφθηκε στους διεθνείς πίνακες φυσικών μεγεθών.

Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός τον 19ο αιώνα έπαιξε μεγάλο ρόλο στη φυσική, επιβεβαιώνοντας περαιτέρω την κυματική θεωρία του φωτός. Η σύγκριση του Φουκώ για την ταχύτητα του φωτός της ίδιας συχνότητας σε αέρα και νερό το 1850 έδειξε ότι η ταχύτητα στο νερό είναι u = c/n(), σύμφωνα με την πρόβλεψη της κυματικής θεωρίας. Καθιερώθηκε επίσης η σύνδεση της οπτικής με τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού: η μετρούμενη ταχύτητα του φωτός συνέπεσε με την ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, υπολογιζόμενη από την αναλογία ηλεκτρομαγνητικών και ηλεκτροστατικών μονάδων ηλεκτρικού φορτίου.

Στις σύγχρονες μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός, χρησιμοποιείται μια εκσυγχρονισμένη μέθοδος Fizeau με την αντικατάσταση ενός γραναζιού με παρεμβολή ή κάποιο άλλο διαμορφωτή φωτός που διακόπτει ή εξασθενεί εντελώς τη δέσμη φωτός. Ο δέκτης ακτινοβολίας είναι ένα φωτοκύτταρο ή ένας φωτοηλεκτρικός πολλαπλασιαστής. Η χρήση ενός λέιζερ ως πηγής φωτός, ενός διαμορφωτή υπερήχων με σταθεροποιημένη συχνότητα και αύξηση της ακρίβειας μέτρησης του μήκους βάσης θα μειώσει τα σφάλματα μέτρησης και θα λάβει την τιμή c = 299792,5 0,15 km/s. Εκτός από τις άμεσες μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός από τη στιγμή της διέλευσης μιας γνωστής βάσης, χρησιμοποιούνται ευρέως έμμεσες μέθοδοι, οι οποίες δίνουν μεγαλύτερη ακρίβεια.

Η πιο ακριβής μέτρηση της ποσότητας c είναι εξαιρετικά σημαντική όχι μόνο σε γενικούς θεωρητικούς όρους και για τον προσδιορισμό των τιμών άλλων φυσικών μεγεθών, αλλά και για πρακτικούς σκοπούς. Σε αυτούς, ειδικότερα. Αυτό περιλαμβάνει τον προσδιορισμό αποστάσεων στο χρόνο διέλευσης ραδιοφωνικών ή φωτεινών σημάτων στο ραντάρ, οπτική θέση, φωτεινή εμβέλεια κ.λπ.

Ο Michelson και η ταχύτητα του φωτός

Δεν είναι πολύ συχνά που ένας άνδρας στα εβδομήντα του πρέπει να επιστρέψει στη δουλειά που έκανε στη νεολαία του για να προσπαθήσει να βελτιώσει τα αποτελέσματα μιας ήδη πολύ ακριβούς και αξιόπιστης έρευνας, γιατί όλοι πιστεύουν ότι κανείς άλλος δεν μπορεί να το κάνει καλύτερα από αυτόν. Μια τέτοια αξιοζήλευτη ευκαιρία παρουσιάστηκε στον Michelson.

Το 1923, ο George Ellery Hal, διευθυντής του Παρατηρητηρίου Mount Wilson, κάλεσε τον Michelson να έρθει στην Pasadena και να κάνει έναν νέο προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός. Ο Michelson αποδέχτηκε την προσφορά του με ενθουσιασμό. Περίμενε καιρό την ευκαιρία να ξεκαθαρίσει τα αποτελέσματα της περίφημης μέτρησής του το 1882. Μάζεψε γρήγορα τα πράγματά του και έφυγε για την Καλιφόρνια, όπου έστησε το αρχηγείο του στους πρόποδες του όρους Γουίλσον.

Η προετοιμασία του πειράματος έγινε με μεγάλη προσοχή. Επιλέχθηκε μια τοποθεσία για δύο εγκαταστάσεις. Το ένα από αυτά τοποθετήθηκε στην κορυφή του όρους Wilson, ήδη γνώριμο σε αυτόν, και το άλλο στην κορυφή του όρους San Antonio, γνωστό με το παρατσούκλι "Old Baldness", σε υψόμετρο 5800 m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και σε απόσταση. 35 χλμ. από το όρος Wilson. Η Αμερικανική Ακτή και Γεωδαιτική Έρευνα είχε επιφορτιστεί με την ακριβή μέτρηση της απόστασης μεταξύ δύο ανακλαστικών επιπέδων - ενός περιστρεφόμενου πρισματικού καθρέφτη στο όρος Wilson και ενός σταθερού καθρέφτη στο Σαν Αντόνιο. Το πιθανό σφάλμα στη μέτρηση της απόστασης ήταν ένα επτά εκατομμυριοστό, ή ένα κλάσμα του εκατοστού ανά 35 km. Ένα περιστρεφόμενο πρίσμα από επινικελωμένο χάλυβα, με οκτώ επιφάνειες καθρέφτη γυαλισμένες με ακρίβεια ενός μέρους στο εκατομμύριο, κατασκευάστηκε για το πείραμα από την Sperry Gyroscope Company του Μπρούκλιν, της οποίας ο πρόεδρος, μηχανικός-εφευρέτης Elmer A. Sperry, ήταν φίλος του Michelson. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν αρκετά ακόμη πρίσματα από γυαλί και χάλυβα. Ο οκταγωνικός ρότορας υψηλής ταχύτητας έκανε έως και 528 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Τέθηκε σε κίνηση από πίδακα αέρα και η ταχύτητά του, όπως και σε προηγούμενα πειράματα, ρυθμιζόταν από ένα ηλεκτρικό πιρούνι συντονισμού. (Ένα πιρούνι συντονισμού δεν χρησιμοποιείται μόνο από τους μουσικούς για τον προσδιορισμό του τόνου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ακριβή προσδιορισμό σύντομων ίσων χρονικών περιόδων. Μπορείτε να δημιουργήσετε ένα όργανο με τη σωστή συχνότητα, το οποίο, υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος, θα δονείται σαν ηλεκτρικό κουδούνι.)

Ο Sperry πρότεινε επίσης στον φίλο του έναν βελτιωμένο προβολέα υψηλού τόξου που είχε κατασκευάσει λίγο πριν για στρατιωτικούς σκοπούς. Ο Preston R. Bassett, ο μηχανικός που ηγήθηκε του προβολέα και αργότερα έγινε πρόεδρος της εταιρείας, ανέπτυξε έναν ειδικό μηχανισμό λαμπτήρα τόξου για αυτό το πείραμα και τον πήγε ο ίδιος στην Καλιφόρνια το καλοκαίρι του 1924. Ο Fred Pearson ήρθε από το Σικάγο για να συμμετάσχει στο πείραμα.

Μια νέα μέτρηση της ταχύτητας του φωτός

Ο Michelson, σαν καπετάνιος στη γέφυρα ενός πλοίου, οδήγησε με ενθουσιασμό τις προετοιμασίες για την επιχείρηση, εμβαθύνοντας σε κάθε λεπτομέρεια. Έχει ληφθεί κάθε δυνατή προφύλαξη για την εξάλειψη ή την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων. Ο λόγιος κόσμος παρακολούθησε με ενδιαφέρον τις προετοιμασίες. Τελικά, όλα ήταν έτοιμα και το φως από τη λάμπα τόξου κατευθύνθηκε σε έναν καθρέφτη στο San Antonio και αντανακλούσε σε ένα περιστρεφόμενο πρίσμα στο όρος Wilson (Εικ. 12). Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν κάθε καθαρή νύχτα από τις δέκα το βράδυ έως τα μεσάνυχτα και κάθε σειρά παρατηρήσεων διαρκούσε αρκετές εβδομάδες. Οι μετρήσεις λαμβάνονταν καθημερινά στα κεντρικά γραφεία του Michelson στην Pasadena.

Ρύζι. 12.Βελτιώσεις που έγιναν από τον Michelson στην εγκατάστασή του Η αρχή παρέμεινε η ίδια (η κύρια αλλαγή ήταν να αυξηθεί η διαδρομή της δέσμης φωτός).

Από το 1924 έως τις αρχές του 1927 έγιναν πέντε ανεξάρτητες σειρές παρατηρήσεων. Το μέσο αποτέλεσμα ήταν 299.798 χλμ. ανά δευτερόλεπτο.

Αλλά ο Michelson δεν ήταν ακόμα απόλυτα ικανοποιημένος. Ήλπιζε ότι αυξάνοντας το μήκος της διαδρομής της δέσμης φωτός και μεταφέροντας το πείραμα σε άλλη τοποθεσία, θα μπορούσε να αποκτήσει έναν ακόμη πιο ακριβή ορισμό. Στην έκθεσή του για το πείραμα στο όρος Σαν Αντόνιο, έγραψε: «Η επιτυχία των μετρήσεων σε απόσταση 22 μιλίων, οι περισσότερες από τις οποίες πραγματοποιήθηκαν σε μη ευνοϊκότερες συνθήκες (ομίχλη και καπνός από δασικές πυρκαγιές), δείχνει τη σκοπιμότητα διεξαγωγής ενός πειράματος σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση».

Για αυτή την εμπειρία, επέλεξε το όρος San Jacinto, που βρίσκεται 130 χλμ. από το όρος Wilson. Έκανε μάλιστα και προκαταρκτικό τεστ. Αλλά το φως από τη λάμπα τόξου στο δρόμο της επιστροφής εξασθενούσε τόσο πολύ από τον καπνό και την ομίχλη που η ιδέα έπρεπε να εγκαταλειφθεί.

Ο Michelson επέστρεψε στο Σικάγο και ταξίδεψε στην Ουάσιγκτον τον Νοέμβριο του 1928 για ένα επετειακό επιστημονικό συνέδριο στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων. Συγκλήθηκε από την Optical Society of America προς τιμήν της πεντηκοστής επετείου από τη δημοσίευση του πρώτου έργου του Michelson (1878) σχετικά με την ταχύτητα του φωτός και σε αναγνώριση της μεγάλης συνεισφοράς του στον τομέα της οπτικής. Αυτό το συνέδριο ονομαζόταν ανεπίσημα «Συνδιάσκεψη Michelson», και ο ίδιος ο Michelson, φυσικά, ήταν επίτιμος καλεσμένος σε αυτό.

Τελική προσπάθεια

V του χρόνουΟ Michelson, ο οποίος ήταν εβδομήντα επτά τότε, υπέστη σοβαρή εγκεφαλική αιμορραγία. Αποσύρθηκε από το πανεπιστήμιο, ζωγράφιζε πολύ και περπάτησε, προσπαθώντας να αποκαταστήσει την εξασθενημένη υγεία του. Αυτό δεν ήταν εύκολο. Ωστόσο, δεν σταμάτησε να ονειρεύεται να επιστρέψει στη μελέτη της ταχύτητας του φωτός. ήλπιζε ότι, έχοντας αποκτήσει δύναμη, θα έκανε μια άλλη απόφαση. Επέστρεψε εκεί που ξεκίνησε πριν από πάνω από πενήντα χρόνια. Αγαπούσε την ιδέα να απαλλαγεί από παρεμβολές με τη μορφή ομίχλης, καπνού και ακόμη και της πιο διαφανούς ατμόσφαιρας. Ήθελε να στήσει το πείραμα με τέτοιο τρόπο ώστε η δέσμη να περάσει μέσα από το κενό, ει δυνατόν, μέσα από ένα σχεδόν απόλυτο κενό.

Και τότε ο Michelson έλαβε και πάλι πρόσκληση στην Πασαντίνα. «Ο Χαλ είπε ότι το Mount Wilson και το Caltech ήταν στη διάθεσή μου», είπε. «Ο πειρασμός ήταν πολύ μεγάλος. Πήγα." Του εφοδιάστηκαν με όλα τα απαραίτητα εργαλεία και εξοπλισμό. Το Ίδρυμα Ροκφέλερ παρείχε 30.000 $ για το πείραμα, η Carnegie Corporation 27.500 $ και το Πανεπιστήμιο του Σικάγο 10.000 $.

Η τοποθεσία για την επική εμπειρία ήταν το Irvine Ranch κοντά στη Santa Ana, στη Νότια Καλιφόρνια. Η Υπηρεσία Ακτών και Γεωδαιτικής Έρευνας των Ηνωμένων Πολιτειών ανατέθηκε και πάλι να μετρήσει την απόσταση. Γιγαντιαίοι σωλήνες τυλίγονταν από φύλλα κυματοειδούς χάλυβα. Αποτελούνταν από τμήματα 18 μέτρων με διάμετρο περίπου ενός μέτρου, καρφωμένα μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα ήταν ένας σωλήνας μήκους άνω του 1,5 χιλιομέτρου. Κόστισε 50 χιλιάδες δολάρια. Θα μπορούσε να εισέλθει από τέσσερις καταπακτές - δύο στα άκρα και δύο στο κύριο τμήμα του σωλήνα. Η εταιρεία Sperry Gyroscope Company παρήγαγε και πάλι περιστρεφόμενους καθρέφτες από χάλυβα - με 8, 16 και 32 όψεις. Επιπλέον, ένας καθρέφτης 32 όψεων κατασκευάστηκε από πρώτης τάξεως οπτικό γυαλί.

Ο σωλήνας συγκολλήθηκε και ο αέρας αντλήθηκε από αυτόν με ειδικές αντλίες για αρκετές μέρες και νύχτες στη σειρά μέχρι να πέσει η πίεση στον σωλήνα στα 0,5 mm Hg. Τέχνη. (η κανονική πίεση είναι 760 mm Hg). Ένας λαμπτήρας τόξου χρησίμευε ως πηγή φωτός. Αντανακλά επανειλημμένα, το φως έπρεπε να διανύσει μια διαδρομή περίπου 16 km. Για πρώτη φορά στην ιστορία, η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός πραγματοποιήθηκε σχεδόν στο απόλυτο κενό.

Εν τω μεταξύ, η υγεία του Michelson άφησε πολλά να είναι επιθυμητή. Δεν μπόρεσε ποτέ να αναρρώσει αρκετά ώστε να κάνει μετρήσεις με τα χέρια του. Τους χειρίστηκαν οι Francis G. Pease και Fred Pearson. συγκέντρωσαν και τα αποτελέσματα. Κατά τη διάρκεια του 1930 και στις αρχές του 1931, έγιναν εκατοντάδες παρατηρήσεις. Ο Μάικελσον επέβλεπε το έργο, ξαπλωμένος στο κρεβάτι. Μόνος του, ποτέ δεν θα είχε αντιμετωπίσει κάθε τόσο προβλήματα που απαιτούσαν άμεση λύση. Κάθε φορά που κάτι πήγαινε στραβά στον εξοπλισμό, έπρεπε να αφήνετε αέρα στον σωλήνα για να μπείτε και να διορθώσετε τη ζημιά. Και μετά έπρεπε να περιμένετε σαράντα οκτώ ώρες για να αντλήσουν ξανά αέρα οι αντλίες. Τα κύματα καύσωνα παραμόρφωσαν την εικόνα του φωτός, έτσι το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς έπρεπε να γίνει τη νύχτα, όταν είχε δροσιστεί.

Στις αρχές του 1931, όταν η εργασία ήταν ακόμη μακριά από την ολοκλήρωση και ο Michelson φαινόταν να αναρρώνει από τις συνέπειες της ασθένειας, πραγματοποιήθηκε ένα επιστημονικό συνέδριο στην Πασαντίνα, στο οποίο συμμετείχαν ο Αϊνστάιν και πολλοί εξέχοντες επιστήμονες από διάφορες χώρες. Στις 15 Ιανουαρίου επρόκειτο να γίνει ένα συμπόσιο προς τιμήν του Δρ Αϊνστάιν και της συζύγου του. Καλεσμένος φυσικά ήταν και ο Michelson. Ένιωσε αρκετά καλά τότε και χάρηκε πολύ που ήταν παρών σε αυτή την πανηγυρική συνάντηση, που έγινε στο νεόκτιστο υπέροχο κτίριο του Αθηνιού.

Ο Αϊνστάιν έκανε μια σύντομη ομιλία. Δίπλα του κάθονταν οι μεγαλύτεροι επιστήμονες - ο Michelson, ο Milliken, ο Hal και άλλοι. «Χαίρομαι που βρίσκομαι στην παρέα αυτών», άρχισε ο Αϊνστάιν, «που για πολλά χρόνια ήταν πιστοί μου σύντροφοι στη δουλειά μου». Στη συνέχεια, γυρίζοντας στον Michelson, συνέχισε: «Εσείς, αγαπητέ Δρ. Michelson, ξεκινήσατε την έρευνά σας όταν ήμουν ακόμη αγόρι. Άνοιξες νέους δρόμους για τους φυσικούς και άνοιξες το δρόμο για τη θεωρία της σχετικότητας με τα υπέροχα πειράματά σου. Εκθέσατε την πλάνη της αιθέριας θεωρίας του φωτός και υποκινήσατε τις ιδέες των Lorentz και Fitzgerald, από τις οποίες αναπτύχθηκε η ειδική θεωρία της σχετικότητας. Χωρίς το έργο σας, αυτή η θεωρία θα ήταν απλώς μια ενδιαφέρουσα εικασία. έχει λάβει την πρώτη του πραγματική επιβεβαίωση στα πειράματά σας».

Ο Μάικελσον συγκινήθηκε βαθιά. Ήταν ο υψηλότερος έπαινος. Σηκώθηκε για να ευχαριστήσει για μια τόσο γενναιόδωρη εκτίμηση των προσόντων του. Ο Michelson σπάνια έδωσε ομιλίες, και όταν το έκανε, μιλούσε πάντα σύντομα και επί της ουσίας. Και αυτή τη φορά δεν άλλαξε τον εαυτό του. Ευχαρίστησε τον Αϊνστάιν εκ μέρους του και εκ μέρους του αείμνηστου συνεργάτη του Έντουαρντ Μόρλεϊ, ο οποίος πέθανε πριν από οκτώ χρόνια. Ο Michelson δεν ξέχασε ποτέ να αποτίει φόρο τιμής στους υπαλλήλους και τους βοηθούς του.

Αυτή ήταν η τελευταία δημόσια εμφάνιση του Michelson. Προσπάθησε να επιστρέψει στη δουλειά, αλλά την 1η Μαρτίου δεν κατάφερε να σηκωθεί από το κρεβάτι. Σταδιακή παράλυση άρχισε και άρχισε να εξασθενεί γρήγορα. Εν τω μεταξύ, όλο και περισσότερα νέα δεδομένα έρχονταν από τη Santa Ana. Συγκεντρώνοντας τις τελευταίες δυνάμεις του, ο Michelson υπαγόρευσε αργά αλλά ξεκάθαρα στον Piz την εισαγωγή στο άρθρο, το οποίο υποτίθεται ότι συνόψιζε τα τελικά αποτελέσματα των πειραμάτων. Αυτή η εργασία θα έπρεπε να είχε σταλεί στο Astrophysical Journal για δημοσίευση.

Η κατάσταση του Michelson συνέχισε να επιδεινώνεται, αλλά αρνήθηκε να παραδεχτεί ότι ήταν σοβαρά άρρωστος. «Η υγεία μου βελτιώνεται», έγραψε αισιόδοξα σαράντα οκτώ ώρες προτού καταρρεύσει και χάσει τις αισθήσεις του. Κοντά του ήταν η γυναίκα του, μια από τις κόρες και δύο νοσοκόμες. Ο Pease και ο Pearson ενώθηκαν μαζί τους. Στα δώδεκα πενήντα πέντε λεπτά στις 9 Μαΐου 1931, ο Michelson πέθανε ήσυχα χωρίς να ανακτήσει τις αισθήσεις του.

Ο εφημέριος της τοπικής Ενωτικής-Φιλελεύθερης εκκλησίας έκανε μια πολύ σεμνή και σύντομη λειτουργία στο σπίτι του. Μετά από αίτημα της χήρας του Michelson, η είδηση ​​του θανάτου του δεν εμφανίστηκε σε έντυπη μορφή παρά μόνο μετά την κηδεία. Στην κηδεία παρευρέθηκαν η σύζυγος του Michelson, Edna, οι τρεις κόρες τους - η Madeleine, η Dorothy και η Beatrice - και αρκετοί άλλοι συγγενείς και στενοί φίλοι. Ο Millikan, ο Hal και ο Hubble μετέφεραν το φέρετρο στη νεκροφόρα. Το σώμα, σύμφωνα με τις επιθυμίες του Michelson, αποτεφρώθηκε και η στάχτη σκορπίστηκε στον άνεμο.

Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο γιόρτασαν τις υπηρεσίες του στην επιστήμη. Ο Αϊνστάιν έμαθε για τον θάνατο του Michelson στην Αγγλία, όπου ήταν λέκτορας στην Οξφόρδη. «Ο Δρ Michelson ήταν ένας από τους μεγαλύτερους καλλιτέχνες στον κόσμο του επιστημονικού πειράματος», είπε.

Τρεις από τους στενότερους συνεργάτες του Michelson στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ο Forest R. Moulton, ο Henry J. Gale και ο Harvey B. Lemon, που τον γνώριζαν εδώ και ένα τέταρτο του αιώνα, έγραψαν σε μια νεκρολογία:

«Η ζωή του ήταν ένα υπέροχο παράδειγμα αποφασιστικότητας, που δεν υπόκειται στις αντιξοότητες της μοίρας. Φαινόταν ότι ακόμη και οι δυνάμεις της αγάπης, του μίσους, της ζήλιας, του φθόνου, της ματαιοδοξίας δεν τον άγγιζαν σχεδόν καθόλου. Απορροφημένος από την επιστημονική έρευνα, ήταν γενικά μάλλον αδιάφορος για τους ανθρώπους γενικά, αλλά παρόλα αυτά είχε αφοσιωμένους φίλους, των οποίων τη φιλία διατηρούσε προσεκτικά... Το κύριο περιεχόμενο και σκοπός της ζωής του ήταν οι επιστημονικές αναζητήσεις, η αισθητική απόλαυση που πηγάζει από τη δουλειά. Βιαστείτε, η φασαρία του ήταν ξένη. Δεν τον έριξε σε πυρετό στη σκέψη ότι είχε έρθει μια αποφασιστική στιγμή για την επιστήμη ή για όλη την ανθρωπότητα. Δεν έτρεμε, στεκόμενος στο κατώφλι μιας μεγάλης ανακάλυψης...

Ήταν απαλός και ήρεμος και χωρίς καμία στοργή, όπως η θάλασσα μια ηλιόλουστη μέρα - γαλήνιος, απεριόριστος, αμέτρητος... Ένας τέτοιος χαρακτήρας γίνεται αισθητός, αλλά δεν αναλύεται. Ο Μάικελσον δεν αποκάλυψε την ψυχή του σε κανέναν, αλλά όλοι κατάλαβαν ότι στο βάθος της κρύβονταν πολλά που ήταν απρόσιτα στα μάτια. Πολύ λίγοι τον γνώριζαν από κοντά».

Μετά το θάνατο του Michelson, οι εργασίες για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός σε ένα σωλήνα κενού μήκους άνω του 1,5 km συνεχίστηκαν για σχεδόν δύο ακόμη χρόνια. Το 1933, κατά τη διάρκεια του σεισμού στο Λονγκ Μπιτς, η εγκατάσταση καταστράφηκε, αλλά εκείνη τη στιγμή όλες οι παρατηρήσεις είχαν ήδη ολοκληρωθεί. Έγιναν συνολικά 2885 προσδιορισμοί. Η μέση ταχύτητα του φωτός στο κενό αποδείχθηκε ότι ήταν 299.774 km/s. Αυτός ο αριθμός ήταν 24 χλμ μικρότερος από τον αριθμό που βρέθηκε κατά τη διάρκεια πειραμάτων στις κορυφές δύο βουνών. Η Διεθνής Γεωφυσική και Γεωδαιτική Ένωση και η Διεθνής Ένωση Επιστήμης Ραδιοφώνου έχουν υιοθετήσει μια τιμή για την ταχύτητα του φωτός 299.792,5 km ανά δευτερόλεπτο*. Αυτός ο αριθμός βρίσκεται στο πειραματικό λάθος του προσδιορισμού του Michelson.

Ο τίτλος του άρθρου που αναφέρει την τελευταία εμπειρία του Michelson απηχούσε τον τίτλο της πρώτης του δουλειάς, που δημοσιεύτηκε περισσότερο από μισό αιώνα νωρίτερα, όταν ήταν ακόμη ο υπολοχαγός Michelson. Ονομάστηκε «Σχετικά με τη μέθοδο μέτρησης της ταχύτητας του φωτός». Η τελευταία εργασία, με τίτλο «Measurement of the speed of light in a partial vacuum», ήταν η ολοκλήρωση της μεγάλης προσφοράς του Michelson στην επιστήμη.

Συνέχεια της αναζήτησης

Δεν υπάρχει τελευταία λέξη ή τελική απόφαση στην επιστημονική έρευνα. Αν ο Michelson επισκεπτόταν τα μεγάλα επιστημονικά εργαστήρια του κόσμου σήμερα, θα διαπίστωνε ότι οι ερευνητές εξακολουθούν να παλεύουν με τα ίδια προβλήματα που προσπαθούσαν να λύσουν ο ίδιος και άλλοι επιστήμονες της εποχής του. Επιστημονικές ιδέες που έμοιαζαν να έχουν παγιωθεί συνεχώς ανατρέπονται, αντικαθίστανται, διευρύνονται ή συμπληρώνονται. Αυτό συνέβη με τους νόμους του Νεύτωνα, που τροποποιήθηκαν από τον Αϊνστάιν. Και τι γίνεται με την ταχύτητα του φωτός - αυτή η σταθερά, την οποία ο Michelson, όπως φαίνεται, έπιασε μια για πάντα; Υπάρχουν και αμφιβολίες για αυτήν. Οι επιστήμονες το προσέγγισαν ξανά και ξανά με νέα όργανα και νέες μεθόδους. Το 1939, δύο ομάδες ερευνητών, η μία στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και η άλλη στη Γερμανία, χρησιμοποιώντας το λεγόμενο ηλεκτρονικό κλείστρο φωτός (κελί Kerr), έλαβαν ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα: 299.798 km/s στις ΗΠΑ και 299.799 km/s στη Γερμανία. . Δύο χρόνια αργότερα, οι επιστήμονες του Εθνικού Γραφείου Προτύπων κατέληξαν σε έναν αριθμό 299.795 km/s. Το 1951, ο καπετάνιος Carl E. Aslakson της US Coast and Geodetic Survey έλαβε μια τιμή 299.805 km/s κατά τη δοκιμή ενός συστήματος ραντάρ. Τρία χρόνια αργότερα, μια ομάδα Άγγλων επιστημόνων επανέλαβε το αποτέλεσμά του.

Έχει προταθεί ότι η ταχύτητα του φωτός δεν είναι ακόμα σταθερή. Ορισμένοι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι έχει αλλάξει, επισημαίνοντας τη διαφορά στα αποτελέσματα των μετρήσεων που έγιναν πριν από τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο και μετά από αυτόν με ένα διάστημα δέκα ετών. Είναι περίπου 16 χλμ. ανά δευτερόλεπτο. Ο καθηγητής του Texas Tech College J.H. Ο Rush πιστεύει ότι «αυτό δεν πρέπει να ληφθεί πολύ ελαφρά και να εξηγηθεί από τα αναπόφευκτα τεχνικά λάθη». Ο Rush πιστεύει ότι «Νέες διαστάσεις μπορεί να οδηγήσουν σε μια νέα ανακάλυψη». Και η αναζήτηση συνεχίζεται*.

Και τι γίνεται με το θέμα του αιθέρα; Το 1899, ο Michelson έθιξε αυτό το θέμα στις Διαλέξεις του Lowell. «Ας υποθέσουμε», είπε, «ότι η συστολή του αιθέρα αντιστοιχεί σε ηλεκτρικό φορτίο, η μετατόπιση του αιθέρα σε ηλεκτρικό ρεύμα, ο αιθέρας στροβιλίζεται σε άτομα. Εάν συνεχίσουμε αυτές τις υποθέσεις, θα καταλήξουμε σε ένα συμπέρασμα που μπορεί να είναι μια από τις μεγαλύτερες γενικεύσεις σύγχρονη επιστήμη, - ότι όλα τα φαινόμενα του φυσικού Σύμπαντος είναι μόνο διαφορετικές εκφράσεις των διαφορετικών τύπων κίνησης μιας ουσίας που διαπερνά τα πάντα - του αιθέρα. Μου φαίνεται ότι δεν είναι μακριά η μέρα που οι γραμμές πολλών φαινομενικά μακρινών περιοχών σκέψης θα συγκλίνουν επιτέλους σε ένα κοινό επίπεδο. Στη συνέχεια, η φύση του ατόμου, και η φύση του χημικού δεσμού των ατόμων, και η αλληλεπίδραση μεταξύ τους, και ο συνεχής αιθέρας, που δηλώνει μέσω του φωτός και του ηλεκτρισμού, και η δομή του μορίου, και η εξήγηση της συνοχής, της ελαστικότητας και έλξη - όλα αυτά θα βρουν τη θέση τους σε ένα ενιαίο και συνεπές σύστημα.επιστημονική γνώση».

Έχουν περάσει περισσότερα από εξήντα χρόνια από τότε, αλλά η προφητεία του Michelson δεν έχει γίνει ακόμα πραγματικότητα. Το φως και άλλοι τύποι ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εξακολουθούν να μην χρειάζονται κανένα αγώγιμο μέσο. Η ιδέα του αιθέρα τελικά εγκαταλείπεται, σε μεγάλο βαθμό λόγω της ιδιοφυΐας του Michelson.

Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ MICHELSON είναι:

ΕΜΠΕΙΡΙΑ MICHELSON'S EXPERIENCE MICHELSON
που έβαλε ο Amer. ο φυσικός A. A. Michelson το 1881 για να μετρήσει την επίδραση της κίνησης της Γης στην ταχύτητα του φωτός. Στη φυσική συ. 19ος αιώνας θεωρήθηκε ότι το φως διαδίδεται σε ένα ορισμένο σμήνος παγκόσμιου μέσου - αιθέρα. Ταυτόχρονα, μια σειρά από φαινόμενα (η εκτροπή του φωτός, το πείραμα Fizeau) οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι ο αιθέρας είναι ακίνητος ή παρασύρεται εν μέρει από τα σώματα κατά την κίνησή τους. Σύμφωνα με την υπόθεση του σταθερού αιθέρα, είναι δυνατό να παρατηρηθεί ο «αιθερικός άνεμος» όταν η Γη κινείται μέσω του αιθέρα και η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τη Γη θα πρέπει να εξαρτάται από την κατεύθυνση της δέσμης φωτός σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησής της στον αιθέρα. Μ. ο. διεξήχθη χρησιμοποιώντας ένα συμβολόμετρο Michelson με ίσους βραχίονες, ο ένας - κατά μήκος της κίνησης της Γης, ο άλλος - κάθετος σε αυτήν. Εάν ο αιθέρας είναι ακίνητος, τότε όταν η συσκευή περιστρέφεται κατά 90 °, η διαφορά στη διαδρομή των ακτίνων πρέπει να αλλάξει πρόσημο και να παρεμβαίνει. η εικόνα αλλάζει. Ωστόσο, η ανάμειξη των παρεμβολών η εικόνα δεν βρέθηκε, δηλ. Μ. ο. έδωσε αρνητικό αποτέλεσμα. Το 1885-87 τα πειράματα των Michelson και Amer. επιβεβαίωσε με μεγάλη ακρίβεια ο φυσικός E. W. Morley. αποτέλεσμα του πρωτότυπου Μ. ο. Το 1964 ο Αμέρ. φυσική σε τροποποίηση. η μορφή επαναλήφθηκε από τον Μ. ο., χρησιμοποιώντας δύο πανομοιότυπα λέιζερ ηλίου-νέον ως πηγές φωτός, τα οποία έχουν πολύ υψηλό βαθμό μονοχρωματικότητας και χώρου. συνοχή, και με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια έλαβε αρνητική. αποτέλεσμα. Στο κλασικό η φυσική απορρίπτεται. το αποτέλεσμα του Μ. ο. δεν μπορούσε να γίνει κατανοητό και να συμφωνηθεί με άλλα φαινόμενα της ηλεκτροδυναμικής των κινούμενων μέσων. Στη θεωρία της σχετικότητας, η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός για όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς λαμβάνεται ως αξίωμα, που επιβεβαιώνεται από ένα μεγάλο σύνολο πειραμάτων.

Φυσικό Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό. - Μ.: Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια. Αρχισυντάκτης A. M. Prokhorov. 1983.

MICHELSON EXPERIENCE

Ένα πείραμα που δημιουργήθηκε για πρώτη φορά από τον A. Michelson το 1881 για να μετρήσει την επίδραση της κίνησης της Γης στην ταχύτητα του φωτός. Αρνητικός Το αποτέλεσμα ήταν ένα από τα πειραματικός γεγονότα που αποτέλεσαν τη βάση θεωρία της σχετικότητας.

Στη φυσική συ. 19ος αιώνας υποτέθηκε ότι το φως διαδίδεται σε ένα ορισμένο σμήνος παγκόσμιου μέσου - αναμετάδοση.Ταυτόχρονα, μια σειρά από φαινόμενα ( εκτροπή φωτός, εμπειρία Fizeau) οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο αιθέρας είναι ακίνητος ή μερικώς παρασύρεται από τα σώματα καθώς κινούνται. Σύμφωνα με την υπόθεση του σταθερού αιθέρα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει τον «αιθερικό άνεμο» όταν η Γη κινείται μέσα από τον αιθέρα και η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τη Γη θα πρέπει να εξαρτάται από την κατεύθυνση της δέσμης φωτός σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησής της στο αιθέρας.

Μ. ο. πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια Συμβολόμετρο Michelsonμε ίσους ώμους? το ένα χέρι κατευθυνόταν κατά μήκος της κίνησης της Γης, το άλλο - κάθετα σε αυτήν. Όταν ολόκληρη η συσκευή περιστρέφεται κατά 90 °, η διαφορά στη διαδρομή των ακτίνων πρέπει να αλλάξει πρόσημο, με αποτέλεσμα να μετατοπιστεί η παρεμβολή. ζωγραφική. Ο υπολογισμός δείχνει ποια είναι η μετατόπιση, εκφρασμένη σε κλάσματα του πλάτους παρεμβολής. λωρίδες, ίσες με , όπου Z είναι το μήκος του βραχίονα συμβολόμετρου, είναι το μήκος κύματος του εφαρμοζόμενου φωτός (κίτρινη γραμμή Na), Με- την ταχύτητα του φωτός στον αέρα, vείναι η τροχιακή ταχύτητα της Γης. Εφόσον η τιμή για την τροχιακή κίνηση της Γης είναι περίπου 10-4, τότε η αναμενόμενη μετατόπιση είναι πολύ μικρή και στην πρώτη Μ. ο. ήταν μόνο 0,04. Ωστόσο, ήδη με βάση αυτή την εμπειρία, ο Michelson κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η υπόθεση του σταθερού αιθέρα ήταν εσφαλμένη.

Στο μέλλον, ο Μ.ο. επαναλήφθηκε πολλές φορές. Στα πειράματα των Michelson και E. W. Morley (1885-87), το συμβολόμετρο τοποθετήθηκε σε μια τεράστια πλάκα που επιπλέει στον υδράργυρο (για ομαλή περιστροφή). οπτικός το μήκος της διαδρομής έφτασε στα 11 μέτρα με τη βοήθεια πολλαπλών αντανακλάσεων από τους καθρέφτες. αποτέλεσμα του M. o. Το 1958 στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια (ΗΠΑ) αποδείχθηκε για άλλη μια φορά η απουσία σταθερού αιθέρα. Κατευθύνθηκαν δέσμες ακτινοβολίας από δύο πανομοιότυπες κβαντικές γεννήτριες μικροκυμάτων (μέιζερ). vΟι αντίθετες πλευρές - κατά μήκος της κίνησης της Γης και ενάντια στην κίνηση - και οι συχνότητές τους συγκρίθηκαν. Με μεγάλη ακρίβεια (~ 10-9%), διαπιστώθηκε ότι οι συχνότητες παραμένουν ίδιες, ενώ ο «αιθερικός άνεμος» θα οδηγούσε στην εμφάνιση διαφοράς σε αυτές τις συχνότητες κατά μια τιμή που είναι σχεδόν 500 φορές μεγαλύτερη από τη μέτρηση ακρίβεια.

Στο κλασικό η φυσική απορρίπτεται. αποτέλεσμα του M. o. δεν μπορούσε να γίνει κατανοητό και να συμφωνηθεί με άλλα φαινόμενα ηλεκτροδυναμική κινούμενων μέσων.Στη θεωρία της σχετικότητας, η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός για όλους αδρανειακά συστήματα αναφοράςαποδεκτό ως αξίωμα, επιβεβαιωμένο από ένα μεγάλο σύνολο πειραμάτων.

Φωτ.: Vavilov S. I., Experimental Foundations of the Theory of Relativity, Sobr. soch., τόμος 4, Μ., 1956; Συλλογή Einstein, 1980 - 1981, M., 1985. ΜΙ.ΠΡΟΣ ΤΟ. Ταράσοφ.

Φυσική εγκυκλοπαίδεια. Σε 5 τόμους. - Μ.: Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια. Αρχισυντάκτης A. M. Prokhorov. 1988.

Michelson, Albert Abraham

Ημερομηνία γέννησης: Τόπος γέννησης: Ημερομηνία θανάτου: Τόπος θανάτου: Χώρα: Επιστημονικό πεδίο: Τόπος εργασίας: Ακαδημαϊκός τίτλος: Πανεπιστήμιο: Επιβλέπων: Βραβεία και βραβεία: Υπογραφή:

Albert Abraham Michelson

Albert Abraham Michelson

Strelno, Πρωσία

Pasadena, Καλιφόρνια, ΗΠΑ

ΗΠΑ Πολωνία

φυσικός, αστρονόμος

Case Western Reserve University Πανεπιστήμιο του Σικάγο Πανεπιστήμιο Κλαρκ[d]

Αντεπιστέλλον Μέλος της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ

Ναυτική Ακαδημία Ηνωμένων Πολιτειών

Χέρμαν Χέλμχολτζ

Βραβείο Rumfoord (1888) Μετάλλιο Matteucci (1903) Βραβείο Νόμπελ Φυσικής (1907) Μετάλλιο Copley (1907) Μετάλλιο Elliot Cresson (1912) Μετάλλιο Henry Draper (1916) Μετάλλιο Albert (Royal Society of Arts) (1920) Μετάλλιο και βραβείο Guthrie (1921) Βραβείο Jules Janssen (1922) Μετάλλιο Φράνκλιν (1923) Χρυσό μετάλλιο της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας (1923) Μετάλλιο και βραβείο Duddell (1929)

Ο Albert Abraham Michelson στα Wikimedia Commons

Albert Abraham Michelson(Αγγλικά) Albert Abraham Michelson; 19 Δεκεμβρίου 1852, Strelno, Πρωσία - 9 Μαΐου 1931, Πασαντένα, ΗΠΑ) - Αμερικανός φυσικός, γνωστός για την εφεύρεση του συμβολόμετρου Michelson που πήρε το όνομά του και για τις μετρήσεις ακριβείας της ταχύτητας του φωτός. Το 1907 έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής «για τη δημιουργία ακριβών οπτικών οργάνων και τις φασματοσκοπικές και μετρολογικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθειά τους».

Βιογραφία

Albert Abraham Michelson

Γεννήθηκε ένα από τα έξι παιδιά σε μια εβραϊκή οικογένεια, στο πολωνικό τμήμα του πρωσικού βασιλείου. Ο πατέρας του, Samuil Mikhelson, ασχολούνταν με το εμπόριο. μητέρα - Rosalia Mikhelzon (nee Prilubskaya), ήταν η κόρη του Abram Prilubsky από το Inowroclaw .. Όταν το αγόρι ήταν δύο ετών (1855), οι γονείς του μετανάστευσαν στη Νέα Υόρκη (ΗΠΑ), όπου το επώνυμό τους άρχισε να προφέρεται ως "Mikelson ". Από εκεί, η οικογένεια μετακόμισε στα δυτικά της χώρας, ζώντας πρώτα στους οικισμούς εξόρυξης του Murphys (στην Καλιφόρνια) και στη Βιρτζίνια Σίτι (Νεβάδα), όπου ο πατέρας του ανέπτυξε μια επιτυχημένη επιχείρηση αποξηραμένων φρούτων. Κατά τα σχολικά του χρόνια, ο Albert Michelson έζησε στο Σαν Φρανσίσκο, στην οικογένεια της θείας του, Henrietta Levy (μητέρα της συγγραφέα Harriet Lane Levy, ξαδερφος ξαδερφηεπιστήμονας).

Το 1869, ο Michelson άρχισε να εκπαιδεύεται στη Ναυτική Ακαδημία των Ηνωμένων Πολιτειών στην Αννάπολη. Το 1873 ολοκλήρωσε τις σπουδές του. Από την αρχή των σπουδών του, ο Michelson ενδιαφέρθηκε πολύ για την επιστήμη και ειδικότερα το πρόβλημα της μέτρησης της ταχύτητας του φωτός. Αφού συνέχισε, για δύο χρόνια, την εκπαίδευση στην Ευρώπη, αποσύρεται από τη στρατιωτική θητεία. Το 1883 έγινε καθηγητής φυσικής στο Cleveland School of Applied Sciences και επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός βελτιωμένου συμβολόμετρου.

Μετά το 1889 εργάστηκε ως καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Clark στο Worcester. Το 1892 έγινε καθηγητής και επικεφαλής του τμήματος φυσικής του νεοϊδρυθέντος Πανεπιστημίου του Σικάγο. Το 1907, ο Michelson γίνεται ο πρώτος Αμερικανός που κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής. Την ίδια χρονιά, ο Michelson έλαβε επίσης το μετάλλιο Copley για εξαιρετικά επιτεύγματα στην πειραματική φυσική.

ταχύτητα του φωτός

Πρώτες μετρήσεις

Ήδη το 1877, όταν ήταν αξιωματικός στο Ναυτικό των ΗΠΑ, ο Michelson άρχισε να βελτιώνει τη μέθοδο μέτρησης της ταχύτητας του φωτός χρησιμοποιώντας έναν περιστρεφόμενο καθρέφτη που πρότεινε ο Leon Foucault. Η ιδέα του Michelson ήταν να χρησιμοποιήσει καλύτερα οπτικά και μεγαλύτερη εμβέλεια. Το 1878, έκανε τις πρώτες μετρήσεις σε μια μάλλον αυτοσχέδια συσκευή. Αυτό το έργο τράβηξε την προσοχή του Simon Newcomb, διευθυντή του Γραφείου Nautical Almanac, ο οποίος επίσης σχεδίαζε να κάνει παρόμοια πειράματα. Ο Michelson δημοσίευσε το αποτέλεσμά του των 299.910 ± 50 km/s το 1879. Μετά από αυτό, μετακόμισε στην Ουάσιγκτον (ΗΠΑ) για να βοηθήσει με τα πειράματα του Simon Newcomb. Έτσι ξεκίνησε μια φιλία και συνεργασία μεταξύ των δύο επιστημόνων.

Ο Newcomb έλαβε στα πειράματά του, τα οποία χρηματοδοτήθηκαν καλύτερα, την τιμή της ταχύτητας του φωτός 299 860 ± 30 km / s, η οποία συνέπιπτε εντός των ορίων των σφαλμάτων μέτρησης με την τιμή του Michelson. Ο Michelson βελτίωσε περαιτέρω τη μέθοδό του. δημοσίευσε το 1883 την τιμή των 299.853±60 km/s.

Το όρος Wilson και η εποχή πριν από το 1926

Το 1906, οι E. B. Rosa και N. E. Dorsey μέτρησαν την ταχύτητα του φωτός χρησιμοποιώντας μια νέα, ηλεκτρική μέθοδο. Στα πειράματά τους, έλαβαν τιμή 299.781±10 km/s.

Μετά το 1920, ο Michelson προχώρησε στην «τελική» μέτρηση της ταχύτητας του φωτός στο Παρατηρητήριο Mount Wilson και η μέτρηση βασίστηκε σε απόσταση 22 μιλίων - στο όρος Lookout, που βρίσκεται στη νότια πλευρά του όρους San Antonio.

Το 1922, η Επιτροπή Ακτών και Γεωδαιτικής των ΗΠΑ ξεκίνησε μια προσεκτική μέτρηση αυτής της απόστασης χρησιμοποιώντας τις νεοεφευρεθείσες ταινίες invar, η οποία διήρκεσε δύο χρόνια. Το 1924, όταν το μήκος μετρήθηκε με ακρίβεια 10−6, άρχισαν να μετρούν την ταχύτητα του φωτός, η οποία διήρκεσε επίσης δύο χρόνια και έδωσε την τιμή της ταχύτητας του φωτός 299.796±4 km/s.

Αυτό το διάσημο πείραμα είναι επίσης γνωστό για τα προβλήματά του. Για παράδειγμα, ήταν ένα μεγάλο πρόβλημα Πυρκαγιές στο δάσος, ο καπνός από τον οποίο οδήγησε σε θόλωση των καθρεφτών. Είναι επίσης απολύτως πιθανό οι γεωδαιτικές μετρήσεις που έγιναν με τόσο μεγάλη ακρίβεια να ήταν λανθασμένες λόγω της μετατόπισης βάσης που συνέβη κατά τον σεισμό της Σάντα Μπάρμπαρα στις 29 Ιουνίου 1925, ο οποίος είχε μέγεθος 6,3 βαθμών της κλίμακας Ρίχτερ.

Michelson, Pease and Pearson το 1932

Μετά το 1927, εμφανίστηκαν πολλές μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός χρησιμοποιώντας νέες ηλεκτροοπτικές μεθόδους, οι οποίες έδωσαν σημαντικά χαμηλότερες τιμές για την ταχύτητα του φωτός από την οπτική μέθοδο του Michelson που καθορίστηκε το 1926.

Ο Michelson συνέχισε να αναζητά μια μέθοδο μέτρησης που θα απέκλειε την επίδραση των ατμοσφαιρικών διαταραχών. Το 1930 άρχισε, μαζί με τους Φράνσις Πις και Φρεντ Πίρσον, να μετρούν την ταχύτητα του φωτός σε σωλήνες κενού μήκους 1,6 χιλιομέτρων. Ο Michelson πέθανε μετά την 36η από τις συνολικά 233 μετρήσεις που έγιναν. Το πείραμα παρεμποδίστηκε κυρίως από γεωλογικές αστάθειες και συμπύκνωση στους σωλήνες. Στο τέλος, τα πειράματα έδωσαν μια τιμή 299 774 ± 11 km/s, η οποία συνέπεσε με τα αποτελέσματα των ηλεκτροοπτικών μεθόδων.

Συμβολομετρία

Το 1881 ο Michelson κράτησε φυσική εμπειρία(το πείραμα του Michelson) στο συμβολόμετρο του για να μετρήσει την εξάρτηση της ταχύτητας του φωτός από την κίνηση της Γης. Το αποτέλεσμα του πειράματος ήταν αρνητικό - η ταχύτητα του φωτός δεν εξαρτιόταν σε καμία περίπτωση από την ταχύτητα της κίνησης της Γης και από την κατεύθυνση της μετρούμενης ταχύτητας.

Το 1887, ο Michelson, μαζί με τον E. W. Morley, διεξήγαγαν ένα πείραμα γνωστό ως πείραμα Michelson-Morley. Σε αυτό το πείραμα, προσδιορίστηκε η ταχύτητα της κίνησης της Γης σε σχέση με τον αιθέρα. Σε αντίθεση με την προσδοκία, το πείραμα (καθώς και οι μεταγενέστερες και ακριβέστερες τροποποιήσεις του που έγιναν μέχρι σήμερα) δεν αποκάλυψε την κίνηση της Γης σε σχέση με τον αιθέρα. Ο Αϊνστάιν, στην πρώτη του εργασία για τη θεωρία της σχετικότητας, αναφέρει «αποτυχημένες προσπάθειες ανίχνευσης της κίνησης της Γης σε σχέση με το «φωτοφόρο μέσο»» και, σε αυτή τη βάση, χτίζει μια νέα παγκόσμια κινηματική (όχι μόνο για ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα ). Η εμπειρία του Michelson έγινε η βάση και η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας της σχετικότητας.

Το 1920, ο Michelson διεξήγαγε ένα πείραμα για να μετρήσει το γωνιακό μέγεθος των αστεριών. Για να το κάνει αυτό, χρησιμοποίησε ένα συμβολόμετρο με μήκος ώμου 6 μ. Το φως από το συμβολόμετρο εστάλη χρησιμοποιώντας καθρέφτες στην είσοδο ενός τηλεσκοπίου 254 εκατοστών. Σε αυτή την περίπτωση, ένα σύστημα ζωνών παρατηρήθηκε στο τηλεσκόπιο. Καθώς οι βραχίονες του συμβολόμετρου επιμήκυναν, ​​τα κρόσσια εξαφανίστηκαν. Από την απόσταση μεταξύ των κατόπτρων συμβολόμετρου, ήταν δυνατό να προσδιοριστεί το γωνιακό μέγεθος του άστρου, και αν ήταν γνωστή η απόσταση από το αστέρι, επίσης η διάμετρός του. Ο Michelson προσδιόρισε έτσι τη διάμετρο του αστεριού Betelgeuse.

Μνήμη

Το 1970, η Διεθνής Αστρονομική Ένωση ονόμασε έναν κρατήρα αντιθετη πλευραΦεγγάρι. Το μετάλλιο Albert Michelson που απονέμεται από το Ινστιτούτο Φράνκλιν ονομάζεται προς τιμήν του.

Βιβλιογραφία

• A. A. Michelson, "Research in Optics", URSS Publishing House, Μόσχα, 2004. ISBN 5-354-00945-6
• Albert A. Michelson, MA, US Navy "The Relative Motion of the Earth and the Luminous Aether" (1881). (Η σχετική κίνηση της Γης και ο Φωτεινός αιθέρας. Albert A. Michelson, Master, U.S.Navy) // The American Journal of Science. 1881. Σειρά III. Τόμος XXII, Αρ. 128. Σ. 120-129. Μετάφραση από τα αγγλικά. L. S. Knyazeva.
• Albert A. Michelson, Edward W. Morley "On the relative motion of the Earth and the luminiferous ether" (1887) (The relative motion of the Earth and the Luminiferous ether. Albert A. Michelson, Master, USNavy) // The American Journal of Science. 1881. Σειρά III. Τόμος XXII, Αρ. 128. Σ. 120-129. Μετάφραση από τα αγγλικά. L. S. Knyaeeva.
• A. A. Michelson. «Επίδραση της περιστροφής της Γης στην ταχύτητα του φωτός. Μέρος Ι "(1925) (The effect of the earth's rotation on the speed of light. Part. 1. A.A. Michelson) // The Astrophys. J. April 1925. Vol. LXI. Νο. 5. Σ. 137-139. Μετάφραση από τα αγγλικά. L. S. Knyaeeva.
• A. A. Michelson, Henry G. Gehl, Συνεισφορά Fred Pearson. «Επίδραση της περιστροφής της Γης στην ταχύτητα του φωτός. Μέρος ΙΙ». (1925) (The effect of the earth's rotation on the speed of light. Part II. A.A. Michelson, Henry G. Gale. Assisted by Fred Pearson) // The Astrophysical J. April 1925. Vol LXI. Νο. 5. Σ. 140-145. Μετάφραση από τα αγγλικά. L. S. Knyazeva.
• Συνέδριο για το πείραμα Michelson-Morley. Πραγματοποιήθηκε στο Mount Wilson Observatory, Pasadena, Καλιφόρνια, 4 και 5 Φεβρουαρίου 1927) //The Astrophysical Journal. Δεκέμβριος 1928. Τόμ. LXVIII, αρ. 5. Σ. 341-402. Μετάφραση από τα αγγλικά. V. A. Atsyukovsky και L. S. Knyazeva.
• A. A. Michelson, F. G. Peace και F. Pearson. "Επανάληψη του πειράματος Michelson-Morley" (1929) (Επανάληψη του πειράματος Michelson-Morley. 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. Μάρτιος 1929. Τόμος 18, Νο 3. Σ. 181-182. Μετάφραση από τα αγγλικά. V. A. Atsyukovsky.

Υπόθεση του παγκόσμιου αιθέρα. Πειράματα Michelson και Morley

Ο K.Maxwell βρήκε τις σωστές εξισώσεις της ηλεκτροδυναμικής, βασιζόμενος στην ιδέα του αιθέρα, ο οποίος τελικά έγινε ξεπερασμένος. Όλα τα κύματα που ήταν γνωστά εκείνη την εποχή μπορούσαν να διαδοθούν μόνο σε διάφορα μέσα, επομένως, όχι μόνο ο Maxwell, αλλά όλοι οι φυσικοί πίστευαν ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι μια ελαστική ταλάντωση κάποιου ελαφρύτερου, παντός διεισδυτικού μέσου. Αυτό το μέσο ονομάστηκε παγκόσμιος αιθέρας. Δεδομένου ότι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι ένα εγκάρσιο κύμα, ήταν απαραίτητο να υποθέσουμε ότι ο αιθέρας είναι στερεός.

Ο γνωστός πειραματιστής A. Michelson (βλ. συμβολόμετρο Michelson) αποφάσισε να προσπαθήσει να καταγράψει πειραματικά το γεγονός της ύπαρξης του αιθέρα και να μετρήσει την ταχύτητα της Γης που διέρχεται από τον αιθέρα. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποίησε το συμβολόμετρο του. Ας θυμηθούμε πώς λειτουργεί. Μια παράλληλη δέσμη φωτός πέφτει πάνω σε ένα ημιδιαφανές πλαστικό Ππροσανατολισμένο σε γωνία 450 στη δέσμη. Κάποιο από το φως ταξιδεύει και κάποιο αντανακλάται. Το ανακλώμενο φως πέφτει στον καθρέφτη Ζ1και, επιστρέφοντας, περνάει μια ημιδιαφανή πλάκα στην οθόνη μι. Η δοκός που έχει περάσει από την πλάκα προσπίπτει σε άλλο κάτοπτρο κατά το πρώτο πέρασμα. Ζ2και, επιστρέφοντας, αντανακλάται από την ημιδιαφανή πλάκα στην οθόνη. Η υπέρθεση δύο ακτίνων που έχουν διανύσει διαφορετικές διαδρομές δίνει ένα μοτίβο παρεμβολής. Μια μικρή διαφορά στη γωνία μεταξύ των καθρεπτών από 900 οδηγεί στο γεγονός ότι το σχέδιο παρεμβολής είναι ένα σύστημα κροσσών παρεμβολής.

Το συμβολόμετρο ευθυγραμμίστηκε κατά μήκος της εκτιμώμενης ταχύτητας της Γης σε σχέση με τον αιθέρα. Εάν, για λόγους απλότητας, υποθέσουμε ότι τα μήκη των βραχιόνων του συμβολόμετρου είναι ίσα, τότε το φως που διαδίδεται κατά μήκος και κατά μήκος της κίνησης της Γης θα χρειαστεί διαφορετικούς χρόνους για να φτάσει στην οθόνη. Αν τώρα γυρίσουμε το συμβολόμετρο στο 900 , τότε οι χρόνοι καθυστέρησης των δοκών θα αλλάξουν θέση και το μοτίβο παρεμβολής θα αλλάξει. Η μετατόπιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του χρόνου καθυστέρησης και, κατά συνέπεια, της ταχύτητας της Γης σε σχέση με τον ακίνητο αιθέρα.

Εργασία 3. Ας υποθέσουμε ότι η Γη κινείται σε σχέση με τον αιθέρα με ταχύτητα v. Υπολογίστε την αναμενόμενη μετατόπιση του σχεδίου παρεμβολής (σε μονάδες της απόστασης μεταξύ των μέγιστων έντασης) σε μήκος κύματος φωτός μεγάλο, αφού γυρίσετε το συμβολόμετρο κατά 900 με το μήκος του βραχίονα συμβολόμετρου μεγάλο.

Ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε μαζί με τον Morley έδειξε ότι δεν υπάρχει μετατόπιση στο μοτίβο παρεμβολής όταν το συμβολόμετρο περιστρέφεται κατά 900 μη ορατό. Ως εκ τούτου, ήταν απαραίτητο να συμπεράνουμε: είτε ο αιθέρας παρασύρεται εντελώς από τη Γη και η σχετική κίνηση της Γης και ο αιθέρας απουσιάζει, είτε ο αιθέρας δεν υπάρχει, και η διαδικασία διάδοσης του φωτός δεν είναι η διάδοση ενός ελαστικού κύμα. Ο Michelson κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο αιθέρας παρασύρεται εντελώς από τη Γη.

2.2 Πειραματικές αντιφάσεις στην υπόθεση
χόμπι του αιθέρα

Η υπόθεση για την πλήρη συμπαρασυρμό του αιθέρα από τη Γη έρχεται σε αντίθεση με άλλα πειραματικά δεδομένα. Έτσι, ο Άγγλος αστρονόμος J. Bradley ανακάλυψε ότι τα πιο μακρινά αστέρια κάνουν μια φαινομενική ετήσια κίνηση σε κύκλο ή σε μια έλλειψη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται εκτροπή του αστρικού φωτός. Αποδείχθηκε ότι η γωνιακή διάμετρος των τροχιών σχεδόν όλων των αστεριών είναι ίδια και ίση με 40,5 τόξο δευτερόλεπτα. Μια στοιχειώδης εξήγηση της εκτροπής γίνεται απλή και κατανοητή αν κάνουμε μια αναλογία μεταξύ της διάδοσης του φωτός και της πτώσης των σταγόνων της βροχής. Όταν δεν υπάρχει άνεμος, ένας ακίνητος παρατηρητής βλέπει ότι οι σταγόνες πέφτουν κατακόρυφα. Ωστόσο, αν κάθεστε σε ένα κινούμενο αυτοκίνητο, μπορείτε να δείτε την λοξή πτώση των σταγόνων. Η βροχή πέφτει από πάνω και μπροστά.

Εργασία 4. Έστω ο ρυθμός πτώσης των σταγόνων βροχής σε σχέση με τη Γη ντο, η ταχύτητα του αυτοκινήτου είναι v. Ποια είναι η γωνία με την οποία πέφτουν τα σταγονίδια από το αυτοκίνητο; Χρησιμοποιώντας το αποτέλεσμα που προέκυψε και δεδομένα σχετικά με τη φαινομενική γωνιακή διάμετρο των τροχιών των άστρων, προσδιορίστε την ταχύτητα του φωτός. Η τροχιακή ταχύτητα της Γης είναι 30 km/s.

Εάν ο αιθέρας παρασυρόταν εντελώς από τη Γη, τότε δεν θα υπήρχε παρέκκλιση.

συμπέρασμα

Έτσι, από τα πειράματα του Michelson και από φαινόμενα παρόμοια με την εκτροπή του αστρικού φωτός, θα πρέπει να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η ταχύτητα του φωτός σε οποιοδήποτε πλαίσιο αναφοράς είναι η ίδια και είναι ίση με ντο.[Οι πιο ακριβείς μετρήσεις μέχρι στιγμής δίνουν την τιμή c=(2,997925 ± 0,000003)×108m/s.]

Ας υποθέσουμε ότι ένα φωτεινό σήμα από τη Γη λαμβάνεται σε ένα διαστημόπλοιο που αναχωρεί με μεγάλη ταχύτητα από τη Γη. Κατά τη μέτρηση της ταχύτητας διάδοσής του, θα βρεθεί μια τιμή ντοανεξάρτητα από την ταχύτητα του πλοίου: ντο- v =γ!Ή άλλο παράδειγμα. Προς το παρόν, είναι αξιόπιστα τεκμηριωμένο ότι οι γαλαξίες μακριά από το ηλιακό σύστημα υποχωρούν. Το σύμπαν διαστέλλεται. Η ταχύτητα διαφυγής είναι μεγαλύτερη όσο πιο μακριά βρίσκεται ο γαλαξίας. Οι πολύ μακρινοί γαλαξίες τρέχουν μακριά με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, το φως που προέρχεται από αυτούς τους γαλαξίες έχει ταχύτητα ντο. Αυτό το γεγονός, καθώς και ηλεκτροδυναμικά πειράματα, υποδηλώνουν την ανάγκη να εγκαταλειφθούν οι Γαλιλαίοι μετασχηματισμοί των συντεταγμένων και της ταχύτητας, ο κανόνας για την πρόσθεση ταχυτήτων.

Η εμπειρία του A. Michelson και η ειδική θεωρία της σχετικότητας

Όπως αναφέρθηκε ήδη στην ενότητα για τον μικρόκοσμο, η νέα φυσική γεννήθηκε στις αρχές του 19ου και του 20ου αιώνα, αφού η κλασική επιστήμη δεν μπορούσε να εξηγήσει τα αποτελέσματα ορισμένων πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν τον 19ο αιώνα. Από την επιθυμία να εξηγηθούν οι ακτίνες Χ και η ραδιενέργεια, προέκυψαν η κβαντική μηχανική και η πυρηνική φυσική. Η θεωρία της σχετικότητας του Α. Αϊνστάιν προέκυψε από μια προσπάθεια να εξηγήσει τα αποτελέσματα της εμπειρίας ενός Αμερικανού φυσικού και μηχανικού Άλμπερτ Μίχελσον(1852 - 1931) για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός σε σχέση με τον ακίνητο αιθέρα, την ύπαρξη του οποίου πρότεινε ο J. Maxwell. Τα αποτελέσματα του πειράματος του Michelson, για το οποίο έλαβε το βραβείο Νόμπελ, ήταν απροσδόκητα: αποδείχθηκε ότι 1) η ταχύτητα του φωτός δεν εξαρτάται από την ταχύτητα της πηγής του. 2) ότι είναι μια παγκόσμια σταθερά και είναι σταθερή σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς. 3) ότι δεν μπορεί να γίνει υπέρβαση. δηλαδή η ταχύτητα του φωτός είναι μέγιστη ταχύτηταμετάδοση σήματος. Ως αποτέλεσμα, τα αποτελέσματα που έλαβε ο A. Michelson έδειξαν ότι αιθέρας δεν υπάρχει.

Αυτά τα αποτελέσματα ήταν τα πρώτα από τις «φάλαινες» στις οποίες η ειδικός Θεωρία της σχετικότητας. Η δεύτερη «φάλαινα» ήταν η αρχή της σχετικότητας του Γ. Γαλιλαίου, την οποία ο Α. Αϊνστάιν επαναδιατύπωσε ως εξής: όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς είναι ισοδύναμα μεταξύ τους ως προς τον καθορισμό οποιωνδήποτε φυσικών πειραμάτων σε αυτά, και κανένα από αυτά (σε σχέση στο οποίο ο αιθέρας θα ήταν ακίνητος) έχει πλεονεκτήματα έναντι των άλλων.

Ο Α. Αϊνστάιν ήταν ο μεγαλύτερος θεωρητικός, και όταν εργαζόταν στη θεωρία της σχετικότητας, χρησιμοποίησε τη μέθοδο ενός πειράματος σκέψης που ονομάζεται «Το πλοίο του Α. Αϊνστάιν». Η ουσία αυτού του πειράματος είναι η εξής. Ένα πλοίο πλέει κατά μήκος της ακτής, μέσα στο οποίο ένα ποντίκι τρέχει προς την κατεύθυνση του πλοίου. Η ταχύτητα του ποντικιού σε σχέση με την ακτή είναι το άθροισμα της δικής του ταχύτητας σε σχέση με το πλοίο και της ταχύτητας του πλοίου σε σχέση με την ακτή. Αν υποθέσουμε ότι η ταχύτητα του πλοίου πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός (θεωρητικά, αυτό είναι δυνατό), τότε η ταχύτητα του ποντικιού σε σχέση με την ακτή θα υπερβεί την ταχύτητα του φωτός, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με το αποτέλεσμα του πειράματος του A. Michelson.

Για να λύσει την αντίφαση που προέκυψε, ο Α. Αϊνστάιν έπρεπε να αλλάξει το παράδειγμα: μέσα από λογικούς συλλογισμούς και μαθηματικούς υπολογισμούς, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σε υψηλές ταχύτητες ανάλογες με την ταχύτητα του φωτός (και αυτές είναι οι ταχύτητες του MEGA WORLD , των οποίων τα αντικείμενα είναι τα αστέρια, οι γαλαξίες και το Σύμπαν), το παράδειγμα του Νεύτωνα για την απολυτότητα και την ανεξαρτησία του χώρου και του χρόνου δεν λειτουργεί. Από αυτό ακολούθησε ότι στις υψηλές ταχύτητες ο χώρος και ο χρόνος αποδεικνύεται ότι αλληλοσυνδέονται και ο χρόνος γίνεται η τέταρτη συντεταγμένη, δηλ. ο χώρος υπό αυτές τις συνθήκες έχει τουλάχιστον τέσσερις διαστάσεις.

Τρεις συνέπειες προέκυψαν από αυτό:

1) σε υψηλές ταχύτητες, ανάλογες με την ταχύτητα του φωτός,

η απόσταση μειώνεται, το τμήμα μειώνεται και με ταχύτητα

ελαφρύ (αν αποδείχθηκε ότι ήταν εφικτό), συρρικνώνεται σε ένα σημείο.

2) σε υψηλές ταχύτητες, ο χρόνος επιβραδύνεται. Το παράδειγμα του Αϊνστάιν είναι ευρέως γνωστό, το οποίο ονόμασε «παράδοξο των διδύμων»: δύο δίδυμα αγόρια γεννήθηκαν στη Γη την ίδια μέρα, το ένα πήγε σε μια μεγάλη διαστημική πτήση και ο άλλος πέρασε όλη του τη ζωή στη Γη. Όταν ο αστροναύτης επιστρέψει στο σπίτι, θα είναι ακόμα νέος (με τις τεράστιες ταχύτητες της διαστημικής πτήσης, ο χρόνος θα κυλά πιο αργά από ό,τι στη Γη) και ο αδερφός του θα αποδειχθεί πολύ ηλικιωμένος.

3) η μάζα του σώματος δεν εξαρτάται από την ταχύτητα του σώματος. Ως εκ τούτου προκύπτει ότι

κανένα σώμα με μάζα διαφορετική από το μηδέν δεν μπορεί να επιταχυνθεί

την ταχύτητα του φωτός, γιατί αυτό θα απαιτούσε άπειρη ενέργεια.

Επιπλέον, ο Α. Αϊνστάιν βρήκε μια σύνδεση μεταξύ μάζας και ενέργειας: η μάζα ενός σώματος είναι ένα μέτρο της ενέργειας που περιέχεται σε αυτό. Έτσι εμφανίστηκε ο περίφημος τύπος Å= mc2, όπου E είναι η ενέργεια ηρεμίας του σωματιδίου, m είναι η μάζα ηρεμίας του, c είναι η ταχύτητα του φωτός.

Η πειραματική επιβεβαίωση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας ήρθε από τον μικρόκοσμο. Αποδείχθηκε ότι σε πειράματα με στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία επιταχύνονται σε πολύ υψηλές ταχύτητες σε ειδικούς επιταχυντές, για καλή συμφωνία μεταξύ των πειραματικών και των υπολογισμένων δεδομένων, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η επίδραση της αύξησης της μάζας, οι λεγόμενες σχετικιστικές διορθώσεις στη μάζα. λογαριασμός (η αγγλική λέξη "relativ" σημαίνει "συγγενής"). Η διαστολή του χρόνου έχει ήδη καταγραφεί πειραματικά σε ταχύτητες διαστημικών πτήσεων (στο διάστημα, τα ρολόγια είναι λίγο πίσω). Όλα τα παραπάνω δείχνουν ότι η ειδική θεωρία της σχετικότητας περιγράφει όχι μόνο τον μέγα-κόσμο, αλλά και τον μικρό-κόσμο. Στον μακρόκοσμο, ωστόσο, οι ταχύτητες είναι πολύ χαμηλές και οι μάζες είναι πολύ μεγάλες για να παρατηρηθούν πειραματικά σχετικιστικά φαινόμενα.

Άρα, η ειδική θεωρία της σχετικότητας λέει ότι σε υψηλές ταχύτητες (στο μέγα-κόσμο και στον μικρό-κόσμο) εκδηλώνεται η αλληλοσυσχέτιση χώρου και χρόνου, δηλ. πραγματοποίησαν τουλάχιστον τετραδιάστατο χωροχρόνο. Στον μακρόκοσμο, οι ταχύτητες είναι τόσο μικρές που η σχέση μεταξύ χώρου και χρόνου δεν μπορεί να καθοριστεί πειραματικά.

Τι ήταν το πείραμα του Michelson;

Ζαφείρι

Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς το απόλυτο κενό - ένα πλήρες κενό που δεν περιέχει τίποτα. Η ανθρώπινη συνείδηση ​​επιδιώκει να τη γεμίσει με τουλάχιστον κάτι υλικό, και για πολλούς αιώνες της ανθρώπινης ιστορίας πίστευαν ότι ο παγκόσμιος χώρος είναι γεμάτος με αιθέρα. Η ιδέα ήταν ότι ο διαστρικός χώρος είναι γεμάτος με κάποιο είδος αόρατης και άυλης λεπτής ουσίας. Όταν ελήφθη το σύστημα εξισώσεων του Maxwell, που προβλέπει ότι το φως διαδίδεται στο διάστημα με πεπερασμένη ταχύτητα, ακόμη και ο ίδιος ο συγγραφέας αυτής της θεωρίας πίστευε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται σε ένα μέσο, ​​όπως τα ακουστικά κύματα διαδίδονται στον αέρα και τα κύματα της θάλασσας στο νερό. Στο πρώτο μισό του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες επεξεργάστηκαν προσεκτικά ακόμη και το θεωρητικό μοντέλο του αιθέρα και τη μηχανική της διάδοσης του φωτός, συμπεριλαμβανομένων όλων των ειδών μοχλών και αξόνων, που υποτίθεται ότι συμβάλλουν στη διάδοση των ταλαντωτικών κυμάτων φωτός στον αιθέρα.
Το 1887, δύο Αμερικανοί φυσικοί - ο Albert Michelson και ο Henry Morley - αποφάσισαν να πραγματοποιήσουν από κοινού ένα πείραμα σχεδιασμένο για να αποδείξει μια για πάντα στους σκεπτικιστές ότι ο φωτεινός αιθέρας υπάρχει πραγματικά, γεμίζει το Σύμπαν και χρησιμεύει ως μέσο στο οποίο το φως και άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδω. Ο Michelson είχε αδιαμφισβήτητη εξουσία ως σχεδιαστής οπτικών οργάνων και ο Morley ήταν διάσημος ως ένας ακούραστος και αλάνθαστος πειραματικός φυσικός. Η εμπειρία που επινόησαν είναι πιο εύκολο να περιγραφεί παρά να πραγματοποιηθεί πρακτικά.
Οι Michelson και Morley χρησιμοποίησαν ένα συμβολόμετρο - μια οπτική συσκευή μέτρησης στην οποία μια δέσμη φωτός χωρίζεται στα δύο από έναν ημιδιαφανή καθρέφτη (μια γυάλινη πλάκα είναι επαργυρωμένη στη μία πλευρά ακριβώς ώστε να μεταδίδει εν μέρει τις ακτίνες φωτός που εισέρχονται σε αυτήν και να τις ανακλά εν μέρει. παρόμοια τεχνολογία χρησιμοποιείται σήμερα σε κάμερες SLR). Ως αποτέλεσμα, η δέσμη διασπάται και οι δύο προκύπτουσες συνεκτικές δέσμες αποκλίνουν σε ορθή γωνία μεταξύ τους, μετά την οποία αντανακλώνται από δύο ανακλαστικά κάτοπτρα σε ίση απόσταση από το ημιδιαφανές κάτοπτρο και επιστρέφουν στο ημιδιαφανές κάτοπτρο, η προκύπτουσα δέσμη φωτός από την οποία επιτρέπει μπορείτε να παρατηρήσετε το σχέδιο παρεμβολής και να αποκαλύψετε τον παραμικρό αποσυγχρονισμό των δύο ακτίνων (καθυστέρηση της μιας δέσμης σε σχέση με την άλλη, βλέπε Παρεμβολή).
Το πείραμα Michelson-Morley είχε θεμελιώδη στόχο να επιβεβαιώσει (ή να αντικρούσει) την ύπαρξη του παγκόσμιου αιθέρα αποκαλύπτοντας τον «αιθέριο άνεμο» (ή το γεγονός της απουσίας του). Πράγματι, κινούμενη σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, η Γη κινείται σε σχέση με τον υποθετικό αιθέρα για μισό χρόνο προς μια κατεύθυνση και για τον επόμενο μισό χρόνο προς μια άλλη. Κατά συνέπεια, για μισό χρόνο ο «αιθερικός άνεμος» θα πρέπει να φυσά πάνω από τη Γη και, ως αποτέλεσμα, να μετατοπίζει τις ενδείξεις του συμβολόμετρου προς μια κατεύθυνση και για μισό χρόνο - προς την άλλη. Έτσι, παρατηρώντας την εγκατάστασή τους για ένα χρόνο, ο Michelson και ο Morley δεν βρήκαν καμία αλλαγή στο μοτίβο παρεμβολών: απόλυτη αιθέρια ηρεμία! (Τα σύγχρονα πειράματα αυτού του είδους, που πραγματοποιήθηκαν με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια, συμπεριλαμβανομένων των πειραμάτων με συμβολόμετρα λέιζερ, έδωσαν παρόμοια αποτελέσματα.) Άρα: ο αιθερικός άνεμος και, επομένως, ο αιθέρας δεν υπάρχει.
Ελλείψει του αιθέριου ανέμου και του αιθέρα, ως εκ τούτου, μια αδιάλυτη σύγκρουση μεταξύ της κλασικής μηχανικής του Νεύτωνα (που υπονοεί κάποιο απόλυτο πλαίσιο αναφοράς) και των εξισώσεων του Maxwell (σύμφωνα με τις οποίες η ταχύτητα του φωτός έχει οριακή τιμή ανεξάρτητη από την επιλογή του πλαισίου αναφοράς) έγινε προφανές, γεγονός που είχε ως αποτέλεσμα την εμφάνιση της θεωρίας της σχετικότητας. Το πείραμα Michelson-Morley έδειξε τελικά ότι δεν υπάρχει «απόλυτο πλαίσιο αναφοράς» στη φύση. Και, ανεξάρτητα από το πόσο ο Αϊνστάιν στη συνέχεια ισχυρίστηκε ότι δεν έδωσε καμία σημασία στα αποτελέσματα των πειραματικών μελετών κατά την ανάπτυξη της θεωρίας της σχετικότητας, δεν είναι απαραίτητο να αμφισβητήσουμε ότι τα αποτελέσματα των πειραμάτων Michelson-Morley συνέβαλαν στην ταχεία αποδοχή του μια τέτοια ριζοσπαστική θεωρία από την επιστημονική κοινότητα σοβαρά.

Το πείραμα του Michelson είναι ένα φυσικό πείραμα που δημιουργήθηκε από τον Michelson το 1881 για να μετρήσει την εξάρτηση της ταχύτητας του φωτός από την κίνηση της Γης σε σχέση με τον αιθέρα. Ο αιθέρας τότε κατανοήθηκε ως ένα μέσο παρόμοιο με την ογκομετρικά κατανεμημένη ύλη, στην οποία το φως διαδίδεται σαν ηχητικές δονήσεις. Το αποτέλεσμα του πειράματος ήταν αρνητικό - η ταχύτητα του φωτός δεν εξαρτιόταν σε καμία περίπτωση από την ταχύτητα της κίνησης της Γης και από την κατεύθυνση της μετρούμενης ταχύτητας. Αργότερα, το 1887, ο Michelson, μαζί με τον Morley, πραγματοποίησαν ένα παρόμοιο αλλά πιο ακριβές πείραμα, γνωστό ως πείραμα Michelson-Morley, το οποίο έδειξε το ίδιο αποτέλεσμα. Το 1958, ένα ακόμη πιο ακριβές πείραμα διεξήχθη στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια (ΗΠΑ) χρησιμοποιώντας τις αντίθετες κατευθυντικές δέσμες δύο μέιζερ, οι οποίες έδειξαν την αμετάβλητη συχνότητα από την κίνηση της Γης με ακρίβεια περίπου 10−9% (η ευαισθησία σε η ταχύτητα της κίνησης της Γης σε σχέση με τον αιθέρα ήταν 30 m/s) . Ακόμη πιο ακριβείς μετρήσεις το 1974 έφεραν την ευαισθησία στα 0,025 m/s. Οι σύγχρονες εκδόσεις του πειράματος Michelson χρησιμοποιούν οπτικές και κρυογονικές κοιλότητες μικροκυμάτων και καθιστούν δυνατή την ανίχνευση μιας απόκλισης από την ανισοτροπία της ταχύτητας του φωτός εάν ήταν πολλές μονάδες ανά 10−16.
Η εμπειρία του Michelson είναι η εμπειρική βάση της αρχής της αμετάβλητης ταχύτητας του φωτός, η οποία περιλαμβάνεται στη γενική θεωρία της σχετικότητας (GR) και στην ειδική θεωρία της σχετικότητας (SRT).

Μπέρναρντ Τζεφ

5. Πείραμα Michelson-Morley

Το Case School of Applied Science, το οποίο άνοιξε τις πόρτες του στους φοιτητές το 1881 και αργότερα έγινε το Case Institute of Technology, στεγάστηκε σε ένα σπίτι που ανήκε προηγουμένως στον Case στην Rockville Street, όχι μακριά από την κεντρική πλατεία του Κλίβελαντ. Το πρώτο πράγμα που έπρεπε να κάνει ο Μάικελσον κατά την ανάληψη των καθηκόντων του ήταν να εξοπλίσει ένα εργαστήριο σε ένα βοηθητικό κτίριο στους χώρους του σχολείου.

Δίπλα στην ιδιοκτησία του Case ήταν το Western Reserve University, το οποίο μεταφέρθηκε στο Κλίβελαντ το καλοκαίρι του 1882 από το Hudson του Οχάιο. Απέναντι από το δρόμο, εκατό μέτρα από το εργαστήριο του Michelson, ήταν το Adelbert Hall, ένα από τα πανεπιστημιακά κτίρια όπου εργαζόταν ο καθηγητής χημείας Edward W. Morley.

Ο Michelson και ο Morley σύντομα γνώρισαν και ήρθαν κοντά στη βάση κοινών επιστημονικών ενδιαφερόντων. Μαζί ταξίδευαν σε επιστημονικά συνέδρια στη Βαλτιμόρη, στο Μόντρεαλ και σε άλλες πόλεις και όσο καλύτερα γνωριζόταν ο ένας τον άλλον, τόσο η αμοιβαία συμπάθεια και ο σεβασμός τους δυνάμωνε.

Εξωτερικά, αυτοί οι δύο επιστήμονες φαίνονταν πολύ διαφορετικοί. Ο Morley ήταν πάνω από δεκαπέντε χρόνια μεγαλύτερος από τον Michelson και καταγόταν από Άγγλους αποίκους που έφυγαν από τα βρετανικά νησιά στις αρχές του 17ου αιώνα. Ο πατέρας του ήταν θρησκευτικός λειτουργός και ο ίδιος αποφοίτησε από το σεμινάριο στο Andover της Μασαχουσέτης το 1864 και ετοιμαζόταν να λάβει ιερές εντολές. Η καριέρα του είναι ένα παράδειγμα του πώς ένα χόμπι μετατρέπεται σε έργο ζωής. Μη έχοντας λάβει κατάλληλο πνευματικό τμήμα, ασχολήθηκε με τη χημεία, την οποία μέχρι τότε έκανε μόνο ερασιτεχνικά. Το 1868, το Western Reserve University του πρόσφερε θέση καθηγητή στη χημεία και τη φυσική φιλοσοφία. Ο Morley ήταν πολύ θρησκευόμενος και κατά καιρούς έκανε κηρύγματα στις γύρω εκκλησίες. Επιπλέον, συμφώνησε να δεχτεί μια θέση καθηγητή στο Western Reserve μόνο υπό τον όρο ότι θα του επιτραπεί να κηρύττει τακτικά στο παρεκκλήσι του πανεπιστημίου.

Όσο για τον Michelson, ήταν πολύ μακριά από τη θρησκεία. Ο πατέρας του ήταν άθεος και η θρησκεία δεν κατείχε καμία θέση στη ζωή της οικογένειάς τους. Έτσι, δεν προσχώρησε στην αρχαία πίστη των προπατόρων του και ήταν άπιστος σε όλη του τη ζωή. Την ανατροφή των παιδιών με το πνεύμα της θρησκείας την εμπιστεύτηκε στη γυναίκα του. Θαυμάζοντας τα θαύματα της φύσης, αρνήθηκε ωστόσο να τα αποδώσει σε κάποιον δημιουργό. Μια έναστρη νύχτα, δείχνοντας και ονομάζοντας τους αστερισμούς στον ουρανό στα παιδιά του, είπε: «Μπορείτε να ξεχάσετε τα ονόματα των αστερισμών, αλλά θεωρώ ανάξιους σεβασμού τους ανθρώπους που δεν υποκλίνονται στα θαύματα της φύσης». Κάποτε έγραψε: «Τι μπορεί να συγκριθεί στην ομορφιά με τη θαυμάσια αντιστοιχία μεταξύ των μέσων της φύσης και των σκοπών της, και με αυτόν τον αμετάβλητο κανόνα κανονικότητας που διέπει τις πιο φαινομενικά άτακτες και σύνθετες εκδηλώσεις της;» Ωστόσο, δεν αναγνώρισε την ιδέα του Θεού.

Ο Μάικελσον ήταν εμφανίσιμος, λεπτός και πάντα άψογα ντυμένος. Ο Μόρλεϋ ντυνόταν, για να το θέσω ήπια, πρόχειρα και θα ανταποκρινόταν πλήρως στη στερεότυπη ιδέα ενός αδιάφορου καθηγητή, αν όχι για τη ζωντάνια των κινήσεών του, την ενέργεια και τη φλύαριά του. Φορούσε μαλλιά μέχρι τους ώμους και ένα τεράστιο κόκκινο μουστάκι που έβγαινε σχεδόν στα αυτιά του. Ήταν παντρεμένος αλλά άτεκνος.

Ωστόσο, ο Michelson και ο Morley είχαν πολλά κοινά. Και οι δύο αγαπούσαν τη μουσική. Ο Michelson έπαιζε καλά βιολί και ο Morley ήταν εξαιρετικός οργανίστας. Και οι δύο διακρίνονταν από ευρηματικότητα όσον αφορά τα ακριβή όργανα μέτρησης και την εξαιρετική σχολαστικότητα στη δουλειά τους. Ο Morley, όπως και ο Michelson, δεν έχασε ούτε μια λεπτομέρεια και, όπως και αυτός, όταν ασχολήθηκε με τη μελέτη οποιουδήποτε επιστημονικού προβλήματος, δεν υποχώρησε μέχρι να φέρει το θέμα στο τέλος.

Πριν συναντηθεί με τον Michelson, ο Morley, ενώ έλεγχε αναφορές για διαφορετικά ποσοστά οξυγόνου σε διαφορετικά δείγματα αέρα, ανέλαβε μια μελέτη του σχετικού βάρους οξυγόνου και υδρογόνου σε καθαρό νερό. Αυτή η έρευνα κράτησε σχεδόν είκοσι χρόνια. Διεξήγαγε χιλιάδες πειράματα, πολλά με δικά του έξοδα. Ανέλυσε αμέτρητα δείγματα απεσταγμένου νερού με ηλεκτρόλυση και συνέθεσε νερό με τη μέθοδο του ηλεκτρικού σπινθήρα συνδυάζοντας δεδομένες ποσότητες δύο στοιχείων. Ως αποτέλεσμα πολλών ετών έρευνας, προσδιόρισε το βάρος αυτών των στοιχείων στο πέμπτο δεκαδικό ψηφίο. Ένα λίτρο οξυγόνου ζυγίζει 1,42900 g και το υδρογόνο 0,89873 g, με πιθανό σφάλμα τριακοσίων χιλιοστών. Αυτές οι τιμές ήταν καθολικά αποδεκτές ως τυπικές, όπως και η αναλογία υδρογόνου προς οξυγόνο του Morley από 1,0076 προς 16. Τα πειράματα του Morley ήταν κλασικά και του κέρδισαν την παγκόσμια αναγνώριση.

Επίδραση της κίνησης του μέσου στην ταχύτητα του φωτός

Ο Λόρδος Kelvin και ο Λόρδος Rayleigh ζήτησαν από τον Michelson να δοκιμάσει την επίδραση της κίνησης του μέσου στην ταχύτητα του φωτός. Ο Michelson αποφάσισε να πάρει το νερό ως κινούμενο μέσο και μοιράστηκε την ιδέα του με τον Morley. Του πρόσφερε το εργαστήριό του για δουλειά. Βρισκόταν σε ένα μεγάλο υπόγειο δωμάτιο και οι συνθήκες σε αυτό ήταν ιδανικές για την εμπειρία που συνέλαβε ο Michelson. Ο Μόρλεϊ δεν ήταν φυσικός, αλλά ήταν γρήγορος, πολυμήχανος και παθιασμένος με το πρόβλημα. Το 1860, ενώ ήταν ακόμη φοιτητής, εργάστηκε κάποτε στον τομέα της αστρονομίας. Ο Michelson του είπε για την εργασία που είχαν μπροστά τους και για τη συσκευή που σκεφτόταν να χρησιμοποιήσει. Ο Μόρλι ήταν έτοιμος να πιάσει δουλειά αμέσως. Ωστόσο, τον Σεπτέμβριο του 1885, όταν οι εργασίες για το πείραμα ήταν ακόμη στα σπάργανα, ο Michelson εμφανίστηκε στο εργαστήριο το πρωί σε μια εντελώς άθλια κατάσταση. Είπε στον Morley ότι υπέφερε από νευρική εξάντληση και χρειαζόταν μια μακρά ανάπαυση. Είπε ότι έπρεπε να φύγει από το Κλίβελαντ για τουλάχιστον ένα χρόνο. Δεν θα συμφωνούσε ο Morley να ολοκληρώσει τη συσκευή μόνος του, να πραγματοποιήσει πειράματα και να δημοσιεύσει τα αποτελέσματα; Παρέδωσε στον Morley ένα ορισμένο ποσό που είχε λάβει για πειράματα και πρόσθεσε άλλα 100 δικά του δολάρια. Ο Μόρλεϊ έλαβε τότε ένα γράμμα από τον Μίκελσον από τη Νέα Υόρκη. Αλληλογραφούσαν τακτικά για το πείραμα. Τέσσερις μήνες αργότερα, ο Michelson έφτασε απροσδόκητα στο Κλίβελαντ και προσφέρθηκε να συνεχίσουν να εργάζονται μαζί. Η υγεία του βελτιώθηκε σημαντικά και μπόρεσε να ολοκληρώσει το πείραμα. Το 1886, στο American Journal of Science, που υπογράφουν και οι δύο, εμφανίστηκε το έργο The Influence of the Motion of a Medium on the Speed ​​of Light. Οι Michelson και Morley διαπίστωσαν ότι η κίνηση του νερού έχει επίδραση στην ταχύτητα του φωτός, αλλά όχι με τον τρόπο που θα περίμενε κανείς από τη θεωρία του αιθέρα. Η εμπειρία τους επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα της έρευνας που έγινε από τον Fizeau το 1851. Δύο εκπαιδευτικά ιδρύματα ταυτόχρονα - το Western Reserve University και το Stevens Institute of Technology απένειμε στον Michelson Ph.D. Αυτό ήταν το πρώτο πτυχίο του Michelson, αφού στην εποχή του η Ναυτική Ακαδημία δεν είχε ακόμη το δικαίωμα να απονείμει τον τίτλο του Bachelor of Science.

Τώρα, με βελτιωμένη συσκευή και εμπλουτισμένη εμπειρία, ο Michelson μπόρεσε να επιστρέψει στο πείραμα με τον αιθέρα, το οποίο είχε αναβάλει για τόσο καιρό. Σε αυτή τη δουλειά έπρεπε να συμμετάσχει και ο Μόρλεϋ. Ήταν γεμάτοι από τις πιο αισιόδοξες ελπίδες και ο Μόρλεϋ έγραψε στον πατέρα του στις 17 Απριλίου 1887: «Ο Μάικελσον κι εγώ ξεκινήσαμε ένα νέο πείραμα, το οποίο θα έπρεπε να δείξει αν η ταχύτητα διάδοσης του φωτός είναι η ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις. Δεν έχω καμία αμφιβολία ότι θα πάρουμε την τελική απάντηση». Φυσικά, ο Morley όρισε κάπως απλοϊκά τον σκοπό του πειράματος. Ο Michelson και ο Morley επρόκειτο να κάνουν μια αποφασιστική προσπάθεια να «πιάσουν» τον άπιαστο αιθέρα. Σε περίπτωση θετικού αποτελέσματος, η επιστήμη θα λάβει όχι μόνο την ταχύτητα της κίνησης της Γης σε τροχιά σε σχέση με τον αιθέρα, αλλά και την ταχύτητα περιστροφής της γύρω από τον άξονά της, και, ίσως, ακόμη και μια μέθοδο για τον προσδιορισμό της ταχύτητας κίνησης στο διάστημα ολόκληρου του ηλιακού συστήματος. Αυτή θα ήταν η πρώτη προσπάθεια, μέσω ενός τοπικού οπτικού φαινομένου, να προσδιοριστεί η απόλυτη κίνηση της Γης στο διάστημα, η οποία ταυτίστηκε με τον αιθέρα.

Όργανο Michelson-Morley

Η συσκευή που σχεδίασαν αποδείχθηκε ότι ήταν μια πολύ ογκώδης κατασκευή. Αποτελούνταν από μια πέτρινη πλάκα εμβαδού περίπου 150 τετραγωνικών εκατοστών και πάχους περίπου 30 εκ. Πάνω στην πλάκα είχαν τοποθετηθεί τέσσερις καθρέφτες από κράμα χαλκού, κασσίτερου και αρσενικού, καθώς και όλος ο άλλος εξοπλισμός, συμπεριλαμβανομένου ενός καυστήρα Argand. Για να εξασφαλιστεί μια αυστηρά οριζόντια θέση της πέτρινης πλάκας και για να αποφευχθούν σφάλματα λόγω κραδασμών, τριβών και τάνυσης, η πλάκα επιπλέχθηκε σε υδράργυρο που καθαρίστηκε από τον Morley. Ο υδράργυρος χύθηκε σε ένα δακτυλιοειδές δοχείο από χυτοσίδηρο με πάχος τοιχώματος περίπου 1,5 cm. μια ξύλινη βάση σε σχήμα ντόνατ επέπλεε πάνω από τον υδράργυρο και μια πέτρινη πλάκα ήταν ήδη τοποθετημένη πάνω της. Η αξονική ράβδος εξασφάλιζε την ομοκεντρικότητα του ξύλινου πλωτήρα και του χυτοσιδήρου δοχείου. Το κενό μεταξύ του τοιχώματος του αγγείου και του εξωτερικού χείλους του πλωτήρα ήταν μικρότερο από 1,5 cm (Εικ. 9).

Ρύζι. 9.Εγκατάσταση Michelson-Morley.
Μια μεγάλη και πολύ βαριά πέτρινη πλάκα στηριζόταν σε έναν ξύλινο πλωτήρα τοποθετημένο σε υγρό υδράργυρο. Το δοχείο με τον υδράργυρο είχε σχήμα λουκουμά. Επιπλέοντας στο υγρό, η πέτρινη πλάκα και η ξύλινη βάση παρέμειναν αυστηρά οριζόντια.

Το χυτοσίδηρο στηριζόταν σε ένα στήριγμα, το οποίο ήταν ένα χαμηλό, κεκλιμένο πλίνθινο οκτάγωνο, στο εσωτερικό του οποίου χύνονταν τσιμέντο. Το θεμέλιο του συμβολόμετρου πήγαινε βαθιά στο έδαφος, στο βράχο, αφού το φυτικό έδαφος δεν ήταν αρκετά σταθερό. Στην περιφέρεια του αγγείου, στην ίδια απόσταση το ένα από το άλλο, σημειώθηκαν δεκαέξι σημάδια. Η ξύλινη θήκη προστάτευε το οπτικό μέρος της συσκευής (ένας καθρέφτης σε κάθε γωνία της πλάκας) από ρεύματα αέρα και απότομες αλλαγές θερμοκρασίας.

Η αντίσταση στην κίνηση μιας βαριάς συσκευής μειώθηκε στο ελάχιστο, και με την εφαρμογή μιας ελαφριάς δύναμης γύρω από την περιφέρειά της, ήταν δυνατό να της δοθεί μια αργή, ομαλή και συνεχής περιστροφή. Μία πλήρης περιστροφή ολοκληρώθηκε σε περίπου 6 λεπτά. Ο παρατηρητής περπάτησε γύρω από τη συσκευή, κινούμενος ταυτόχρονα με την περιστρεφόμενη πέτρινη πλάκα και σταματούσε περιοδικά, κοιτάζοντας μέσα από ένα μικρό τηλεσκόπιο για να ελέγξει εάν τα κρόσσια παρεμβολής είχαν μετατοπιστεί. Μια τέτοια μετατόπιση θα σήμαινε μια αλλαγή στην ταχύτητα του φωτός προς αυτή την κατεύθυνση (Εικ. 10).

Ρύζι. 10.Συμβολόμετρο στη ρύθμιση Michelson-Morley.
Η αρχή της λειτουργίας του είναι η ίδια με αυτή της συσκευής που φαίνεται στο Σχ. οκτώ.

Χρειάστηκαν αρκετοί μήνες για να ρυθμιστεί αυτή η μοναδική συσκευή. Στο τέλος, ο Michelson πέτυχε να καταγράψει την παραμικρή μετατόπιση στα κρόσσια παρεμβολών. Ο Μόρλεϊ και ο Μάικελσον περπάτησαν εναλλάξ γύρω από το όργανο και κοίταξαν μέσα από το τηλεσκόπιο.

Υπέθεσαν ότι θα πρέπει να υπάρχουν δύο ημέρες κατά τη διάρκεια του έτους κατά τις οποίες θα παρατηρηθεί το μέγιστο αποτέλεσμα μεροληψίας (εάν υπάρχει τέτοιο αποτέλεσμα). Μια μέρα η Γη θα κινηθεί προς την ακριβώς αντίθετη κατεύθυνση από αυτή στην οποία κινήθηκε εκείνη την άλλη μέρα.

Έκαναν παρατηρήσεις καθημερινά στις δώδεκα το απόγευμα και στις έξι το βράδυ σε δεκαέξι διαφορετικές κατευθύνσεις. Τεντώνοντας τα μάτια τους, κοίταξαν τις παρυφές παρεμβολής, προσπαθώντας να προσδιορίσουν την μετατόπισή τους.

Τα πειράματα ολοκληρώθηκαν τον Ιούλιο του 1887. Όταν όλα τα αποτελέσματα συγκεντρώθηκαν και αναλύθηκαν, έγιναν όλοι οι υπολογισμοί και επαληθεύτηκαν επανειλημμένα, οι ερευνητές βρέθηκαν μπροστά σε ένα πεισματάρικο γεγονός που κατέστρεψε όλη την αρμονική θεωρία. Ενάντια σε όλες τις προσδοκίες, δεν βρέθηκε μετατόπιση της σειράς που απαιτείται από την υπόθεση του σταθερού αιθέρα. Ήταν σαν μια θανατική καταδίκη για την ιδέα ενός ακίνητου αιθέριου ωκεανού. Ο Michelson ήταν αρκετά συμπαθής στη θεωρία του σταθερού αιθέρα και ήλπιζε ότι το πείραμα θα επέτρεπε την ανακάλυψή του. Πώς αλλιώς θα μπορούσαν να διαδοθούν οι ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις, συμπεριλαμβανομένων των κυμάτων φωτός; Και πάλι, το αποτέλεσμα ενός καλά σχεδιασμένου και έξοχα εκτελεσμένου πειράματος οδήγησε τον Michelson σε πλήρη σύγχυση.

"Το μεγαλύτερο από όλα τα αρνητικά αποτελέσματα"

Ο Michelson και ο Morley έστειλαν την έκθεσή τους στο American Journal of Science. Είχε τον τίτλο: «Σχετικά με τη σχετική κίνηση της Γης και του φωτεινού αιθέρα». Την ίδια χρονιά δημοσιεύτηκε και στο English Philosophical Magazine. Το συμπέρασμα του Michelson έγινε γνωστό στους επιστήμονες σε όλο τον κόσμο. Σε όποια κατεύθυνση κι αν κινήθηκε ο παρατηρητής, δεν υπήρχε αισθητή διαφορά στην ταχύτητα του φωτός. Με άλλα λόγια, έπρεπε να παραδεχτείς το απίστευτο: όσο γρήγορα και να τρέχεις πίσω από το φως, είναι αδύνατο να το προλάβεις. Θα εξακολουθήσει να τρέχει μακριά σου με ταχύτητα 300.000 χλμ το δευτερόλεπτο. Ένα τέτοιο συμπέρασμα ήταν αντίθετο με όλη την ανθρώπινη εμπειρία. Ένα αεροπλάνο που πετά με ταχύτητα 600 χλμ. την ώρα με ουραίο άνεμο που πνέει με ταχύτητα 50 χλμ. την ώρα κάνει, σε σχέση με κάποιο σταθερό σημείο, 650 χλμ. την ώρα. Αν πετάξει αντίθετα με τον άνεμο, η ταχύτητά του θα μειωθεί στα 550 χλμ. την ώρα. Δεδομένου ότι η Γη κινείται γύρω από τον Ήλιο με ταχύτητα περίπου 30 km ανά δευτερόλεπτο, η ταχύτητα μιας δέσμης φωτός που ταξιδεύει στην ίδια κατεύθυνση με τη Γη θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη ταχύτηταδέσμη που ταξιδεύει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ωστόσο, η εμπειρία του Michelson διέψευσε αυτή την υπόθεση.

Ο Άγγλος φυσικός και φιλόσοφος John D. Bernal χαρακτήρισε την ανακάλυψη των Michelson και Morley «το μεγαλύτερο από όλα τα αρνητικά αποτελέσματα στην ιστορία της επιστήμης». Ωστόσο, ο Michelson δεν αποθαρρύνθηκε εντελώς από τα αποτελέσματα της εμπειρίας του. Αν και απέκλειαν την ύπαρξη σταθερού αιθέρα, υπήρχε μια ακόμη πιθανότητα ότι «η Γη σέρνει τον αιθέρα μαζί του, δίνοντάς του σχεδόν την ίδια ταχύτητα με την οποία κινείται η ίδια, έτσι ώστε η ταχύτητα του αιθέρα ως προς την επιφάνεια της Γης είναι μηδέν ή πολύ μικρό».

Δέκα χρόνια μετά τη δημοσίευση αυτής της ιστορικής έκθεσης, ο Michelson δοκίμασε πειραματικά «τη δεύτερη υπόθεση στέλνοντας δύο δέσμες φωτός κατά μήκος της περιμέτρου ενός κατακόρυφα τοποθετημένου ορθογωνίου, οι πλευρές του οποίου ήταν ίσες με 15 και 60 m. Τα αποτελέσματα δεν το επιβεβαίωσαν υπόθεση.

Ο Michelson δεν ήταν πεπεισμένος ότι η «αποτυχία» του πειράματός του έλυσε τελικά το ερώτημα. «Δεδομένου ότι το αποτέλεσμα του πειράματος ήταν αρνητικό, το πρόβλημα εξακολουθεί να περιμένει να λυθεί», δήλωσε δημόσια. Και για να παρηγορηθεί, έφερε ένα μάλλον απροσδόκητο επιχείρημα: «Κατά τη γνώμη μου, το πείραμα δεν ήταν μάταιο, αφού η αναζήτηση λύσης σε αυτό το πρόβλημα οδήγησε στην εφεύρεση του συμβολόμετρου. Νομίζω ότι όλοι αναγνωρίζουν ότι η εφεύρεση του συμβολόμετρου αντισταθμίζει πλήρως το αρνητικό αποτέλεσμα αυτού του πειράματος.

Πολλά χρόνια αργότερα, μιλώντας στο Παρατηρητήριο Mount Wilson σε ένα επιστημονικό κοινό, ο Michelson έδωσε μια πολύ διαφορετική εκτίμηση της σχετικής σημασίας του πειράματος με τον αιθέρα και της εφεύρεσης του συμβολόμετρου. Αναγνώρισε ότι ο ισχυρισμός του για μεγαλύτερη αξία για το όργανο έρχεται σε αντίθεση με «μερικές σημαντικές θεωρητικές εκτιμήσεις» που συγκλόνισαν τον επιστημονικό κόσμο. Όπως αποδείχθηκε τα τελευταία χρόνια, ο Michelson, χωρίς να το υποψιαστεί, ετοίμασε το υλικό από το οποίο οικοδομήθηκε μια από τις μεγαλύτερες επιστημονικές θεωρίες όλων των εποχών στην Ευρώπη. Αυτή είναι μια από τις σπάνιες περιπτώσεις όπου η αρχική ανακάλυψη έγινε στην Αμερική και αργότερα χρησιμοποιήθηκε στην Ευρώπη. Σχεδόν πάντα συνέβαινε το αντίστροφο.

Η ιδέα του πειράματος είναι να συγκρίνουμε το φως που διέρχεται από δύο μονοπάτια, το ένα από τα οποία συμπίπτει με την κατεύθυνση της κίνησης του σώματος στον αιθέρα και το άλλο είναι κάθετο σε αυτόν.

Η πλάκα Β είναι ημιδιαφανής. Πάνω του, η δοκός χωρίζεται σε δύο συνεκτικές κάθετες δοκούς που πηγαίνουν στους καθρέφτες D και C. Δύο συνεκτικές δοκοί συναντώνται στο συμβολόμετρο, έχοντας περάσει διαφορετικές διαδρομές από το σημείο διαχωρισμού.

Αν αυτά τα μονοπάτια καλυφθούν από αυτούς ταυτόχρονα, τότε θα έρθουν στο σημείο συνάντησης σε μια φάση και θα δυναμώσουν ο ένας τον άλλον. Αν για διαφορετικό χρόνο, τότε στο σημείο συνάντησης η διαφορά φάσης και οι ταλαντώσεις θα αλλάξουν. Παρατηρώντας την παρεμβολή, μπορεί κανείς να βγάλει ένα συμπέρασμα σχετικά με τη διαφορά φάσης των συνεκτικών κυμάτων που μπήκαν στο συμβολόμετρο και από εδώ να υπολογίσει τον χρόνο καθυστέρησης ενός κύματος σε σχέση με το άλλο. Αυτό έγινε από τους Michelson και Morley. Ήταν ένα από τα πιο αξιόλογα πειράματα του 19ου αιώνα. Απλή στην ουσία, αυτή η εμπειρία οδήγησε σε μια επανάσταση στην επιστήμη.

Αφήστε τη συσκευή να κινηθεί προς την κατεύθυνση του ώμου BC με ταχύτητα v σε σχέση με τον αιθέρα. Η ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τον αιθέρα ντο. Ο συνολικός χρόνος κατά τον οποίο θα διανυθεί η διαδρομή προς τον καθρέφτη C και πίσω θα είναι ίσος με:

Για αντικατοπτρισμό της διαδρομής D BDB /

Εδώ v είναι η ταχύτητα της Γης στην τροχιά της γύρω από τον Ήλιο (~30 km/s). Επομένως, εάν η συσκευή βρίσκεται στο έδαφος, τότε . Δεδομένης της μικρότητας αυτού του όρου, οι εκφράσεις μπορούν να επεκταθούν σε σειρές:

Παίρνουμε:

Η διαφορά στη διαδρομή των ακτίνων είναι ίση με:

Τώρα ας περιστρέψουμε τη συσκευή κατά 90° έτσι ώστε ο βραχίονας BD να συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης και ο βραχίονας BC να κατευθύνεται κάθετα. Για τη διαφορά διαδρομής παίρνουμε:

Η συνολική αλλαγή στη διαφορά στη διαδρομή των ακτίνων στο χρόνο κατά την περιστροφή της συσκευής είναι:

Στο πείραμα, η συσκευή περιστράφηκε αργά, καθώς η πραγματική κίνηση της συσκευής σε σχέση με τον αιθέρα ήταν άγνωστη. Έτσι, όταν το όργανο περιστρέφεται κατά 360°, καθένας από τους βραχίονες συμπίπτει δύο φορές με την κατεύθυνση της κίνησης και δύο φορές γίνεται κάθετος προς την κατεύθυνση της κίνησης. Εάν η διαφορά στη διαδρομή των ακτίνων αλλάξει κατά την περιστροφή της συσκευής, τότε θα πρέπει να αλλάξει και η θέση των κροσσών παρεμβολής στο οπτικό πεδίο. Ας υπολογίσουμε το μέγεθος της μετατόπισης.

Σε σχέση με τη μετατόπιση των κροσσών παρεμβολής είναι:

την απόσταση μεταξύ των ζωνών, και αυτό μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί και να μετρηθεί.

Αλλά πειραματικά, δεν βρέθηκε κανένα αποτέλεσμα. Η απόλυτη ταχύτητα της Γης αποδείχθηκε αδύνατο να εντοπιστεί.

Αποδείχθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις είναι ίδια και δεν υπάρχει αιθέριος άνεμος. Οι διαμήκεις και εγκάρσιες συνιστώσες της ταχύτητας είναι πάντα ίσες μεταξύ τους. Με την εμφάνιση των λέιζερ, η ακρίβεια των πειραμάτων έχει βελτιωθεί σημαντικά.

Τα πειράματα έχουν δείξει ότι η ταχύτητα του φωτός δεν αντιστοιχεί ούτε στην ταχύτητα της πηγής ούτε στην ταχύτητα του δέκτη.

Η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός βρίσκεται σε βαθιά αντίφαση με τις συνήθεις ιδέες των πειραμάτων και με τους τύπους για την προσθήκη ταχυτήτων που βασίζονται στους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου. Σε ταχύτητες πολύ χαμηλότερες από την ταχύτητα του φωτός, δεν παρατηρούνται αποκλίσεις, αφού είναι πολύ μικρές. Η ανακρίβεια του τύπου για την πρόσθεση ταχυτήτων εκδηλώνεται όταν οι ταχύτητες είναι αρκετά μεγάλες. Οι αποκλίσεις ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 1860 στα πειράματα του Fizeau.