تجربه مایکلسون مورلی به Fr. تجربه میشلوون مورلی

در سال 1881، مایکلسون آزمایش معروفی را انجام داد که با کمک آن امیدوار بود حرکت زمین نسبت به اتر (باد اثیری) را کشف کند. در سال 1887، مایکلسون تجربه خود را همراه با مورلی در ساز پیشرفته‌تر تکرار کرد. نصب مایکلسون مورلی در شکل 1 نشان داده شده است. 150.1. پایه آجری از یک گودال چدنی حلقوی پر از جیوه پشتیبانی می کرد. یک شناور چوبی روی جیوه شناور بود که به شکل نیمه پایینی یک دونات بریده شده از طول بود. بر روی این شناور یک تخته سنگ مربع عظیم نصب شده است. چنین وسیله ای امکان چرخش صاف صفحه حول محور عمودی دستگاه را فراهم می کرد. یک تداخل سنج Michelson بر روی صفحه نصب شد (شکل 123.1 را ببینید)، به گونه ای اصلاح شد که هر دو پرتو، قبل از بازگشت به صفحه نیمه شفاف، چندین بار در طول مسیر منطبق با مورب صفحه به جلو و عقب عبور کردند. نمودار مسیر پرتو در شکل نشان داده شده است. 150.2. عناوین موجود در این شکل با عناوین موجود در شکل مطابقت دارد. 123.1.

این آزمایش بر اساس ملاحظات زیر انجام شد. بیایید فرض کنیم بازوی تداخل سنج (شکل 150.3) با جهت حرکت زمین نسبت به اتر منطبق است. سپس زمان مورد نیاز برای حرکت پرتو به آینه و برگشت با زمان لازم برای طی مسیر پرتو 2 متفاوت خواهد بود.

در نتیجه، حتی اگر طول هر دو بازو مساوی باشد، تیرهای 1 و 2 مقداری اختلاف مسیر خواهند داشت. اگر دستگاه 90 درجه بچرخد، بازوها جای خود را تغییر می دهند و علامت تفاوت مسیر تغییر می کند. این باید به یک تغییر در الگوی تداخل منجر شود، که بزرگی آن، همانطور که توسط محاسبات مایکلسون نشان داده شده است، به خوبی قابل تشخیص است.

برای محاسبه جابجایی مورد انتظار الگوی تداخل، زمان های عبور مسیرهای مربوطه توسط پرتوهای 1 و 2 را پیدا می کنیم. اجازه دهید سرعت زمین نسبت به اتر برابر با .

اگر اتر توسط زمین حباب نشده باشد و سرعت نور نسبت به اتر برابر با c باشد (ضریب شکست هوا عملا برابر با واحد است) در این صورت سرعت نور نسبت به دستگاه برابر با c خواهد بود - v برای جهت و c + v برای جهت.بنابراین زمان برای پرتو 2 با نشان داده می شود

(سرعت مدار زمین 30 کیلومتر بر ثانیه است، بنابراین

قبل از شروع به محاسبه زمان، مثال زیر را از مکانیک در نظر بگیرید. فرض کنید که یک قایق که سرعت c را نسبت به آب توسعه می دهد، باید از رودخانه ای که با سرعت v در جهتی دقیقاً عمود بر کرانه های آن جریان دارد عبور کند (شکل 150.4). برای اینکه قایق در جهت معینی حرکت کند، سرعت c نسبت به آب باید مطابق شکل باشد. بنابراین، سرعت قایق نسبت به ساحل برابر خواهد بود.

بنابراین زمان پرتو 1 است

با جایگزینی مقادیر (150.1) و (150.2) در عبارت، تفاوت بین مسیرهای پرتوهای 1 و 2 را بدست می آوریم:

هنگامی که ابزار 90 درجه بچرخد، علامت تفاوت مسیر تغییر می کند. در نتیجه، تعداد حاشیه‌هایی که الگوی تداخل با آنها تغییر می‌کند، خواهد بود

طول بازوی I (با در نظر گرفتن بازتاب های متعدد) 11 متر بود. طول موج نور در آزمایش مایکلسون و مورلی 0.59 میکرومتر بود. با جایگزینی این مقادیر به فرمول (150.3) باندهایی به دست می آید.

این دستگاه امکان تشخیص جابجایی به ترتیب 0.01 حاشیه را فراهم کرد. با این حال، هیچ تغییری در الگوی تداخل پیدا نشد. برای رد این احتمال که در زمان اندازه گیری ها صفحه افق عمود بر بردار سرعت مداری زمین باشد، آزمایش در زمان های مختلف روز تکرار شد. متعاقباً، این آزمایش بارها در زمان‌های مختلف سال (به مدت یک سال بردار سرعت مداری زمین در فضا 360 درجه می‌چرخد) انجام شد و همیشه نتایج منفی داشت. باد اثیری قابل تشخیص نیست. اتر جهان گریزان ماند.

چندین تلاش برای توضیح نتیجه منفی آزمایش مایکلسون بدون کنار گذاشتن فرضیه اتر جهانی انجام شده است. با این حال، همه این تلاش ها ناموفق بود. توضیح جامع و منسجمی از تمام حقایق تجربی، از جمله نتایج آزمایش مایکلسون، توسط انیشتین در سال 1905 ارائه شد. انیشتین به این نتیجه رسید که اتر جهان، یعنی یک رسانه خاص که می تواند به عنوان یک چارچوب مرجع مطلق عمل کند، چنین نیست. وجود داشته باشد. مطابق با این، انیشتین اصل مکانیکی نسبیت را به همه پدیده های فیزیکی بدون استثنا بسط داد. علاوه بر این، انیشتین، مطابق با داده های تجربی، فرض کرد که سرعت نور در خلاء در همه چارچوب های مرجع اینرسی یکسان است و به حرکت منابع نور و گیرنده ها بستگی ندارد.

اصل نسبیت و اصل ثبات سرعت نور اساس نظریه نسبیت خاص ایجاد شده توسط اینشتین را تشکیل می دهد (به فصل هشتم از جلد اول مراجعه کنید).

قبل از پرداختن به جزئیات تداخل سنج مایکلسون، اجازه دهید از بالا به آن نگاه کنیم و سعی کنیم درک کنیم که دست کم گرفتن اثر انحراف نور منجر به چه چیزی می شود.

در سمت چپ در شکل. 1 مسیر کامل پرتوهای نور را نشان می دهد، در سمت راست در همان شکل نمودار ساده شده ای ترسیم شده است که توسط علم مدرن پذیرفته شده است. در شکل سمت راست، پایه مربعی دستگاه را می بینیم که روی آن یک منبع نور، سیستمی از آینه ها که بارها پرتوی نور را منعکس می کنند و یک دستگاه نوری (میکلسون آن را "تلسکوپ" نامیده است) برای رصد الگوی تداخل برای افزایش مسیر نوری پرتوهای مزاحم به سیستمی از آینه ها نیاز است که مستقیماً با اختلاف فاز مرتبط است. با این حال، آینه ها اهمیت اساسی ندارند: ممکن است تعداد آنها کم یا زیاد باشد.

برنج. یکی مسیر پرتوهای نور در تداخل سنج مایکلسون. در شکل سمت راست، پرتو 1 از منبع نور 0 در جهت حرکت زمین منتشر می شود. پرتو 2 پرتو 1 است که از آینه C منعکس می شود. پرتو 3 که از آینه A منعکس می شود به پرتو 4 تبدیل می شود. همانطور که میکلسون اشاره کرد، مسیر نوری طی شده توسط پرتوهای 1-2 با مسیر نوری طی شده توسط پرتوهای 3-4 برابر نیست. در نتیجه، پس از ملاقات در نقطه B، آنها حاشیه های تداخلی ایجاد می کنند که فواصل بین آنها متناسب با تفاوت در مسیر پرتوهای 1-2 و پرتوهای 3-4 است. در این سنتیطرحی که در تمام کتاب‌های درسی که در مورد آزمایش مایکلسون-مورلی صحبت می‌کنند، بازتولید شده است، زاویه انحراف در واقع زاویه α است. اثر انحراف با اثر "رانش" یک پرتو نور در یک جهت یا دیگری بسته به حرکت منبع یا گیرنده مقایسه می شود. متأسفانه، هنگام انتخاب علامت انحراف پرتو 3، اشتباهی رخ داد: در نمودار، پرتو 3 به سمت راست منحرف می شود، در واقع باید به سمت چپ منحرف شود (پرتو 3 اینچ).

در کتاب های درسی مدرسه، انحراف از طریق جت های مورب آب که باران بر روی شیشه های کناری ماشین در حال حرکت می بارد توضیح داده شده است. این جت ها با جهت بردار حرکت وسیله نقلیه یک زاویه حاد تشکیل می دهند. در واقع تصور کنید که داخل ماشینی نشسته اید که در جاده در حال حرکت است. قطرات باران روی شیشه‌های کناری داخل خودرو خطوط مورب را ترسیم می‌کنند، زیرا مثلثی از سرعت‌ها تشکیل می‌شود: یک پایه افقی. v 1 - سرعت خودرو؛ پای عمودی v 2- سرعت افت از بالا به پایین. سپس هیپوتنوز این مثلث حاصل جمع برداری این دو سرعت است. این اثر انحراف است.

بر اساس این پدیده، ستاره شناسان هنگام رصد ستارگان، تلسکوپ های خود را کمی در جهت حرکت زمین می چرخانند. در غیر این صورت، بخشی از جبهه موج که وارد عدسی تلسکوپ شده است به چشمی خود نمی رسد. علاوه بر این، بزرگی انحراف به مکان ستاره در آسمان شب بستگی دارد. ستارگانی که مستقیماً بالای سر ما هستند یک دایره منظم با شعاع زاویه ای انحراف انحراف α \u003d 20.45 در طول سال را توصیف می کنند. ستارگانی که در فاصله زاویه ای از نقطه اوج قرار دارند یک بیضی را توصیف می کنند. ستارگان در افق، یعنی در صفحه دایره البروج (مدار زمین)، آنها در امتداد یک خط مستقیم با همان انحراف زاویه ای ±α در نوسان هستند.

برنج. 2. ماهیت اثر انحراف نور. ستاره ای که جهت آن در زاویه قائم نسبت به صفحه مدار زمین قرار دارد، در جهت حرکت زمین با زاویه α = 20.45 " جابه جا می شود. زاویه α نسبت به جهت عمودی.اثر انحراف با این واقعیت توضیح داده می شود که نور وارد شده به عدسی تلسکوپ در یک نقطه آ، باید به چشمی به نقطه برسد Vبه طوری که توسط ناظری روی زمین قابل مشاهده است. زاویه شیب α تعیین می شود جمع برداری از دو سرعت- سرعت نور جو سرعت زمین در مدار vبه طوری که سرعت نور در داخل لوله تلسکوپ ( ج") در بخش ACبا فرمول فیثاغورث تعیین می شود، یعنی. بر فرمول کلاسیک برای اضافه کردن سرعت - (ج² – v 2) ½ (این توضیحات از مقاله ای که قبلا نوشتم گرفته شده است استدلال اصلی علیه نظریه نسبیت).

در بخش اول این اثر، بارها تأکید شد که درک صحیح آزمایش مایکلسون- مورلی از در نظر گرفتن ماهیت موجی نور ناشی می شود - و این درست است. با این حال، همچنین باید به خاطر داشت که پدیده انحراف را می توان در مثال اشیاء نقطه ای نیز مشاهده کرد. نباید فراموش کرد که جی. بردلی، کاشف انحراف، طبق نظریه نوری نیوتن، نور را به شکل اجسام نمایش می داد.

بنابراین، در مثال های با تلسکوپ یا ماشین، متحرک است گیرنده. تکرار می کنیم، اگر پرتوهای یک ستاره یا یک قطره باران به صورت عمودی به سمت پایین بیفتند، به دلیل حرکت گیرنده، یک زاویه α تند تشکیل می شود که از حالت عادی به سمت کناری رسوب می کند. در جهت گیرنده. خوب، اگر حرکت کند چه اتفاقی می افتد منبع? تصور کنید که یک آبنما در پشت خودرو نصب شده است که جت آن به صورت عمودی به سمت بالا هدایت می شود. هنگامی که خودرو در حال حرکت است، این جت به طور طبیعی به عقب منحرف می شود. بنابراین، زاویه انحراف α، زمانی که منبع نور حرکت می کند، باید از حالت عادی به حالت عادی موکول شود طرف مقابلاز بردار سرعت منبع.

بنابراین، در شکل. 1 پرتو 3 از منبع نور 0 به سمت نقطه A نمی رود، اما به سمت نقطه D می رود. مایکلسون اشتباه کرد. در سر او تصویری از رودخانه ای با دو قایق در حال حرکت در امتداد و آن سوی جریان بود. برای این تصویر بود که زمان پرتوهای دستگاه را محاسبه کرد و اختلاف فاز را بدست آورد. اما این کاستی های نقاشی و در نتیجه محاسبات او را تمام نمی کند.

از نظر ظاهری، نمودار میکلسون از مسیر پرتوها در تداخل سنج، که از کار گرفته شده است (شکل سمت راست را ببینید)، شبیه یک نقاشی از اپتیک هندسی است، زمانی که تمام زوایای انعکاس با زوایای فرود برابر است. اما در صورت وجود انحراف، این قانون نقض می شود. پرتو نوری که روی یک آینه نیمه شفاف با زاویه 45 درجه می افتد، نه در یک زاویه، بلکه در یک زاویه متفاوت منعکس می شود: 45 درجه + α. بنابراین، در مورد سفر سریعمنبع، گیرنده و سیستم آینه، دیگر امکان استفاده از قوانین وجود ندارد اپتیک هندسی، فقط برای ثابتمورد.

در یک سیستم متحرک، مفهوم "مسیر نوری" اصلاح می شود. در این مورد باید اثر انحراف و اثر داپلر را در نظر گرفت که در اپتیک منابع نور ثابت و سنسورهای دریافت کننده لحاظ نمی شود. طرح سنتی مسیر پرتو در یک تداخل سنج برای محاسبه اختلاف فاز، که مسئول الگوی تداخل است، مناسب نیست. این به طور مستقیم از مثال مایکلسون در مورد قایق هایی که توسط جریان یک رودخانه با خود می برد، گرفته شده است. با پرتوهای نور، وضعیت کاملاً متفاوت است. آنها در یک محیط اثیری ساکن منتشر می شوند، در حالی که منبع و گیرنده ارتعاشات نور حرکت می کنند.

قبل از پرداختن به جزئیات تداخل سنج و طراحی آزمایش، اجازه دهید نگاهی به اتفاقات روز قبل بیاندازیم. برای این منظور، گزیده ای از مقاله ای از مایکلسون و مورلی را که بر روی نتایج آزمایشی در سال 1887 نوشته شده است، نقل می کنیم.

نویسندگان می نویسند: «طبق نظر فرنل، در نظریه موج، اولاً اتر در حالت سکون فرض می شود، به استثنای فضای داخلی رسانه شفاف، که ثانیاً در نظر گرفته می شود که در حال حرکت است. سرعتی کمتر از سرعت محیط نسبت به ( n² – 1)/ n²، جایی که n- ضریب شکست. این دو فرضیه توضیح کامل و رضایت بخشی برای انحراف ارائه می دهند. فرضیه دوم، علیرغم نامحتمل به نظر می رسد، باید به طور کامل اثبات شده باشد، اولاً توسط آزمایش قابل توجه فیزو و ثانیاً توسط تحقیقات خود ما. بررسی تجربی فرضیه اول هدف این کار است.

اگر زمین یک جسم شفاف بود، با در نظر گرفتن آزمایش‌هایی که قبلاً ذکر شد، احتمالاً می‌توان فرض کرد که اتر بین مولکولی، علی‌رغم حرکت زمین در مدار، در فضا ساکن است. اما ما حق نداریم نتایج حاصل از این آزمایشات را به اجسام مات تعمیم دهیم. با این حال، به سختی می توان شک داشت که اتر می تواند از فلزات عبور کند و می کند. لورنز از لوله مانومتر جیوه ای به عنوان مثال استفاده می کند. وقتی لوله کج می شود، اتر موجود در فضای بالای جیوه مطمئناً از آنجا به بیرون رانده می شود، زیرا تراکم پذیر نیست. اما باز هم، ما حق نداریم فرض کنیم که کاملا آزادانه بیرون می‌آید، و اگر مقاومتی هر چند جزئی وجود داشت، البته نمی‌توانستیم باور کنیم که جسمی کدر، مانند کل زمین، عبور آزادانه را فراهم می‌کند. اتر از طریق تمام این جرم. اما، همانطور که لورنز به درستی بیان می کند، «هرچند به نظر من، در این موضوع نیز مهم است، بهتر است به خود اجازه ندهید که با ملاحظاتی مبتنی بر معقول بودن یا سادگی این یا آن فرضیه هدایت شوید، اما روی آوردن به تجربه برای یادگیری تشخیص حالت استراحت یا حرکت که در آن اتر روی سطح زمین قرار دارد.

در آوریل 1881 روشی برای حل این مشکل پیشنهاد و آزمایش شد.

هنگام استخراج فرمول کمیت اندازه گیری شده، تأثیر حرکت زمین از طریق اتر در مسیر پرتو عمود بر این حرکت نادیده گرفته شد. بحث در مورد این حذف و کل آزمایش موضوع تجزیه و تحلیل بسیار عمیق G. A. Lorentz است که دریافت که این تأثیر به هیچ وجه نباید نادیده گرفته شود. در نتیجه، در واقعیت، کمیتی که باید اندازه‌گیری شود، تنها نیمی از کمیتی است که در نظر گرفته شده است، و از آنجایی که دومی قبلاً به ندرت فراتر از خطای آزمایش بود، نتایج حاصل از نتایج آزمایش ممکن است مورد تردید قرار گیرد. با این حال، از آنجایی که بخش اصلی نظریه مشکوک نیست، تصمیم گرفته شد که آزمایش با تغییراتی تکرار شود که اطمینان حاصل شود که نتیجه نظری به اندازه‌ای بزرگ است که اشتباهات تجربی پنهان نشوند.

حتی فرنل، در نامه فوق، که در آن مفهوم ضریب درگ معرفی شده است، نشان داد که پذیرش مقدار ک = (n² – 1)/ n² توضیح عدم تأثیر حرکت زمین بر برخی پدیده های نوری را ممکن می کند، حتی اگر بی حرکتی اتر را تشخیص دهیم، یعنی. صراحتاً از گسترش اصل نسبیت به الکترودینامیک خودداری می کنند. در ادامه، مسئله ضریب حباب به نقطه مرکزی نظریه تبدیل می شود. محققان بعدی با تشخیص فرضیات اولیه فرنل به عنوان اثبات ناکافی (چگالی اتر متفاوت در اجسام مختلف با خاصیت ارتجاعی یکسان)، سعی کردند تفسیری پویا از اثر درگ بر اساس مدل‌های دیگر ارائه دهند.

استوکس خاطرنشان کرد که ضریب فرنل را می توان به دست آورد اگر فرض کنیم تمام اتر در داخل بدن حرکت می کند و اتری که وارد زمین یا جسم دیگری از جلو می شود بلافاصله فشرده می شود و اتری که در پشت بدن باقی می ماند تخلیه می شود.

از اینجا مشخص می شود که مایکلسون و مورلی در واقع دقیقاً این ایده استوکس را آزمایش کردند که توسط لورنتس نیز ترجیح داده شد. طبق مدل فرنل، اتر هیچ باد ایجاد نمی کند: اجسام فیزیکی در چگالی اتر ناهمگنی ایجاد می کنند که با سرعت مداری زمین به دور خورشید حرکت می کنند، اما خود اتر در حالت استراحت است. فرانکفورت و فرنک به درستی متذکر شدند که اگر این را بپذیریم، به معنای امتناع صریح از بسط اصل نسبیت به الکترودینامیک است. در همین حال، زمانی که این مشکل حاد مورد بحث قرار گرفت، اصل کلی نسبیت قبلاً توسط ماخ اعلام شده بود. کسانی که با او موافق بودند به طور خودکار به سمت استوکس و لورنتز رفتند که به هیچ وجه به یک مفهوم جدید پایبند نبودند.

بر اساس عقاید قدیمی، زمین، هنگام حرکت به دور خورشید، باید توسط محیط اثیری دمیده شود، همانطور که یک توپ پرنده توسط هوا دمیده می شود. مهم نیست که اتر چقدر تخلیه شده باشد، در نتیجه اصطکاک، زمین و سایر سیارات دیر یا زود باید بر روی خورشید بیفتند. با این حال، ستاره شناسان هیچ کاهشی در حرکت خود مشاهده نکردند: هر سال بعدی دقیقاً برابر با سال قبل است. موضوع با این واقعیت تشدید شد که فیزیکدانان دریافتند که نور نوسانی از یک میدان الکتریکی و مغناطیسی است که عمود بر پرتو انتشار است. مشخص شد که چنین است عرضینوسانات فقط در کاملا محکمبدن بنابراین سیارات و همه اجرام دیگر در یک جسم جامد حرکت می کنند؟ چرند!

در زمان مایکلسون، هیچ شیئی وجود نداشت که بتواند الگویی برای این نوع حرکت باشد. امروزه دانش در مورد جهان به طور قابل توجهی گسترش یافته است. هنگام مطالعه فیزیک نیمه هادی ها، مکانیسم هایی کشف شد که شبیه سازی وضعیت توصیف شده در بالا را ممکن می کند. به عنوان مثال، در دمای پایین در ژرمانیوم، به اصطلاح اکسیتون ها. اینها شبه ذراتحرکت در نیمه هادی بدون انتقال ماده نیمه هادی.

بنابراین، تحریکات انرژی در یک جسم جامد تشکیل می شوند که شبیه به اتم های هیدروژن هستند و با ویژگی های مربوطه توصیف می شوند: شعاع بور مدار، تکانه، جرم، و غیره. تحت شرایط خاص، می توان به دست آورد. بیکسیتون ها- آنالوگ هلیوم، تری اکسیتون ها- آنالوگ لیتیوم فیزیکدانان کشف کردند مایع اکسایتون، که قرار است قطره می کند; قطرات را می توان تبخیر کرد. به طور خلاصه، فیزیک حالت جامدبرخورد با مکانیک سوپر موادکه بر روی ماده معمولی ساخته شده است.

با این حال، حتی در زمان مایکلسون، بسیاری از فیزیکدانان سازنده معتقد بودند که اتم‌ها و مولکول‌های ماده معمولی توسط گرداب‌ها یا برخی برانگیختگی‌های پیچیده‌تر محیط اثیری تشکیل شده‌اند. به عنوان مثال، جی جی تامسون سعی کرد الکترون و اتم را با استفاده از گرداب ها و لوله های فارادی مدل کند (به زیر مراجعه کنید). ماده و اتر , برق و ماده، و همچنین مفید برای خواندن). فیزیکدانانی مانند او به خوبی فهمیده بودند که هیچ "باد اثیری" قابل ثبت نیست. زمین و همه چیز روی آن (از جمله تداخل سنج مایکلسون) در فضای باز پرواز می کنند، درست مانند یک موج روی سطح اقیانوس.

به سختی می توان گفت که چرا آزمایش مایکلسون-مورلی چنین تأثیر قوی بر نسبیت گرایان گذاشت. پس از همه، حتی ماسکار، پس از یک سری آزمایشات بزرگ در 1869 - 1874. نتیجه‌گیری: «پدیده‌های انعکاس نور، پراش، شکست مضاعف و چرخش صفحه قطبش به همان اندازه نمی‌توانند حرکت انتقالی زمین را هنگامی که از نور خورشید یا منبع زمینی استفاده می‌کنیم، آشکار کنند.» سوال این است که چرا باید از الگوی تداخلی که در تنظیمات Michelson به دست آمد انتظار چیز خارق‌العاده‌ای داشت؟ فرانکفورت و فرانک به یاد می آورند که علاوه بر میلر فوق الذکر که نتیجه مثبتی به دست آورد، آزمایش های مشابهی توسط ریلی (1902) و برس (1905) انجام شد که نتیجه منفی مایکلسون را تأیید کردند. واضح است که اختلاف در تفسیر آزمایش ها، میزان سوء تفاهم و بی اعتمادی به نتایج تجربی تا حد زیادی به مواضع جهان بینی فیزیکدان بستگی دارد.

از تفاوت رویکرد معرفت‌شناختی فرمالیست-پدیدارگرایان و خردگرایان-ساخت‌گرا مدت‌ها می‌توان صحبت کرد. اما اکنون مهم است که درک کنیم که جهان بینی لورنز به سمت اولی و جی جی تامسون به سمت دومی گرایش پیدا کرده است. در تئوری الکترون خود، لورنتس، برخلاف جی جی تامسون، الکترون را به عنوان یک نقطه ریاضی نشان داد و ساختار درونی آن را معما نکرد. او همچنین معتقد بود که اتم های ماده به خودی خود وجود دارند و واسطه اثیری - به خودی خود. تفکر او با نمادگرایی انتزاعی نفوذ کرده است و فضای کمی به بازنمایی های بصری داده شده است. در پشت محاسبات طولانی ریاضی، فیزیک این پدیده گم شد.

آزمایش هیپولیت لوئیس فیزو (1819 - 1896)، که در سال 1851 انجام شد و توسط مایکلسون در سال 1886 تکرار شد، مربوط به تعیین سرعت نور در یک محیط متحرک بود. طرح ساده شده آزمایش همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. 16 برگرفته از کتاب.

شکل. شانزدهنور از منبع L، که به دو تیر تقسیم می شود، از لوله ای عبور می کند که آب با سرعت در آن جریان دارد تو. با توجه به تفاوت مسیر پرتوها در نقطه آحاشیه های تداخلی ظاهر می شوند که در صورت تغییر جهت سرعت، می توان آنها را تغییر داد تو. در تئوری، سرعت حاصل را باید طبق فرمول اولیه برای اضافه کردن دو سرعت یافت: V = c" ± u، جایی که c" = c/n- سرعت نور در محیطی با ضریب شکست n. اما آزمایش نشان داد که این فرمول برای محاسبه مناسب نیست V.

به یاد بیاورید که اگر سرعت نور در خلاء با نشان داده شود ج، سپس در محیطی با ضریب شکست nکاهش خواهد یافت: c" = c/n. در هوا، و همچنین در خلاء، برابر است با ج" = ج\u003d 300000 کیلومتر در ثانیه، زیرا برای هوا ضریب شکست nنزدیک به وحدت؛ برای آب n= 1.33 و ج"= 225000 کیلومتر بر ثانیه و برای الماس n= 2.42 و ج"= 124000 کیلومتر بر ثانیه به نظر می رسد که هر چه محیط متراکم تر باشد، سرعت نور کمتر است (چگالی الماس 3.5 برابر بیشتر از آب است). در آکوستیک به طور کلی یک رابطه معکوس مشاهده می شود. اگر صدا در هوا با سرعت 331 متر بر ثانیه منتشر می شود، سپس در آب - 1482 متر بر ثانیه و در فولاد 6000 متر بر ثانیه. با این حال، وابستگی سرعت موج صوتی به چگالی محیط چندان واضح نیست و بستگی به ساختار ماده(جدول 3 را ببینید مقدمه ای بر آکوستیک).

فیزو نشان داد که وقتی محیط آبی شروع به حرکت می کند، سرعت نور در آن با فرمول "نسبیتی" برای اضافه کردن دو سرعت پیدا می شود:

جایی که تو= 7 متر بر ثانیه، که در آن گردابه های آشفته تشکیل نمی شود. در یک بخش از لوله، سرعت حرکت آب است توبا سرعت مطابقت دارد ج"و سپس در فرمول ظاهر می شود، در قسمت دیگری مطابقت ندارد و سپس "-" قرار می گیرد.

اما هیچ گونه تفسیر «نسبیتی» از آخرین فرمول در اواسط قرن نوزدهم وجود نداشت. تفسیر به مقدار تقریبی آن رسید، که در پشت آن وابستگی پیچیده‌تری از سرعت حاصل پنهان شده بود. Vدر طول موج تابش نور عبارت داخل پرانتز نامیده می شود ضریب جذبکه توسط آگوستین ژان فرنل (1788 - 1827) در اوایل سال 1818، پس از آزمایشی که توسط دومینیک فرانسوا ژان آراگو (1786 - 1853) انجام شد، استنباط و توضیح داده شد.

آراگو در حین اندازه گیری زاویه انحراف، یک منشور شیشه ای متحرک را آزمایش کرد. او انتظار داشت که دو بردار سرعت آشنا به روش معمول جمع و تفریق شوند: V = c" ± u. سپس مطابق با منطق آزمایش، زاویه انحراف باید تغییر می کرد. با این حال، با دقت یک ثانیه قوس، مقدار α = 20.45 "، یافت شده توسط J. Bradley، تغییری نکرد.

هدف آزمایش را می توان به شکل متفاوتی فرموله کرد و مشکل معکوس را حل کرد: اگر نور یک ستاره ثابت از منشور عبور کند، چگونه ضریب شکست منشوری واقع در زمین که با سرعت 30 کیلومتر در ثانیه حرکت می کند تغییر می کند. سپس نتیجه منفی از این فرمول مسئله به این صورت است: ضریب شکست منشور تغییر نمی کند.

فرنل پذیرفت که امواج نور حامل هستند طولیشخصیت، مانند امواج صوتی ( عرضیماهیت امواج نور توسط او در سال 1821 ایجاد شد. همانطور که قبلاً می دانیم سرعت صوت در یک ماده خاص ( مقدمه ای بر آکوستیک) به چگالی مواد بستگی دارد. چگالی بیش از حد در نتیجه تحریکات مختلف محیط ایجاد می شود، به عنوان مثال، گردابه های هوا و آب. اگر امواج صوتی از یک حرکت با سرعت عبور کنند توگرداب، سپس سرعت صدای آنها در داخل گرداب مطابق با فرمول "نسبیتی" به چگالی اضافی واکنش نشان می دهد. به نظر می رسد که تمام هوای موجود در آن در یک گردباد می چرخد ​​و همراه با گردباد منتقل می شود. اگر چنین است، سرعت حاصل با فرمول "کلاسیک" برای اضافه کردن سرعت تعیین می شود، اما این اتفاق نیفتاد. فرنل در سطح بالایی از نظر نظری-رسمی موفق شد بین پدیده های نوری و آکوستیک تشابهی ایجاد کند. او نشان داد که فقط مازاد چگالی اتر در اجسام مادی در مقایسه با چگالی اتر در فضای بیرونی در معرض حباب است.

تئوری موج فرنل، که طیف وسیعی از مشکلات نوری، از جمله پراش و قطبش را توضیح می‌دهد، در طول زندگی او و سپس نزدیک به دو دهه پس از مرگش بی‌سروصدا بود. مدرسه فرانسویبینایی‌شناسان، عمدتاً در شخص آراگو، فرنل، فوکو و فیزو، آشکارا بر جهان تسلط داشتند. انگلیسی ها، رقبای همیشگی فرانسوی ها، به موفقیت های مخالفان خود نه تنها در عرصه علمی، بلکه در عرصه های فرهنگی، سیاسی و نظامی با حسادت می نگریستند.

ضریب مشتق شده فرنل جزئيحباب، که با دو ویژگی اتر کار می کند که سرعت نور را تعیین می کند. مال اوست قابلیت ارتجاعی، که برای رسانه های متحرک بدون تغییر باقی ماند و متغیر آن تراکم. جورج گابریل استوکس انگلیسی (1891-1903) برای اولین بار این ایده را در اواسط دهه 1840 مطرح کرد. کاملجذب اتر توسط اجسام متحرک مانند سیاره ما. در همان زمان، او بر سومین ویژگی مکانیکی اتر تکیه کرد - ویسکوزیته. او در سال 1849 اثر بنیادی "درباره نظریه اصطکاک داخلی در سیالات متحرک و در مورد تعادل و حرکت جامدات الاستیک" را منتشر کرد که در آن معادله دیفرانسیل معروف را برای توصیف حرکت به دست آورد. مایعات چسبناک.

استوکس معتقد بود که کل زمین اتر را نه تنها در داخل حجم خود، بلکه بسیار فراتر از سطح آن حمل می کند. ناشناخته است که لایه اتری که سیاره حمل می کند تا چه اندازه بلند می شود. میلر، در تلاش برای اندازه گیری سرعت باد اثیری، سعی کرد تا جایی که ممکن است همراه با تداخل سنج بالا بیاید: شاید باد در ارتفاعات کوه ها یا در ارتفاع کشتی هوایی می وزد. آزمایش فیزو در سال 1851 دقیقاً به این دلیل خوب بود که به طور قانع کننده ای ناسازگاری نظریه استوکس و اعتبار نظریه فرنل را ثابت کرد.

در سال 1868، انگلیسی معروف، جیمز کلرک ماکسول (1831-1879)، خود آزمایشی مشابه آزمایش فیزو انجام داد. با این حال، در نتیجه آزمایش، او مجبور شد پیروزی نظریه فرنل را تشخیص دهد. از آنجایی که آزمایش فیزو مربوط به یک اثر مرتبه اول در β بود، ماکسول پیشنهاد کرد که اثر در β2 ممکن است در آینده احساس شود، زمانی که فیزیکدانان بتوانند چنین مقادیر کمی را اندازه گیری کنند.

آزمایش بعدی توسط جورج بیدل ایری انگلیسی (1801-1892) در سال 1871، اندازه گیری انحراف ستاره ها هنگام مشاهده از طریق تلسکوپ پر از آب، نیز نظر فرنل را تایید کرد. در نهایت، آزمایش سال 1886، که توسط مایکلسون و مورلی، بر اساس طرح نزدیک به تنظیمات آزمایشی فیزو در سال 1851 انجام شد، یک بار دیگر درستی نظریه کشش جزئی اتر را ثابت کرد. در اینجا نحوه صحبت مایکلسون در کنفرانس سالگرد 1927 آمده است:

در سال 1880، من در مورد امکان اندازه گیری نوری سرعت فکر کردم vحرکت زمین در منظومه شمسی تلاش های اولیه برای شناسایی اثرات مرتبه اول بر این ایده بود که یک سیستم در حال حرکت از طریق یک اتر ساکن است. جلوه های مرتبه اول متناسب هستند v/c، جایی که جسرعت نور است بر اساس مفهوم اتر قدیمی محبوب (که اکنون رها شده است، اگرچه من شخصاً هنوز به آن پایبند هستم)، یک احتمال انتظار می رفت، یعنی اینکه انحراف نور باید برای تلسکوپ های پر از هوا یا آب متفاوت باشد. با این حال، آزمایش ها نشان داده اند، برخلاف نظریه موجود، چنین تفاوتی وجود ندارد.

نظریه فرنل اولین نظریه ای بود که این نتیجه را توضیح داد. فرنل پیشنهاد کرد که ماده تا حدی اتر را جذب می کند (حباب اتر) و به آن سرعت می بخشد. v، بنابراین v" = kv. او تعریف کرد ک- ضریب فرنل از طریق ضریب شکست n: ک = (n² – 1)/ n². این ضریب به راحتی از نتیجه منفی آزمایش زیر بدست می آید.

دو پرتو نور در امتداد یک مسیر (0،1،2،3،4،5) در جهت مخالف رد می شوند و یک الگوی تداخل ایجاد می کنند. من یک لوله پر از آب هستم. اگر الان کل سیستم با سرعت حرکت می کند vاز طریق اتر، هنگام انتقال لوله از موقعیت I به موقعیت II، باید انتظار تغییر حاشیه های تداخلی را داشت. تغییری مشاهده نشد. از این آزمایش، با در نظر گرفتن کشش جزئی اتر، می توان ضریب فرنل را تعیین کرد ک. همچنین می تواند بسیار ساده و مستقیم از تبدیل های لورنتس استخراج شود.

نتیجه به دست آمده توسط فرنل توسط همه محققان به عنوان جهانی شناخته شد. ماکسول اشاره کرد که اگر اثر مرتبه اول مورد انتظار پیدا نشود، ممکن است اثرات مرتبه دوم متناسب با v²/ ج². سپس در v= 30 کیلومتر بر ثانیه برای حرکت مداری زمین v/c= 10-4 داریم v²/ ج² \u003d 10 -8. به گفته ماکسول، این مقدار برای اندازه گیری بسیار کوچک است.

با این حال، به نظرم رسید که با استفاده از امواج نور می توان وسیله مناسبی برای اندازه گیری چنین اثر درجه دوم ابداع کرد. من دستگاهی ابداع کردم که شامل آینه هایی بود که با سرعت حرکت می کردند vاز طریق اتر در این دستگاه دو پرتو نور منتشر می شود. اولی به موازات بردار عقب و جلو می رود v، دوم در زوایای قائم به بردار سرعت می گذرد v. مطابق با نظریه کلاسیکتغییرات در مسیر نور ناشی از سرعت v، برای تیر طولی و عرضی باید متفاوت باشد. این باید یک تغییر محسوس در حاشیه های تداخل ایجاد کند. …

هنگامی که دستگاه با سرعت حرکت می کند vاز طریق اتر باید همان اثر در نور وجود داشته باشد حرکت قایقشناور در بالا و پایین رودخانه، و همچنین به جلو و عقب در سراسر جریان. زمان لازم برای طی کردن مسافت به جلو و عقب برای هر دو مورد متفاوت خواهد بود. با توجه به موارد زیر به راحتی می توان به این موضوع پی برد. سرعت جریان رودخانه هر چه باشد، قایق همیشه باید به مکانی که از آنجا شروع شده برگردد، فقط اگر در حال حرکت باشد. آن سوی جریانرودخانه ها اگر قایق در حال حرکت است در امتداد جریان، پس از آن ممکن است وقتی برخلاف جریان شنا می کند، دیگر به جایی که شروع شده است نرسد.

من سعی کردم آزمایشی را در آزمایشگاه هلمهولتز در برلین انجام دهم، اما ارتعاشات بزرگراه های شهر اجازه تثبیت موقعیت حاشیه های تداخل را نمی دهد. تجهیزات به آزمایشگاه در پوتسدام منتقل شد. نام کارگردان را فراموش کردم (فکر می کنم ووگل بود)، اما با خوشحالی به یاد دارم که او بلافاصله به آزمایش من علاقه نشان داد. و اگرچه او قبلاً مرا ندیده بود، اما کل آزمایشگاه را به همراه کارکنانش در اختیار من گذاشت. در پوتسدام نتیجه صفر گرفتم. دقت خیلی خوب نبود، زیرا طول مسیر نوری حدود 1 متر بود، اما جالب است بدانید که نتیجه کاملاً خوب بود.

وقتی به آمریکا برگشتم، این شانس را داشتم که با پروفسور مورلی در کلیولند همکاری کنم. همان اصل در دستگاه مورد استفاده در برلین اعمال شد. درست است، طول مسیر نور با وارد کردن تعدادی بازتاب به جای یک گذر پرتو افزایش یافت. در واقع طول مسیر 10 تا 11 متر بود که به دلیل حرکت مداری زمین از طریق اتر، باید یک جابجایی در نصف باند ایجاد می کرد. با این حال، تغییر مورد انتظار یافت نشد. تغییر حاشیه کمتر از 1/20 یا حتی 1/40 پیش بینی شده توسط تئوری تعیین شده است. این نتیجه را می توان به گونه ای تفسیر کرد که زمین تقریباً به طور کامل اتر را جذب می کند، به طوری که سرعت نسبی اتر و زمین در سطح آن صفر یا بسیار کوچک است.

با این حال، این فرض بسیار مشکوک است زیرا با شرایط نظری مهم دیگری در تضاد است. لورنتس توضیح دیگری ارائه کرد ( انقباض لورنتس) که در نتیجه معلوم به صورت نهایی استنباط کرد تحولات لورنتس. آنها جوهر کل هستند نظریه نسبیت» .

در این قطعه، مایکلسون نقاط عطف اصلی تشکیل را منعکس کرد نسبیت خاص. همانطور که می بینیم، نادرست بودن آزمایش در مورد تشخیص باد اثیری از دو فرض نادرست ناشی می شود. اول از همه، نویسنده آزمایش به اشتباه معتقد بود که مواد محیط جهان و موادی که زمین از آن "ساخته شده" است، متفاوت است. به همین دلیل است که وقتی سیاره به دور خورشید می چرخد، باید باد اتری روی سطح سیاره مشاهده شود. خطای دوم ناشی از تشبیه نادرست بین حرکت قایق ها در رودخانه و مسیر پرتوها در تداخل سنج است که در پایان بخش فرعی قبلی مورد بحث قرار گرفت.

نظریه آگوستین ژان فرنل (1788 - 1827) که پس از تفسیر موفقیت آمیز آزمایش 1810 آراگو برای اندازه گیری سرعت نور در عدسی متحرک با استفاده از مفهوم ایجاد شد. حباب جزئی اترتغییرناپذیری الگوی تداخل را در آزمایش فیزو نیز توضیح داد. به همین ترتیب، لازم بود دلیل خاصی برای تغییر ناپذیری الگوی تداخل در آزمایش مایکلسون- مورلی پیدا شود. لورنتس که از نزدیک با مایکلسون کار می کرد، کاهش ابعاد خطی اجسام فیزیکی را در جهت بردار پیشنهاد کرد. v، که همانطور که به نظر او می رسید از دگرگونی هایی که پیدا کرد به وجود آمد. با این حال، این دگرگونی‌های زائد معنای فیزیکی داشتند، به‌ویژه در تفسیر نسخه انیشتین از نظریه نسبیت.

دلیل واقعی نتیجه منفی در جای دیگری نهفته است و معنای آن به شرح زیر است. اگر منبع موج روی همان سکوی متحرک گیرنده باشد، به دلیل جبران خسارتطول موج، فرکانس و دوره نوسان مانند یک سکوی ثابت باقی می ماند. شما می توانید این پلت فرم را در هر زاویه ای با توجه به بردار جابجایی آن بچرخانید - با این حال، الگوی تداخل بدون تغییر باقی می ماند، زیرا مکانیسم جبران در این مورد نیز کار خواهد کرد. این بحث قبلاً ذکر شد، اما آنقدر مهم است که یادآوری غیرضروری آن به خصوص برای نسبی گرایان ضرری ندارد.

نمای کلی تداخل سنج در پرسپکتیو. تصویری از گزارش A. Michelson بر اساس نتایج آزمایش های انجام شده او در سال 1881 حرکت زمین به دور خورشید و از طریق اتر. طرح راه اندازی آزمایشی تصویر راه اندازی آزمایشی

آزمایشات مایکلسون- دسته ای از آزمایشات فیزیکی که وابستگی سرعت انتشار نور به جهت را بررسی می کند. در حال حاضر (2011)، دقت آزمایش‌ها یافتن انحرافات نسبی همسانگردی سرعت نور را در واحدهای 10-16 ممکن می‌سازد، اما هیچ انحرافی در این سطح یافت نشده است. آزمایش‌های مایکلسون مبنای تجربی اصل تغییرناپذیری سرعت نور است که در نظریه نسبیت عام (GR) و نظریه نسبیت خاص (SRT) گنجانده شده است.

تئوری

کل زمان t 1 (\displaystyle t_(1)) را با استفاده از مجموع زمان های دو مسیر محاسبه کنید:

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)))))\تقریبا (\frac (2L_(1))(c))\left(1+(\frac (v^(2))(c^(2)))\راست))

تقریب به این دلیل است که (v 2 / c 2) 1 (\displaystyle (v^(2)/c^(2))) هنگامی که سرعت گرفته می شود v (\displaystyle v) است که همان زمین.

سرعت اتر c = ∥ v + v 1 ∥ (\displaystyle c=\|\mathbf (v) +\mathbf (v_(1)) \|) و v 1 = ∥ v 1 ∥ (\displaystyle v_(1) =\|\mathbf (v_(1)) \|) - سرعت موج در جهت آینه.

C = ∥ v + v 1 ∥ = v 2 + v 1 2 (\displaystyle c=\|\mathbf (v) +\mathbf (v_(1)) \|=(\sqrt (v^(2)+v_ (1)^(2)))) ; نتیجه می شود که: 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)))))))

با در نظر گرفتن تقارن، اکنون می توانیم محاسبه کنیم:

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

اختلاف فاز متناسب با:

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))))))\راست))

S = | δ + δ′ | (\displaystyle S=|\delta +\delta ^(")|)، که در آن δ ' (\displaystyle \delta ^(")) متناسب با اختلاف فاز است که توسط π 2 (\displaystyle (\frac (\) می‌چرخد پی )(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))))))\ راست)+) 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)))))\راست)|\تقریبا (L_(1)+L_ (2))(\frac (v^(2))(c^(2))))

نشان داده شده است که تئوری اتر حاکی از تفاوتی است که می توان آن را با ابزارهای مناسب (تداخل سنج مایکلسون- مورلی) اندازه گیری و تشخیص داد.

داستان

زمینه

مقاله اصلی: اتر (فیزیک)

تئوری انتشار نور به عنوان نوسانات یک محیط خاص - اتر درخشنده - در قرن هفدهم ظاهر شد. در سال 1727، اخترشناس انگلیسی، جیمز بردلی، انحراف نور را با کمک آن توضیح داد. فرض بر این بود که اتر بی حرکت است، اما پس از آزمایشات فیزو، این فرض مطرح شد که اتر به طور جزئی یا کامل در جریان حرکت ماده حبس شده است.

در سال 1864، جیمز ماکسول آزمایشی را برای تعیین سرعت زمین نسبت به اتر ترتیب داد، اما بعداً در محاسبات خود خطایی پیدا کرد و نتایج را منتشر نکرد. اندکی قبل از مرگش، در سال 1879، نامه ای به یکی از دوستانش در این زمینه نوشت که پس از مرگش در مجله نیچر منتشر شد. در سال‌های 1871-1872، ایری مجموعه‌ای از آزمایش‌های دقیق را با یک منبع نور نجومی انجام داد و از آن‌ها به این نتیجه رسید که حرکت مداری زمین به طور کامل اتر را به خود جذب می‌کند.

آزمایشات مایکلسون

انتشار فوق الذکر نامه ماکسول فیزیکدان آمریکایی آلبرت مایکلسون را مورد توجه قرار داد. در حدود سال 1880، او یک ابزار نوری با دقت استثنایی اختراع کرد که آن را تداخل سنج نامید. هدف از اولین آزمایش (1881) اندازه گیری وابستگی سرعت نور به حرکت زمین نسبت به اتر بود. نتیجه آزمایش اول منفی بود - جابجایی باندها با موارد نظری خارج از فاز هستند و نوسانات این جابجایی ها فقط کمی کمتر از جابجایی های نظری است. مقاله در مورد نتایج آزمایش مورد انتقاد فیزیکدان نظری برجسته هندریک لورنتز قرار گرفت که اشاره کرد که دقت نظری آزمایش بیش از حد برآورد شده است.

بعداً، در سال 1887، مایکلسون، همراه با مورلی، آزمایش مشابهی اما بسیار دقیق‌تری را انجام دادند. آزمایش مایکلسون مورلیو نشان می دهد که جابجایی مشاهده شده مطمئناً کمتر از 1/20 جابجایی نظری و احتمالاً کمتر از 1/40 است. در تئوری اتر بدون حباب، جابجایی باید متناسب با مجذور سرعت باشد، بنابراین نتایج معادل این واقعیت است که سرعت نسبی زمین در اتر کمتر از 1/6 سرعت مداری آن و قطعاً کمتر است. از 1/4.

تحت تأثیر این نتایج، جورج فیتزجرالد و لورنتز فرضیه ای را در مورد انقباض اجسام مادی در جهت حرکت در یک اتر بی حرکت و بی حرکت مطرح کردند (1889).

آزمایشات میلر

به گفته پروفسور دیتون کی میلر (مدرسه علوم کاربردی کیزیان):

می توان فرض کرد که آزمایش فقط نشان داد که اتر در یک اتاق زیرزمین خاص همراه با آن در جهت طولی حمل می شود. بنابراین ما می‌خواهیم دستگاه را به یک تپه منتقل کنیم تا ببینیم آیا اثر در آنجا پیدا می‌شود.[ منبع نامشخص 1066 روز]

کی میلر و پروفسور مورلی تداخل سنج حساس تری نسبت به آزمایش اول با طول مسیر نوری 65.3 متر، معادل حدود 130 میلیون طول موج طراحی کردند. K. Miller انتظار داشت که شاهد تغییر 1.1 باند باشد.

در پاییز 1905، مورلی و میلر آزمایشی را در ارتفاعات اقلیدسی در کلیولند، در حدود 90 متر بالاتر از دریاچه ایری و حدود 265 متر بالاتر از سطح دریا انجام دادند. در 1905-1906. پنج سری مشاهدات انجام شد که تأثیر مثبت خاصی داد - حدود 1/10 از رانش مورد انتظار.

در مارس 1921، روش و دستگاه تا حدودی تغییر کرد و نتیجه 10 کیلومتر بر ثانیه "باد اتر" به دست آمد. نتایج به دقت برای حذف احتمالی خطاهای مرتبط با مغناطیسی و تابش حرارتی بررسی شد. جهت چرخش دستگاه تاثیری بر نتیجه آزمایش نداشت.

مطالعات بعدی نتایج بدست آمده توسط D. Miller نشان داد که نوسانات مشاهده شده توسط وی و تعبیر به وجود "باد اثیری" نتیجه خطاهای آماری و بی توجهی به اثرات دما است.

آزمایش های کندی

دکتر روی کندی (موسسه فناوری کالیفرنیا)، پس از انتشار نتایج آزمایش مورلی میلر، آزمایش را به منظور تأیید اصلاح می کند. تداخل سنج در یک محفظه فلزی مهر و موم شده پر از هلیوم با فشار 1 atm قرار می گیرد. با استفاده از دستگاهی که قادر به تشخیص جابجایی های بسیار کوچک در الگوی تداخل بود، کاهش اندازه بازوها تا 4 متر امکان پذیر شد. از نور قطبی استفاده شد تا تا حد امکان از پراکندگی نور بر روی آینه ها حذف شود. دقت آزمایش با جابجایی باندها به اندازه 2 · 10-3 از عرض آنها مطابقت دارد. در این دستگاه، سرعت 10 کیلومتر بر ثانیه میلر، تغییری معادل 8 x 10-3 طول موج سبز، چهار برابر کوچک‌ترین مقدار قابل تشخیص، ایجاد می‌کند. این آزمایش در آزمایشگاه نورمن بریج، در اتاقی با دمای ثابت، در ساعات مختلف روز انجام شد. برای آزمایش وابستگی سرعت باد اتری به ارتفاع زمین، آزمایش‌هایی نیز در کوه ویلسون، در ساختمان رصدخانه انجام شد. معلوم شد که این اثر برای باد اثیری از 1 کیلومتر بر ثانیه تجاوز نمی کند.

اکنون می خواهم چند نکته در مورد آزمایش میلر بیان کنم. من معتقدم که یک مشکل جدی در ارتباط با اثر وجود دارد، که دوره ای برای یک چرخش کامل دستگاه است، و توسط میلر رد شده است، که بر اهمیت اثر نیم چرخه تأکید می کند، یعنی تکرار در طول نیم چرخش دستگاه، و در مورد مسئله باد اثیری. در بسیاری از موارد، اثر چرخه کامل بسیار بزرگتر از اثر نیم چرخه است. به گفته میلر، اثر دوره کل به عرض باندها بستگی دارد و برای نوارهای با پهنای نامحدود صفر خواهد بود.

اگرچه میلر ادعا می کند که در اندازه گیری های خود در کلیولند توانسته این تأثیر را تا حد زیادی از بین ببرد و این را می توان به راحتی با آزمایش توضیح داد، اما من می خواهم دلایل این موضوع را واضح تر بفهمم. در حال حاضر به عنوان یک نسبیت گرا باید بگویم که چنین تأثیری اصلا وجود ندارد. در واقع، چرخش دستگاه به عنوان یک کل، از جمله منبع نور، هیچ تغییری از نقطه نظر نظریه نسبیت ایجاد نمی کند. زمانی که زمین و کشتی در حال استراحت هستند نباید اثری داشته باشد. به گفته انیشتین، همان عدم تأثیر را باید برای زمین در حال حرکت مشاهده کرد. بنابراین اثر دوره کل در تضاد با نظریه نسبیت است و از اهمیت زیادی برخوردار است. اگر میلر سپس اثرات سیستماتیکی را کشف کرد که وجود آنها قابل انکار نیست، دانستن علت اثر دوره کامل نیز مهم است.

آزمایش های مایکلسون و گال

طرح آزمایش مایکلسون-گال

در سال 1925، مایکلسون و گائل در کلیرینگ در ایلینوی روی زمین گذاشته شدند. لوله های آببه شکل مستطیل قطر لوله 30 سانتی متر لوله های AF و DE دقیقاً از غرب به شرق، EF، DA و CB - از شمال به جنوب هدایت شدند. طول DE و AF 613 متر بود. EF، DA و CB - 339.5 متر. یک پمپ معمولی که به مدت سه ساعت کار می کند، می تواند هوا را تا فشار 1 سانتی متر جیوه خارج کند. برای تشخیص جابجایی، مایکلسون در میدان تلسکوپ حاشیه های تداخلی را که با دویدن در اطراف خطوط بزرگ و کوچک به دست می آید، مقایسه می کند. یکی از پرتوهای نور در جهت عقربه های ساعت و دیگری در جهت مخالف حرکت کرد. جابجایی نوارهای ناشی از چرخش زمین توسط افراد مختلف در روزهای مختلف با بازآرایی کامل آینه ها ثبت شد. در مجموع 269 اندازه گیری انجام شد. از نظر تئوری، با فرض بی حرکت بودن اتر، باید انتظار تغییر باند به میزان 0.002±0.236 را داشت. پردازش داده‌های مشاهده‌ای بایاس 0.005±0.230 را به دست داد، بنابراین وجود و بزرگی اثر Sagnac را تأیید کرد.

S. I. Vavilov در مقاله "مبانی تجربی نظریه نسبیت" این تأثیر را به شرح زیر توضیح می دهد:

آزمایش‌های دورانی ساگناک و مایکلسون-گال در نظریه نسبیت (خاص و عام) تقریباً به همان روشی توضیح داده شده است که امکان تشخیص حرکت چرخشی از تظاهرات نیروهای گریز از مرکز در مکانیک وجود دارد. این نتیجه طبیعی نظریه نسبیت است و چیز جدیدی اضافه نمی کند.

گزینه های مدرن

در سال 1958، در دانشگاه کلمبیا (ایالات متحده آمریکا)، آزمایش دقیق‌تری با استفاده از پرتوهای خلاف جهت دو میزر انجام شد که ثابت‌ناپذیری فرکانس ناشی از حرکت زمین را با دقت حدود 10-9٪ نشان داد.

حتی اندازه گیری های دقیق تر در سال 1974 حساسیت را به 0.025 متر بر ثانیه رساند. نسخه‌های مدرن آزمایش مایکلسون از نوری و برودتی استفاده می‌کنند. روشن کردن] تشدید کننده های مایکروویو و تشخیص انحراف سرعت نور در صورتی که چندین واحد در هر 10-16 باشد ممکن می سازد.

/ پوشه جدید_2 / تعیین سرعت نور (2)

تاریخچه تعیین سرعت نور

سرعت نور در فضای آزاد (خلاء) سرعت انتشار هر موج الکترومغناطیسی از جمله امواج نور است. این نشان دهنده سرعت محدود انتشار هر گونه تأثیرات فیزیکی است و در انتقال از یک چارچوب مرجع به چارچوب دیگر ثابت است.

سرعت نور در محیط به ضریب شکست محیط n بستگی دارد که برای فرکانس های مختلف تابش متفاوت است: с’() = c/n(). این وابستگی منجر به تفاوت بین سرعت گروه و سرعت فاز نور در یک محیط می شود، اگر در مورد نور تک رنگ صحبت نمی کنیم (برای سرعت نور در خلاء، این کمیت ها منطبق هستند. با تعیین تجربی c'، همیشه گروه را اندازه گیری کنید. سرعت نور

برای اولین بار، سرعت نور در سال 1676 توسط O.K. Romer با تغییر فواصل زمانی بین کسوف های ماهواره های مشتری تعیین شد. در سال 1728، توسط جی. بردلی، بر اساس مشاهدات او از انحراف نور ستاره، تأسیس شد. در سال 1849، AIL Fizeau اولین کسی بود که سرعت نور را در زمانی که نور طی مسافتی کاملاً شناخته شده (پایه) طی کرد، اندازه گیری کرد، زیرا ضریب شکست هوا با 1 بسیار کمی متفاوت است، اندازه گیری های زمینی مقداری را نشان می دهند. خیلی نزدیک به سرعت

در آزمایش فیزو، یک پرتو نور از منبع نور S، که توسط یک آینه نیمه شفاف 3 منعکس شده بود، به طور دوره ای توسط یک دیسک دندانه دار چرخان 2 قطع می شد، از پایه 4-1 (حدود 8 کیلومتر) عبور می کرد و از آینه 1 منعکس می شد. به دیسک با قرار گرفتن روی شاخک، نور به ناظر نرسید، اما به شاخک برخورد کرد

شکاف بین دندان ها را می توان از طریق چشمی 4 مشاهده کرد. از سرعت های شناخته شده چرخش دیسک، زمان عبور نور از پایه تعیین شد. Fizeau مقدار c = 313300 km/s را بدست آورد.

در سال 1862، J. B. L. Foucault ایده D. Argo را که در سال 1838 بیان شد، با استفاده از یک آینه با چرخش سریع (512 دور در ثانیه) به جای دیسک دندانه دار محقق کرد. با انعکاس از آینه، پرتو نور به سمت پایه هدایت شد و پس از بازگشت، دوباره روی همان آینه افتاد، که فرصت داشت با زاویه کمی بچرخد. فوکو با پایه تنها 20 متر دریافت که سرعت نور 298000 500 کیلومتر بر ثانیه است. طرح ها و ایده های اساسی روش های فیزو و فوکو بارها و بارها در کارهای بعدی در تعیین سرعت نور مورد استفاده قرار گرفت.

تعیین سرعت نور به روش آینه دوار (روش فوکو): S – منبع نور; R آینه ای است که به سرعت می چرخد. C یک آینه مقعر ثابت است که مرکز آن با محور چرخش R منطبق است (بنابراین، نور منعکس شده توسط C همیشه به R برخورد می کند). M یک آینه نیمه شفاف است. L - لنز؛ E - چشمی; RC - فاصله با دقت اندازه گیری شده (پایه). خط نقطه چین موقعیت R را نشان می دهد که در طول مدتی که نور مسیر RC و عقب را طی می کند تغییر کرده است و مسیر برگشت پرتو پرتوها از طریق عدسی L را نشان می دهد که پرتو منعکس شده را در نقطه S' جمع می کند و نه در نقطه S، مانند یک آینه ثابت R. سرعت نور با اندازه گیری جابجایی SS تنظیم می شود.

مقدار c = 299796 4 km/s بدست آمده توسط A. Michelson در سال 1926 در آن زمان دقیق ترین بود و در جداول بین المللی مقادیر فیزیکی گنجانده شد.

اندازه گیری سرعت نور در قرن نوزدهم نقش بزرگی در فیزیک بازی کرد و نظریه موجی نور را بیشتر تایید کرد. مقایسه فوکو از سرعت نور با فرکانس یکسان در هوا و آب در سال 1850 نشان داد که سرعت در آب مطابق با پیش‌بینی تئوری موج، u = c/n () است. ارتباط اپتیک با تئوری الکترومغناطیس نیز برقرار شد: سرعت اندازه گیری شده نور با سرعت امواج الکترومغناطیسی که از نسبت واحدهای الکترومغناطیسی و الکترواستاتیک بار الکتریکی محاسبه می شود همزمان بود.

در اندازه گیری های مدرن سرعت نور، از روش مدرن فیزو با جایگزینی چرخ دنده با یک تداخل یا تعدیل کننده نور دیگر استفاده می شود که پرتو نور را به طور کامل قطع یا ضعیف می کند. گیرنده تابش یک فتوسل یا یک ضرب کننده فوتوالکتریک است. استفاده از لیزر به عنوان منبع نور، مدولاتور اولتراسونیک با فرکانس تثبیت شده و افزایش دقت اندازه گیری طول پایه باعث کاهش خطاهای اندازه گیری و به دست آوردن مقدار c = 299792.5 0.15 کیلومتر بر ثانیه می شود. علاوه بر اندازه گیری مستقیم سرعت نور از زمان عبور از یک پایه شناخته شده، روش های غیرمستقیم به طور گسترده استفاده می شود که دقت بیشتری به دست می دهد.

دقیق ترین اندازه گیری کمیت c نه تنها در شرایط نظری کلی و برای تعیین مقادیر سایر مقادیر فیزیکی، بلکه برای اهداف عملی نیز بسیار مهم است. مخصوصاً به آنها. این شامل تعیین فواصل در زمان عبور سیگنال های رادیویی یا نوری در رادار، مکان نوری، برد نوری و غیره می باشد.

مایکلسون و سرعت نور

معمولاً این اتفاق نمی افتد که یک مرد هفتاد ساله مجبور شود به کارهایی که در جوانی انجام داده است بازگردد تا نتایج تحقیقات بسیار دقیق و قابل اعتماد قبلی را اصلاح کند، زیرا همه معتقدند که هیچ کس نمی تواند بهتر از او این کار را انجام دهد. چنین فرصت رشک برانگیزی پیش روی مایکلسون قرار گرفت.

در سال 1923، جورج الری هال، مدیر رصدخانه مونت ویلسون، از مایکلسون دعوت کرد تا به پاسادنا بیاید و سرعت نور را تعیین کند. مایکلسون پیشنهاد او را با اشتیاق پذیرفت. او مدتها منتظر فرصتی بود تا نتایج اندازه گیری معروف خود در سال 1882 را روشن کند. او به سرعت وسایل خود را جمع کرد و به کالیفرنیا رفت و در آنجا دفتر مرکزی خود را در دامنه کوه ویلسون ایجاد کرد.

آماده سازی آزمایش با دقت زیادی انجام شد. یک سایت برای دو نصب انتخاب شد. یکی از آنها در بالای کوه ویلسون قرار داشت که قبلاً برای او آشنا بود و دیگری در بالای کوه سن آنتونیو که با نام مستعار "طاسی پیر" در ارتفاع 5800 متری از سطح دریا و در فاصله ای قرار داشت. از 35 کیلومتری کوه ویلسون. سازمان ساحلی و زمین‌شناسی ایالات متحده وظیفه اندازه‌گیری دقیق فاصله بین دو صفحه بازتابنده را بر عهده داشت - یک آینه منشوری دوار در کوه ویلسون و یک آینه ثابت در سن آنتونیو. خطای احتمالی در اندازه گیری فاصله یک هفت میلیونیم یا کسری از سانتی متر در هر 35 کیلومتر بود. یک منشور دوار از فولاد نیکل اندود، با هشت سطح آینه صیقل داده شده با دقت یک قسمت در یک میلیون، برای آزمایش توسط شرکت ژیروسکوپ اسپری بروکلین ساخته شد که رئیس آن، مهندس و مخترع المر اسپری، یک دوست مایکلسون علاوه بر این، چندین منشور شیشه ای و فولادی دیگر ساخته شد. روتور پر سرعت هشت ضلعی تا 528 دور در ثانیه انجام می شد. توسط یک جت هوا به حرکت در می آمد و سرعت آن مانند آزمایش های قبلی توسط یک چنگال تنظیم الکتریکی تنظیم می شد. (چنگال کوک نه تنها توسط نوازندگان برای تعیین گام استفاده می شود، بلکه می توان از آن برای تعیین دوره های کوتاه زمان مساوی بسیار دقیق استفاده کرد. می توانید یک ساز با فرکانس مناسب ایجاد کنید که تحت تأثیر جریان الکتریکی، این کار را انجام می دهد. مانند یک زنگ الکتریکی ارتعاش کنید.)

اسپری همچنین به دوستش یک نورافکن با قوس بالا را که مدتی قبل برای اهداف نظامی ساخته بود، پیشنهاد کرد. پرستون آر. باست، مهندسي که نورافکن را هدايت کرد و بعداً رئيس شرکت شد، مکانيسم لامپ قوسي خاصي را براي اين آزمايش ابداع کرد و خود آن را در تابستان 1924 به کالیفرنیا برد. فرد پیرسون برای شرکت در آزمایش از شیکاگو آمد.

اندازه گیری جدید سرعت نور

مایکلسون، مانند یک ناخدا بر روی پل یک کشتی، با شور و شوق مقدمات عملیات را رهبری کرد و در تمام جزئیات جستجو کرد. تمام اقدامات احتیاطی ممکن برای حذف یا به حداقل رساندن خطاها اتخاذ شده است. عالم فرهیخته با علاقه به تماشای آماده سازی نشست. سرانجام، همه چیز آماده شد و نور لامپ قوس به آینه ای در سن آنتونیو هدایت شد و بر روی یک منشور در حال چرخش در کوه ویلسون منعکس شد (شکل 12). اندازه گیری ها هر شب صاف از ساعت ده شب تا نیمه شب انجام می شد و هر سری از مشاهدات چندین هفته به طول می انجامید. اندازه گیری ها روزانه در مقر مایکلسون در پاسادنا دریافت می شد.

برنج. 12.اصلاحاتی که مایکلسون در نصب خود انجام داد. اصل یکسان بود (تغییر اصلی افزایش مسیر پرتو نور بود).

از سال 1924 تا آغاز سال 1927، پنج سری مشاهدات مستقل انجام شد. میانگین نتیجه 299798 کیلومتر در ثانیه بود.

اما مایکلسون هنوز کاملاً راضی نبود. وی ابراز امیدواری کرد که با افزایش طول مسیر پرتو نور و انتقال آزمایش به محلی دیگر بتواند به تعریف دقیق تری دست یابد. او در گزارش خود در مورد آزمایش روی کوه سن آنتونیو نوشت: موفقیت اندازه‌گیری‌ها در فاصله 22 مایلی که اکثر آنها در شرایط نامناسب (مه و دود آتش‌سوزی جنگل‌ها) انجام شده‌اند، نشان‌دهنده امکان‌سنجی است. انجام آزمایشی در فاصله بسیار دورتر."

او برای این تجربه، کوه سن جاسینتو را انتخاب کرد که در 130 کیلومتری کوه ویلسون قرار دارد. او حتی یک آزمایش مقدماتی انجام داد. اما نور لامپ قوس در راه بازگشت به شدت در اثر دود و مه ضعیف شده بود که این ایده باید کنار گذاشته می شد.

مایکلسون به شیکاگو بازگشت و در نوامبر 1928 برای یک کنفرانس علمی سالگرد در دفتر ملی استاندارد به واشنگتن سفر کرد. این انجمن توسط انجمن نوری آمریکا به افتخار پنجاهمین سالگرد انتشار اولین اثر مایکلسون (1878) در مورد سرعت نور و به منظور قدردانی از سهم بزرگ او در زمینه اپتیک برگزار شد. این کنفرانس به طور غیررسمی «کنفرانس مایکلسون» نام داشت و البته خود مایکلسون نیز مهمان افتخاری آن بود.

تلاش نهایی

V سال آیندهمایکلسون که در آن زمان هفتاد و هفت سال داشت، دچار خونریزی شدید مغزی شد. او از دانشگاه بازنشسته شد، زیاد نقاشی می‌کشید و راه می‌رفت و سعی می‌کرد سلامتی ناتوان خود را بازگرداند. این کار آسانی نبود. با این حال، او از رویاپردازی در مورد بازگشت به مطالعه سرعت نور دست برنداشت. او امیدوار بود که با به دست آوردن قدرت، تصمیم دیگری اتخاذ کند. او به جایی که بیش از پنجاه سال پیش شروع کرده بود بازگشته است. او ایده خلاص شدن از تداخل در قالب مه، دود و حتی شفاف ترین جو را گرامی داشت. او می خواست آزمایش را به گونه ای تنظیم کند که پرتو در صورت امکان از خلاء تقریباً مطلق عبور کند.

و سپس مایکلسون دوباره دعوتی به پاسادنا دریافت کرد. او گفت: «هال گفت که کوه ویلسون و کلتک در اختیار من هستند. وسوسه خیلی زیاد بود. من رفتم." تمام ابزار و وسایل لازم در اختیار او قرار گرفت. بنیاد راکفلر 30000 دلار برای این آزمایش، شرکت کارنگی 27500 دلار و دانشگاه شیکاگو 10000 دلار ارائه کردند.

محل تجربه حماسی مزرعه ایروین در نزدیکی سانتا آنا، کالیفرنیای جنوبی بود. سازمان ساحلی و زمین شناسی ایالات متحده دوباره وظیفه اندازه گیری فاصله را داشت. لوله‌های غول‌پیکر از ورق‌های فولادی موج‌دار نورد می‌شدند. آنها از بخشهای 18 متری با قطر حدود یک متر تشکیل شده بودند که به یکدیگر پرچ شده بودند. نتیجه لوله ای به طول بیش از 1.5 کیلومتر بود. قیمت او 50 هزار دلار است. می توان آن را از طریق چهار دریچه - دو در انتها و دو در قسمت اصلی لوله وارد کرد. شرکت ژیروسکوپ Sperry دوباره آینه های فولادی دوار - با 8، 16 و 32 وجه را تولید کرد. علاوه بر این، یک آینه 32 طرفه از شیشه نوری درجه یک ساخته شده است.

لوله را لحیم کاری کردند و چند شبانه روز متوالی با پمپ های مخصوص هوا از آن خارج می شد تا اینکه فشار لوله به 0.5 میلی متر جیوه کاهش یافت. هنر (فشار طبیعی 760 میلی متر جیوه است). یک لامپ قوسی به عنوان منبع نور عمل می کرد. نوری که بارها و بارها بازتاب می‌شد، باید مسیری در حدود 16 کیلومتر را طی می‌کرد. برای اولین بار در تاریخ، اندازه گیری سرعت نور تقریباً در خلاء مطلق انجام شد.

در همین حال، سلامتی مایکلسون چیزهای زیادی را باقی گذاشت. او هرگز نتوانست آنقدر بهبود یابد که با دستان خود اندازه گیری کند. آنها توسط فرانسیس جی پیس و فرد پیرسون اداره می شدند. آنها نیز نتایج را گرد هم آوردند. در طول سال 1930 و اوایل سال 1931، صدها مشاهده انجام شد. مایکلسون در رختخواب دراز کشیده بر کار نظارت کرد. او به تنهایی هرگز با مشکلاتی که هرازگاهی نیاز به حل فوری دارند کنار نمی آمد. هر بار که مشکلی در تجهیزات رخ می داد، باید هوا را وارد لوله می کردید تا بتوانید وارد آن شوید و آسیب را برطرف کنید. و بعد باید چهل و هشت ساعت صبر می کردید تا پمپ ها دوباره هوا را خارج کنند. امواج گرما تصویر نور را مخدوش می کرد، بنابراین بیشتر کار باید در شب انجام می شد، زمانی که هوا خنک می شد.

در اوایل سال 1931، زمانی که کار هنوز کامل نشده بود و به نظر می رسید که مایکلسون در حال بهبودی از عوارض بیماری است، یک کنفرانس علمی در پاسادنا برگزار شد که انیشتین و بسیاری از دانشمندان بزرگ از کشورهای مختلف در آن حضور داشتند. در 15 ژانویه قرار بود ضیافتی به افتخار دکتر انیشتین و همسرش برگزار شود. البته مایکلسون هم دعوت شده بود. او در آن زمان به اندازه کافی احساس خوبی داشت و بسیار خوشحال بود که توانست در این جلسه رسمی شرکت کند که در ساختمان جدید و باشکوه آتنیوم برگزار شد.

انیشتین سخنرانی کوتاهی کرد. در کنار او بزرگترین دانشمندان - مایکلسون، میلیکن، هال و دیگران نشسته بودند. انیشتین شروع کرد: «خوشحالم که در جمع کسانی هستم که سال‌ها رفقای وفادار من در کار من بودند.» سپس رو به مایکلسون کرد و ادامه داد: «شما، دکتر مایکلسون عزیز، زمانی که من هنوز پسر بودم، تحقیقات خود را آغاز کردید. شما راه های جدیدی را برای فیزیکدانان باز کردید و با آزمایش های شگفت انگیز خود راه را برای نظریه نسبیت هموار کردید. شما مغالطه نظریه اثیری نور را افشا کردید و ایده های لورنتس و فیتزجرالد را تحریک کردید که نظریه نسبیت خاص از آنها شکل گرفت. بدون کار شما، این نظریه همچنان فقط یک حدس جالب خواهد بود. اولین تایید واقعی خود را در آزمایشات شما دریافت کرده است.

مایکلسون عمیقا متاثر شد. بالاترین ستایش بود. او برخاست تا از چنین ارزیابی سخاوتمندانه ای از شایستگی های خود تشکر کند. مایکلسون به ندرت سخنرانی می کرد و زمانی که سخنرانی می کرد، همیشه مختصر و دقیق صحبت می کرد. و این بار خودش را تغییر نداد. او از طرف خود و از طرف همکار فقیدش ادوارد مورلی که هشت سال پیش درگذشت از اینشتین تشکر کرد. مایکلسون هرگز ادای احترام به کارمندان و دستیاران خود را فراموش نکرد.

این آخرین حضور عمومی مایکلسون بود. او سعی کرد به سر کار بازگردد، اما در 1 مارس نتوانست از رختخواب بلند شود. فلج تدریجی شروع شد و او به سرعت شروع به ضعیف شدن کرد. در همین حال، اطلاعات جدید بیشتری از سانتا آنا دریافت می شد. مایکلسون با جمع آوری آخرین نیروی خود، به آرامی اما به وضوح مقدمه مقاله را به پیز دیکته کرد که قرار بود نتایج نهایی آزمایش ها را خلاصه کند. این مقاله باید برای انتشار به مجله Astrophysical ارسال می شد.

وضعیت مایکلسون همچنان رو به وخامت بود، اما او نپذیرفت که به شدت بیمار است. چهل و هشت ساعت قبل از اینکه به حالت بیهوشی بیفتد، خوش بینانه نوشت: «سلامتی من در حال بهتر شدن است». نزدیک او همسرش، یکی از دختران و دو پرستارش بودند. پیز و پیرسون به آنها پیوستند. در ساعت دوازده و پنجاه و پنج دقیقه در 9 می 1931، مایکلسون بی سر و صدا بدون اینکه به هوش بیاید درگذشت.

کشیش کلیسای محلی اتحادیه گرایان-لیبرال خدمات بسیار متواضعانه و کوتاهی را در خانه خود انجام داد. به درخواست بیوه مایکلسون، خبر مرگ او تا پس از تشییع جنازه منتشر نشد. در مراسم تشییع جنازه، همسر مایکلسون، ادنا، سه دخترشان - مادلین، دوروتی و بئاتریس - و چند تن دیگر از اقوام و نزدیکترین دوستانشان حضور داشتند. میلیکان، هال و هابل تابوت را به نعش کش بردند. جسد طبق میل مایکلسون سوزانده شد و خاکستر به باد پراکنده شد.

دانشمندان سراسر جهان خدمات او را به علم جشن گرفتند. انیشتین از مرگ مایکلسون در انگلستان، جایی که او در آکسفورد مدرس بود، مطلع شد. او گفت: «دکتر مایکلسون یکی از بزرگترین هنرمندان دنیای تجربیات علمی بود.

سه تن از نزدیکترین همکاران مایکلسون در دانشگاه شیکاگو، فارست آر مولتون، هنری جی گیل و هاروی بی.

«زندگی او نمونه باشکوهی از عزم بود که در معرض فراز و نشیب های سرنوشت نبود. به نظر می رسید که حتی نیروهای عشق، نفرت، حسادت، حسادت، غرور به سختی او را لمس می کردند. او که جذب تحقیقات علمی شده بود، به طور کلی نسبت به مردم نسبتاً بی تفاوت بود، اما با این وجود دوستانی فداکار داشت که دوستی آنها را با دقت حفظ می کرد... محتوا و هدف اصلی زندگی او فعالیت های علمی، لذت زیبایی شناختی ناشی از کار بود. عجله کن، هیاهو برای او بیگانه بود. با این فکر که لحظه تعیین کننده ای برای علم یا برای همه بشریت فرا رسیده است، او را به تب نینداخت. او نمی لرزید، در آستانه یک کشف بزرگ ایستاده بود ...

او نرم و آرام و عاری از هرگونه محبت بود، مانند دریا در یک روز آفتابی - آرام، بی حد و حصر، بی اندازه... چنین شخصیتی را می توان احساس کرد، اما نمی توان آن را تحلیل کرد. مایکلسون روح خود را برای کسی فاش نکرد، اما همه فهمیدند که در اعماق آن چیزهای زیادی پنهان شده است که برای چشم غیرقابل دسترس است. افراد بسیار کمی او را از نزدیک می شناختند.»

پس از مرگ مایکلسون، کار بر روی اندازه گیری سرعت نور در یک لوله خلاء به طول بیش از 1.5 کیلومتر برای تقریبا دو سال دیگر ادامه یافت. در سال 1933، در طول زمین لرزه لانگ بیچ، تاسیسات ویران شد، اما در این زمان تمام مشاهدات از قبل تکمیل شده بود. در مجموع 2885 تعیین انجام شد. میانگین سرعت نور در خلاء 299774 کیلومتر بر ثانیه است. این رقم 24 کیلومتر کمتر از رقمی بود که طی آزمایشات روی قله دو کوه به دست آمد. اتحادیه بین‌المللی ژئوفیزیک و ژئودتیک و اتحادیه بین‌المللی علوم رادیویی برای سرعت نور 299792.5 کیلومتر بر ثانیه* تعیین کرده‌اند. این رقم در خطای تجربی تعیین مایکلسون قرار دارد.

عنوان مقاله‌ای که آخرین تجربه مایکلسون را گزارش می‌کند، تکرار عنوان اولین اثر او بود که بیش از نیم قرن قبل از آن منتشر شد، زمانی که او هنوز ستوان مایکلسون بود. نام آن "در مورد روش اندازه گیری سرعت نور" بود. آخرین کار با عنوان "اندازه گیری سرعت نور در خلاء جزئی"، تکمیل سهم بزرگ مایکلسون در علم بود.

ادامه جستجو

هیچ حرف آخر یا تصمیم نهایی در تحقیقات علمی وجود ندارد. اگر مایکلسون امروز از آزمایشگاه‌های علمی بزرگ جهان بازدید می‌کرد، متوجه می‌شد که محققان هنوز با همان مشکلاتی دست و پنجه نرم می‌کنند که او و دیگر دانشمندان زمانش در تلاش برای حل آن بودند. ایده‌های علمی که به نظر می‌رسید به‌طور محکمی تثبیت شده بودند، دائماً زیر و رو می‌شوند، جایگزین می‌شوند، گسترش می‌یابند یا تکمیل می‌شوند. این همان چیزی است که با قوانین نیوتن که توسط انیشتین اصلاح شده است اتفاق افتاد. و در مورد سرعت نور - این ثابت که به نظر می رسد مایکلسون یک بار برای همیشه به آن دست یافته است، چطور؟ در مورد او نیز تردیدهایی وجود دارد. دانشمندان بارها و بارها با ابزارهای جدید و روش های جدید به آن نزدیک شده اند. در سال 1939، دو گروه از محققان، یکی در دانشگاه هاروارد و دیگری در آلمان، با استفاده از شاتر نور الکترونیکی (سلول کر)، نتایج متفاوتی به دست آوردند: 299798 کیلومتر بر ثانیه در ایالات متحده آمریکا و 299799 کیلومتر بر ثانیه در آلمان. . دو سال بعد، دانشمندان دفتر ملی استاندارد به عدد 299795 کیلومتر بر ثانیه رسیدند. در سال 1951، کاپیتان Carl E. Aslakson از سواحل و نقشه برداری ژئودتیک ایالات متحده، هنگام آزمایش یک سیستم راداری، به ارزش 299805 کیلومتر بر ثانیه دست یافت. سه سال بعد، گروهی از دانشمندان انگلیسی نتیجه او را تکرار کردند.

پیشنهاد شده است که سرعت نور هنوز ثابت نیست. برخی از دانشمندان با اشاره به تفاوت نتایج اندازه گیری های انجام شده قبل از جنگ جهانی دوم و بعد از آن با فاصله ده ساله، ادعا می کنند که تغییر کرده است. تقریباً 16 کیلومتر در ثانیه است. پروفسور کالج فناوری تگزاس J.H. راش معتقد است که "این را نباید زیاد ساده گرفت و با خطاهای فنی اجتناب ناپذیر توضیح داد." راش معتقد است که "ابعاد جدید ممکن است به کشف جدیدی منجر شود." و جستجو ادامه دارد*.

و در مورد مسئله اتر چطور؟ در سال 1899، مایکلسون در سخنرانی های لاول خود به این موضوع اشاره کرد. او گفت: «فرض کنید که انقباض اتر مربوط به بار الکتریکی، جابجایی اتر به جریان الکتریکی، گرداب اتر به اتم ها است. اگر این مفروضات را ادامه دهیم به نتیجه ای می رسیم که شاید یکی از بزرگترین تعمیم ها باشد علم مدرن، - که همه پدیده های جهان فیزیکی فقط بیان متفاوتی از انواع مختلف حرکت یک ماده همه نافذ - اتر هستند. به نظر من روزی دور نیست که خطوط بسیاری از حوزه های فکری به ظاهر دور در نهایت در یک صفحه مشترک همگرا شوند. سپس ماهیت اتم و ماهیت پیوند شیمیایی اتم ها و برهمکنش بین آنها و اتر پیوسته که خود را از طریق نور و الکتریسیته اعلام می کند و ساختار مولکول و توضیح انسجام و کشش و جاذبه - همه اینها جایگاه خود را در یک سیستم واحد و منسجم پیدا می کند. دانش علمی».

بیش از شصت سال از آن زمان می گذرد، اما پیشگویی مایکلسون هنوز محقق نشده است. نور و سایر انواع پرتوهای الکترومغناطیسی هنوز به هیچ رسانه رسانایی نیاز ندارند. ایده اتر در نهایت کنار گذاشته شد، تا حد زیادی به دلیل نبوغ مایکلسون.

تجربه MICHELSON عبارت است از:

تجربه مایکلسون تجربه مایکلسون
قرار داده شده توسط عامر. فیزیکدان A. A. Michelson در سال 1881 برای اندازه گیری تأثیر حرکت زمین بر سرعت نور. در رشته فیزیک قرن 19 فرض بر این بود که نور در یک دسته خاص از محیط جهانی جهانی - اتر منتشر می شود. در همان زمان، تعدادی از پدیده ها (انحراف نور، آزمایش فیزو) به این نتیجه رسیدند که اتر بی حرکت است یا تا حدی توسط اجسام در طول حرکت آنها منتقل می شود. طبق فرضیه اتر ثابت، هنگامی که زمین در اتر حرکت می کند، می توان "باد اتری" را مشاهده کرد و سرعت نور نسبت به زمین باید به جهت پرتو نور نسبت به جهت حرکت آن بستگی داشته باشد. در اتر M. O. با استفاده از تداخل سنج مایکلسون با بازوهای مساوی، یکی - در امتداد حرکت زمین، دیگری - عمود بر آن انجام شد. اگر اتر ثابت باشد، هنگامی که دستگاه 90 درجه می چرخد، تفاوت در مسیر پرتوها باید تغییر علامت دهد و تداخل داشته باشد. تصویر تغییر می کند با این حال، اختلاط تداخل تصویر پیدا نشد، یعنی M. o. نتیجه منفی داد در 1885-1887 آزمایش های مایکلسون و عامر. فیزیکدان E. W. Morley با دقت زیادی تأیید کرد. نتیجه اصلی M. O. در سال 1964 عامر. فیزیک در اصلاح این فرم توسط M.o. با استفاده از دو لیزر هلیوم-نئون یکسان به عنوان منابع نور، که دارای درجه تک رنگ و فضای بسیار بالایی هستند، تکرار شد. انسجام، و با دقت بیشتر منفی دریافت کرد. نتیجه در کلاسیک فیزیک رد می شود نتیجه M.o. نمی توان با سایر پدیده های الکترودینامیک رسانه های متحرک درک و موافقت کرد. در تئوری نسبیت، ثبات سرعت نور برای همه چارچوب‌های مرجع اینرسی به عنوان یک فرض در نظر گرفته می‌شود که توسط مجموعه بزرگی از آزمایش‌ها تأیید شده است.

فرهنگ لغت دانشنامه فیزیکی. - م.: دایره المعارف شوروی. سردبیر A. M. Prokhorov. 1983.

تجربه مایکلسون

آزمایشی که برای اولین بار توسط A. Michelson در سال 1881 برای اندازه گیری تأثیر حرکت زمین بر سرعت نور انجام شد. منفی نتیجه یکی از تجربی حقایقی که اساس را تشکیل دادند نظریه نسبیت

در رشته فیزیک قرن 19 فرض بر این بود که نور در یک دسته خاص از محیط جهانی جهانی منتشر می شود - پخش.در عین حال، تعدادی از پدیده ها ( انحراف نور، تجربه فیزو) منجر به این نتیجه شد که اتر هنگام حرکت اجسام بی حرکت است یا تا حدی توسط اجسام به دام افتاده است. بر اساس فرضیه اتر ثابت، زمانی که زمین در اتر حرکت می کند، می توان "باد اتری" را مشاهده کرد و سرعت نور نسبت به زمین باید به جهت پرتو نور نسبت به جهت حرکت آن در اتر بستگی داشته باشد. اتر

M. O. با کمک انجام شد تداخل سنج مایکلسونبا شانه های مساوی؛ یک بازو در امتداد حرکت زمین هدایت می شد و دیگری عمود بر آن بود. هنگامی که کل دستگاه 90 درجه می چرخد، تفاوت در مسیر پرتوها باید علامت تغییر کند، در نتیجه تداخل باید تغییر کند. رنگ آمیزی. محاسبه نشان می دهد که جابجایی چقدر است، که در کسری از عرض تداخل بیان می شود. نوارهای مساوی که Z طول بازوی تداخل سنج است، طول موج نور اعمال شده (خط زرد Na) است. با- سرعت نور در هوا، vسرعت مداری زمین است. از آنجایی که مقدار حرکت مداری زمین حدود 10-4 است، پس جابجایی مورد انتظار بسیار ناچیز و در اولین M. o است. فقط 0.04 بود. با این وجود، قبلاً بر اساس این تجربه، مایکلسون به این نتیجه رسید که فرضیه اتر ثابت نادرست است.

در آینده، M.o. بارها تکرار شد در آزمایش‌های Michelson و E. W. Morley (87-1885)، تداخل‌سنج بر روی صفحه‌ای عظیم شناور در جیوه (برای چرخش صاف) نصب شد. نوری طول مسیر با کمک بازتاب های متعدد از آینه ها به 11 متر رسید. نتیجه M.o. در سال 1958 در دانشگاه کلمبیا (ایالات متحده آمریکا) عدم وجود اتر ثابت یک بار دیگر نشان داده شد. پرتوهای تابش از دو ژنراتور مایکروویو کوانتومی یکسان (میزر) هدایت شدند vاضلاع مخالف - در امتداد حرکت زمین و خلاف حرکت - و فرکانس آنها مقایسه شد. با دقت بسیار زیاد (~ 10-9٪)، مشخص شد که فرکانس ها ثابت می مانند، در حالی که "باد اتری" منجر به بروز اختلاف در این فرکانس ها با مقداری تقریبا 500 برابر بزرگتر از اندازه گیری می شود. دقت.

در کلاسیک فیزیک رد می شود نتیجه M.o. قابل درک و توافق با سایر پدیده ها نیست الکترودینامیک رسانه های متحرکدر نظریه نسبیت، ثبات سرعت نور برای همه سیستم های مرجع اینرسیبه عنوان یک فرض پذیرفته شده است، که توسط مجموعه بزرگی از آزمایشات تایید شده است.

روشن: Vavilov S. I.، مبانی تجربی نظریه نسبیت، Sobr. soch., ج 4, م., 1956; مجموعه انیشتین، 1980 - 1981، M.، 1985. E.به. تاراسف.

دایره المعارف فیزیکی. در 5 جلد. - م.: دایره المعارف شوروی. سردبیر A. M. Prokhorov. 1988.

مایکلسون، آلبرت آبراهام

تاریخ تولد : محل تولد : تاریخ وفات : محل فوت : کشور : رشته علمی : محل کار : عنوان علمی : آلما : استاد راهنما : جوایز و جوایز : امضا :

آلبرت آبراهام مایکلسون

آلبرت آبراهام مایکلسون

استرلنو، پروس

پاسادنا، کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا

ایالات متحده آمریکا لهستان

فیزیکدان، ستاره شناس

دانشگاه کیس وسترن رزرو دانشگاه شیکاگو دانشگاه کلارک[d]

عضو مسئول آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی

آکادمی نیروی دریایی ایالات متحده

هرمان هلمهولتز

جایزه رامفورد (1888) مدال ماتئوچی (1903) جایزه نوبل فیزیک (1907) مدال کوپلی (1907) مدال الیوت کرسون (1912) مدال هنری دریپر (1916) مدال آلبرت (انجمن سلطنتی هنر) (1920) مدال و جایزه گاتری (1921) جایزه ژول یانسن (1922) مدال فرانکلین (1923) مدال طلای انجمن سلطنتی نجوم (1923) مدال و جایزه دادل (1929)

آلبرت آبراهام مایکلسون در ویکی‌انبار

آلبرت آبراهام مایکلسون(انگلیسی) آلبرت آبراهام مایکلسون; 19 دسامبر 1852، Strelno، پروس - 9 مه 1931، پاسادنا، ایالات متحده آمریکا) - فیزیکدان آمریکایی، که به دلیل اختراع تداخل سنج Michelson به نام او و برای اندازه گیری دقیق سرعت نور شناخته شده است. او در سال 1907 برنده جایزه نوبل فیزیک شد "برای ایجاد ابزارهای نوری دقیق و مطالعات طیف سنجی و اندازه شناسی که با کمک آنها انجام شد."

زندگینامه

آلبرت آبراهام مایکلسون

یکی از شش فرزند خانواده‌ای یهودی در بخش لهستانی پادشاهی پروس به دنیا آمد. پدرش سامویل میکلسون به تجارت مشغول بود. مادر - روزالیا میخلزون (نی پریلوبسکایا)، دختر آبرام پریلوبسکی از اینوروکلاو بود. وقتی پسر دو ساله بود (1855)، والدینش به نیویورک (ایالات متحده آمریکا) مهاجرت کردند، جایی که نام خانوادگی آنها به عنوان "میکلسون" تلفظ شد. ". از آنجا، خانواده به غرب کشور نقل مکان کردند، ابتدا در شهرک های معدنی مورفیس (در کالیفرنیا) و در شهر ویرجینیا (نوادا) زندگی کردند، جایی که پدرش یک تجارت میوه خشک موفق ایجاد کرد. آلبرت مایکلسون در طول سال های تحصیل خود در سانفرانسیسکو در خانواده عمه اش هنریتا لوی (مادر نویسنده هریت لین لوی، عمو زادهدانشمند).

در سال 1869، مایکلسون آموزش را در آکادمی نیروی دریایی ایالات متحده در آناپولیس آغاز کرد. در سال 1873 تحصیلات خود را به پایان رساند. مایکلسون از همان ابتدای تحصیل علاقه زیادی به علم و به ویژه مسئله اندازه گیری سرعت نور داشت. پس از دو سال ادامه آموزش در اروپا از خدمت سربازی بازنشسته می شود. در سال 1883 او استاد فیزیک در دانشکده علوم کاربردی کلیولند شد و بر توسعه یک تداخل سنج بهبود یافته تمرکز کرد.

پس از سال 1889 به عنوان استاد در دانشگاه کلارک در ووستر مشغول به کار شد. در سال 1892 استاد و رئیس بخش فیزیک دانشگاه تازه تأسیس شیکاگو شد. در سال 1907، مایکلسون اولین آمریکایی شد که جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. در همان سال، مایکلسون همچنین مدال کوپلی را برای دستاوردهای برجسته در فیزیک تجربی دریافت کرد.

سرعت نور

اولین اندازه گیری ها

قبلاً در سال 1877، زمانی که او افسر نیروی دریایی ایالات متحده بود، مایکلسون شروع به بهبود روش اندازه گیری سرعت نور با استفاده از یک آینه گردان پیشنهاد شده توسط لئون فوکو کرد. ایده مایکلسون استفاده از اپتیک بهتر و برد بیشتر بود. در سال 1878، او اولین اندازه گیری ها را بر روی یک دستگاه نسبتاً موقت انجام داد. این کار توجه سایمون نیوکمب، مدیر دفتر سالنامه دریایی را به خود جلب کرد، او همچنین قصد داشت آزمایش های مشابهی را انجام دهد. مایکلسون نتیجه خود را با سرعت 50 ± 299910 کیلومتر بر ثانیه در سال 1879 منتشر کرد. پس از آن، برای کمک به آزمایش‌های سایمون نیوکمب به واشنگتن (ایالات متحده آمریکا) نقل مکان کرد. بدین ترتیب دوستی و همکاری بین این دو دانشمند آغاز شد.

نیوکمب در آزمایش‌های خود، که بودجه بهتری داشتند، مقدار سرعت نور 30 ​​± 860 کیلومتر در ثانیه را به دست آورد که در محدوده خطاهای اندازه‌گیری با مقدار مایکلسون مطابقت داشت. مایکلسون روش خود را بیشتر بهبود بخشید. او در سال 1883 مقدار 60±299853 کیلومتر بر ثانیه را منتشر کرد.

کوه ویلسون و زمان قبل از 1926

در سال 1906، E. B. Rosa و N. E. Dorsey با استفاده از یک روش الکتریکی جدید، سرعت نور را اندازه گرفتند. آنها در آزمایشات خود به مقدار 10±299781 کیلومتر بر ثانیه دست یافتند.

پس از سال 1920، مایکلسون اقدام به اندازه‌گیری «نهایی» سرعت نور در رصدخانه مونت ویلسون کرد، و پایه اندازه‌گیری فاصله 22 مایلی تا Mount Lookout، واقع در سمت جنوبی کوه سن آنتونیو، بود.

در سال 1922، کمیسیون سواحل و ژئودتیک ایالات متحده اندازه گیری دقیق این فاصله را با استفاده از نوارهای Invar تازه اختراع شده آغاز کرد که دو سال طول کشید. در سال 1924، زمانی که طول با دقت 10-6 اندازه گیری شد، آنها شروع به اندازه گیری سرعت نور کردند که دو سال نیز طول کشید و مقدار سرعت نور را 4±299796 کیلومتر بر ثانیه نشان داد.

این آزمایش معروف به خاطر مشکلاتش نیز شناخته شده است. مثلا یک مشکل بزرگ بود آتش سوزی جنگل، دود ناشی از آن منجر به کدر شدن آینه ها شد. همچنین کاملاً ممکن است که اندازه‌گیری‌های ژئودتیکی که با چنین دقت بالایی انجام شده‌اند، به دلیل جابجایی پایه‌ای که در جریان زلزله سانتا باربارا در 29 ژوئن 1925 رخ داد، که بزرگی آن 6.3 در مقیاس ریشتر بود، اشتباه بوده باشد.

مایکلسون، پیز و پیرسون در سال 1932

پس از سال 1927، اندازه‌گیری‌های زیادی از سرعت نور با استفاده از روش‌های الکترواپتیکی جدید ظاهر شد که مقادیر قابل‌توجهی کمتری را برای سرعت نور نسبت به روش نوری مایکلسون که در سال 1926 تعیین شد، نشان داد.

مایکلسون به جستجوی روشی برای اندازه گیری که تأثیر اختلالات جوی را حذف کند، ادامه داد. در سال 1930 او به همراه فرانسیس پیز و فرد پیرسون شروع به اندازه گیری سرعت نور در لوله های خلاء به طول 1.6 کیلومتر کرد. مایکلسون پس از 36 مورد از مجموع 233 اندازه گیری انجام شده درگذشت. این آزمایش عمدتاً با ناپایداری های زمین شناسی و تراکم در لوله ها مانع شد. در پایان، آزمایش ها مقدار 11 ± 299 774 کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد که با نتایج روش های الکترواپتیکی همزمان بود.

تداخل سنجی

در سال 1881 مایکلسون برگزار کرد تجربه فیزیکی(آزمایش مایکلسون) روی تداخل سنج خود به منظور اندازه گیری وابستگی سرعت نور به حرکت زمین. نتیجه آزمایش منفی بود - سرعت نور به هیچ وجه به سرعت زمین و جهت سرعت اندازه گیری شده بستگی نداشت.

در سال 1887، مایکلسون به همراه E. W. Morley آزمایشی به نام آزمایش Michelson-Morley انجام داد. در این آزمایش سرعت حرکت زمین نسبت به اتر تعیین شد. بر خلاف انتظارات، در آزمایش (و همچنین در تغییرات بعدی و دقیق تر آن که تا به امروز انجام شده است) حرکت زمین نسبت به اتر شناسایی نشد. انیشتین، در اولین مقاله خود در مورد نظریه نسبیت، از "تلاش های ناموفق برای تشخیص حرکت زمین نسبت به "وسیله حامل نور" نام می برد و بر این اساس، یک سینماتیک جهانی جدید (نه فقط برای پدیده های الکترومغناطیسی) می سازد. ). تجربه مایکلسون اساس و اولین تایید تجربی نظریه نسبیت شد.

در سال 1920، مایکلسون آزمایشی را برای اندازه گیری اندازه زاویه ای ستاره ها انجام داد. او برای این کار از تداخل سنج با طول شانه 6 متر استفاده کرد.نور تداخل سنج با استفاده از آینه ها به ورودی تلسکوپ 254 سانتی متری فرستاده شد. در این مورد، سیستمی از نوارها در تلسکوپ مشاهده شد. با دراز شدن بازوهای تداخل سنج، حاشیه ها ناپدید شدند. از فاصله بین آینه های تداخل سنج می توان اندازه زاویه ای ستاره و با فاصله مشخص تا ستاره، قطر آن را نیز تعیین کرد. بنابراین میکلسون قطر ستاره بتلژوز را تعیین کرد.

حافظه

در سال 1970، اتحادیه بین المللی نجوم، دهانه ای را نامگذاری کرد سمت معکوسماه. مدال آلبرت مایکلسون که توسط موسسه فرانکلین اعطا شده است به افتخار او نامگذاری شده است.

کتابشناسی - فهرست کتب

• A. A. Michelson، "تحقیق در اپتیک"، انتشارات URSS، مسکو، 2004. ISBN 5-354-00945-6
• Albert A. Michelson، MA، نیروی دریایی ایالات متحده "حرکت نسبی زمین و اتر نورانی" (1881). (حرکت نسبی زمین و اتر درخشنده. آلبرت آ. مایکلسون، استاد، نیروی دریایی ایالات متحده) // مجله آمریکایی علوم. 1881. سری III. جلد XXII، شماره 128. ص 120-129. ترجمه از انگلیسی. L. S. Knyazeva.
• آلبرت آ. مایکلسون، ادوارد دبلیو. مورلی "درباره حرکت نسبی زمین و اتر نورانی" (1887) (حرکت نسبی زمین و اتر درخشنده. آلبرت ای. مایکلسون، استاد، نیروی دریایی ایالات متحده) // The American مجله علوم. 1881. سری III. جلد XXII، شماره 128. ص 120-129. ترجمه از انگلیسی. L. S. Knyaeeva.
• A. A. Michelson. «تاثیر چرخش زمین بر سرعت نور. قسمت اول "(1925) (اثر چرخش زمین بر سرعت نور. قسمت 1. A.A. Michelson) // The Astrophys. J. آوریل 1925. جلد. LXI. شماره 5. ص 137-139. ترجمه از انگلیسی. L. S. Knyaeeva.
• A. A. Michelson، Henry G. Gehl، کمک فرد پیرسون. «تاثیر چرخش زمین بر سرعت نور. قسمت دوم". (1925) (اثر چرخش زمین بر سرعت نور. قسمت دوم. A.A. Michelson, Henry G. Gale. Assisted by Fred Pearson) // The Astrophysical J. April 1925. Vol LXI. شماره 5. ص 140-145. ترجمه از انگلیسی. L. S. Knyazeva.
• کنفرانسی در مورد آزمایش مایکلسون-مورلی. در رصدخانه مونت ویلسون، پاسادنا، کالیفرنیا، 4 و 5 فوریه 1927 برگزار شد) // مجله Astrophysical. دسامبر 1928. جلد. LXVIII، شماره 5. ص 341-402. ترجمه از انگلیسی. V. A. Atsyukovsky و L. S. Knyazeva.
• A. A. Michelson، F. G. Peace و F. Pearson. "تکرار آزمایش مایکلسون-مورلی" (1929) (تکرار آزمایش مایکلسون-مورلی. توسط F.F.Micheson، F.G.Pease و F.Pearson) // جامعه نوری آمریکا. مجله انجمن نوری آمریکا و بررسی ابزارهای علمی. مارس 1929. ج 18، شماره 3. ص 181-182. ترجمه از انگلیسی. V. A. Atsyukovsky.

فرضیه جهان اتر. آزمایش های مایکلسون و مورلی

K.Maxwell با تکیه بر ایده اتر معادلات صحیح الکترودینامیک را یافت که در نهایت منسوخ شد. همه امواج شناخته شده در آن زمان فقط در رسانه های مختلف می توانستند منتشر شوند، بنابراین، نه تنها ماکسول، بلکه همه فیزیکدانان معتقد بودند که یک موج الکترومغناطیسی یک نوسان الاستیک از سبک ترین و همه نافذترین رسانه است. این رسانه اتر جهانی نامیده شد. از آنجایی که موج الکترومغناطیسی یک موج عرضی است، لازم بود اتر را جامد فرض کنیم.

آزمایشگر معروف A. Michelson (به تداخل سنج Michelson مراجعه کنید) تصمیم گرفت تا به طور تجربی واقعیت وجود اتر را ثبت کند و سرعت عبور زمین از اتر را اندازه گیری کند. برای این منظور از تداخل سنج خود استفاده کرد. بیایید به یاد بیاوریم که چگونه کار می کند. یک پرتو موازی نور روی یک پلاستیک نیمه شفاف می افتد پجهت گیری در یک زاویه 450 به بسته نرم افزاری مقداری از نور حرکت می کند و مقداری منعکس می شود. نور منعکس شده روی آینه می افتد Z1و در بازگشت، یک صفحه نیمه شفاف را به صفحه نمایش می دهد E. تیری که از صفحه عبور کرده است در اولین گذر به آینه دیگری برخورد می کند. Z2و در بازگشت از صفحه نیمه شفاف بر روی صفحه نمایش منعکس می شود. برهم نهی دو پرتو که مسیرهای متفاوتی را طی کرده اند، یک الگوی تداخلی به دست می دهد. تفاوت کوچک در زاویه بین آینه ها از 900 منجر به این واقعیت می شود که الگوی تداخل سیستمی از حاشیه های تداخل است.

تداخل سنج در امتداد سرعت تخمینی زمین نسبت به اتر تراز شد. اگر برای سادگی، طول بازوهای تداخل سنج را مساوی فرض کنیم، در این صورت نوری که در طول و در سراسر حرکت زمین منتشر می شود زمان های مختلفی طول می کشد تا به صفحه برسد. اگر اکنون تداخل سنج را به 900 ، سپس زمان تأخیر تیرها تغییر می کند و الگوی تداخل تغییر می کند. شیفت را می توان برای تعیین زمان تاخیر و بر این اساس، سرعت زمین نسبت به اتر بی حرکت استفاده کرد.

وظیفه 3. فرض کنید زمین نسبت به اتر با سرعت v حرکت می کند. تغییر مورد انتظار الگوی تداخل (بر حسب واحد فاصله بین حداکثر شدت) در طول موج نور را محاسبه کنید. ل، پس از چرخاندن تداخل سنج توسط 900 با طول بازوی تداخل سنج L.

آزمایشی که همراه با مورلی انجام شد نشان داد که وقتی تداخل سنج با چرخش تداخل سنج تغییری در الگوی تداخل ایجاد نمی کند. 900 غیر قابل دیدن. از این رو لازم بود نتیجه گیری شود: یا اتر به طور کامل توسط زمین برده می شود و حرکت نسبی زمین و اتر وجود ندارد و یا اتر وجود ندارد و فرآیند انتشار نور انتشار یک کشسان نیست. موج. مایکلسون به این نتیجه رسید که اتر به طور کامل توسط زمین برده می شود.

2.2 تضادهای تجربی با فرضیه
سرگرمی های اتر

فرض در مورد حباب کامل اتر توسط زمین با سایر حقایق تجربی در تضاد بود. بنابراین، اخترشناس انگلیسی جی. بردلی کشف کرد که دورترین ستارگان یک حرکت ظاهری سالانه در دایره یا بیضی انجام می دهند. این پدیده نامیده می شود انحراف نور ستارگان. معلوم شد که قطر زاویه ای مسیرهای تقریباً همه ستارگان یکسان و برابر است 40,5 ثانیه های قوسی اگر قیاسی بین انتشار نور و ریزش قطرات باران ترسیم کنیم، توضیح ابتدایی انحراف ساده و قابل درک می شود. هنگامی که باد وجود ندارد، یک ناظر ثابت می بیند که قطرات به صورت عمودی سقوط می کنند. با این حال، اگر در یک ماشین در حال حرکت بنشینید، می توانید ریزش مورب قطرات را ببینید. باران از بالا و جلو می بارد.

وظیفه 4. نرخ ریزش قطرات باران نسبت به زمین باشد ج، سرعت ماشین v است. قطرات با چه زاویه ای از خودرو می ریزند؟ با استفاده از نتیجه به دست آمده و داده های مربوط به قطر زاویه ای ظاهری مسیر ستارگان، سرعت نور را تعیین کنید. سرعت مداری زمین است 30 کیلومتر بر ثانیه.

اگر اتر به طور کامل توسط زمین برده می شد، هیچ انحرافی وجود نداشت.

نتیجه

بنابراین، از آزمایش‌های مایکلسون و از پدیده‌های مشابه انحراف نور ستاره‌ای، باید به این نتیجه رسید که سرعت نور در هر چارچوب مرجع یکسان و برابر است. ج[دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها تا کنون این مقدار را نشان می‌دهد c=(2.997925 ± 0.000003) × 108 متر بر ثانیه.]

فرض کنید سیگنال نوری از زمین در فضاپیمایی که با سرعت زیادی از زمین حرکت می کند دریافت می شود. هنگام اندازه گیری سرعت انتشار آن، یک مقدار پیدا می شود جبدون توجه به سرعت کشتی: ج- v = ج!یا مثال دیگر. در حال حاضر، به طور قابل اعتماد ثابت شده است که کهکشان های دور از منظومه شمسی در حال عقب نشینی هستند. جهان در حال گسترش است. هر چه کهکشان دورتر باشد، سرعت فرار بیشتر است. کهکشان های بسیار دور با سرعتی نزدیک به سرعت نور فرار می کنند. با این حال، نوری که از این کهکشان ها می آید، سرعتی دارد ج. این واقعیت، و همچنین آزمایشات الکترودینامیکی، از نیاز به کنار گذاشتن تبدیل مختصات و سرعت گالیله، قانون اضافه کردن سرعت ها صحبت می کند.

تجربه A. Michelson و نظریه نسبیت خاص

همانطور که قبلاً در بخش مربوط به جهان خرد ذکر شد، فیزیک جدید در اواخر قرن 19 و 20 متولد شد، زیرا علم کلاسیک نمی توانست نتایج تعدادی از آزمایشات انجام شده در قرن 19 را توضیح دهد. از تمایل به توضیح پرتوهای ایکس و رادیواکتیویته، مکانیک کوانتومی و فیزیک هسته ای به وجود آمد. تئوری نسبیت الف. اینشتین از تلاش برای توضیح نتایج تجربه یک فیزیکدان و مهندس آمریکایی شکل گرفت. آلبرت مایکلسون(1852 - 1931) برای تعیین سرعت نور نسبت به اتر بی حرکت، که وجود آن توسط جی. ماکسول پیشنهاد شد. نتایج آزمایش مایکلسون، که برای آن جایزه نوبل دریافت کرد، غیرمنتظره بود: معلوم شد که 1) سرعت نور به سرعت منبع آن بستگی ندارد. 2) اینکه ثابت جهانی است و در تمام چارچوب های مرجع اینرسی ثابت است. 3) که نمی توان از آن تجاوز کرد. یعنی سرعت نور است حداکثر سرعت، بیشینه سرعتانتقال سیگنال در نتیجه نتایج به دست آمده توسط A. Michelson نشان داد که اتر وجود ندارد.

این نتایج اولین "نهنگ" بود که در آن خاص نظریه نسبیت. دومین "نهنگ" اصل نسبیت G. Galileo بود که A. Einstein آن را به صورت زیر بازنویسی کرد: همه چارچوب های مرجع اینرسی از نظر تنظیم آزمایش های فیزیکی در آنها با یکدیگر معادل هستند و هیچ یک از آنها (با توجه به آن ها). اتر بی حرکت خواهد بود) نسبت به دیگران برتری دارد.

الف.اینشتین بزرگترین نظریه پرداز بود و هنگام کار بر روی نظریه نسبیت از روش یک آزمایش فکری به نام "کشتی آ.اینشتین" استفاده کرد. ماهیت این آزمایش به شرح زیر است. کشتی در امتداد ساحل در حال حرکت است که داخل آن یک موش در جهت کشتی می دود. سرعت ماوس نسبت به ساحل مجموع سرعت خود نسبت به کشتی و سرعت کشتی نسبت به ساحل است. اگر فرض کنیم که سرعت کشتی به سرعت نور نزدیک شود (از لحاظ نظری، این امکان پذیر است)، سرعت موش نسبت به ساحل از سرعت نور بیشتر خواهد شد که با نتیجه آزمایش A. Michelson در تناقض است.

برای حل تناقضی که به وجود آمد، A. Einstein مجبور شد پارادایم را تغییر دهد: از طریق استدلال منطقی و محاسبات ریاضی، او به این نتیجه رسید که در سرعت های بالا متناسب با سرعت نور (و اینها سرعت های MEGA WORLD هستند. , که اشیاء آن ستارگان، کهکشان ها و جهان هستند)، پارادایم نیوتن در مورد مطلق بودن و استقلال فضا و زمان کار نمی کند. از این پس در سرعت های بالا معلوم می شود که فضا و زمان به هم مرتبط می شوند و زمان به چهارمین مختصات تبدیل می شود، یعنی. فضا در این شرایط حداقل دارای چهار بعد است.

از این امر سه نتیجه حاصل شد:

1) در سرعت های بالا، متناسب با سرعت نور،

فاصله کوتاه شده است، بخش کوتاه شده و با سرعت است

نور (اگر معلوم شد که قابل دستیابی است)، تا یک نقطه کوچک می شود.

2) در سرعت های بالا، زمان کند می شود. مثال انیشتین به طور گسترده ای شناخته شده است، که او آن را "پارادوکس دوقلو" نامید: دو پسر دوقلو در یک روز در زمین متولد شدند، یکی به یک پرواز فضایی طولانی رفت، دیگری تمام زندگی خود را روی زمین گذراند. وقتی فضانورد به خانه برمی گردد، هنوز جوان خواهد بود (در سرعت های عظیم پرواز فضایی، زمان کندتر از روی زمین جریان می یابد) و برادرش مردی بسیار مسن خواهد بود.

3) جرم بدن به سرعت بدن بستگی ندارد. از این رو نتیجه می شود که

هیچ جسمی با جرمی غیر از صفر را نمی توان به آن شتاب داد

سرعت نور، زیرا این به انرژی بی نهایت نیاز دارد.

علاوه بر این، A. Einstein ارتباطی بین جرم و انرژی پیدا کرد: جرم یک جسم معیاری از انرژی موجود در آن است. به این ترتیب فرمول معروف Å= mc2 ظاهر شد که E انرژی سکون ذره، m جرم سکون آن، c سرعت نور است.

تایید تجربی نظریه نسبیت خاص از عالم صغیر به دست آمد. مشخص شد که در آزمایش‌هایی با ذرات بنیادی که در شتاب‌دهنده‌های ویژه تا سرعت‌های بسیار بالا شتاب می‌گیرند، برای تطابق خوب بین داده‌های تجربی و محاسبه‌شده، باید اثر افزایش جرم، به اصطلاح اصلاحات نسبیتی جرم را در نظر گرفت. (کلمه انگلیسی "relativ" به معنای "نسبی" است). اتساع زمان قبلاً به صورت تجربی در سرعت پروازهای فضایی ثبت شده است (در فضا، ساعت ها کمی عقب هستند). همه موارد فوق نشان می دهد که نظریه نسبیت خاص نه تنها جهان بزرگ، بلکه جهان خرد را نیز توصیف می کند. با این حال، در کیهان کلان، سرعت ها بسیار کم و جرم ها آنقدر بزرگ هستند که نمی توانند به طور تجربی اثرات نسبیتی را مشاهده کنند.

بنابراین، نظریه نسبیت خاص می گوید که در سرعت های بالا (در جهان بزرگ و جهان خرد) رابطه متقابل مکان و زمان آشکار می شود، یعنی. حداقل فضا-زمان چهار بعدی را درک کرد. در جهان کلان، سرعت ها به قدری کوچک است که رابطه بین فضا و زمان را نمی توان به طور تجربی ثابت کرد.

آزمایش مایکلسون چه بود؟

یاقوت کبود

تصور پوچی مطلق - یک خلاء کامل که هیچ چیز در آن وجود ندارد - دشوار است. آگاهی انسان به دنبال پر کردن آن با حداقل چیزی مادی است، و برای قرن ها از تاریخ بشر این باور وجود داشت که فضای جهان پر از اتر است. ایده این بود که فضای بین ستاره ای با نوعی ماده نامرئی و ناملموس پر شده است. هنگامی که سیستم معادلات ماکسول به دست آمد که پیش بینی می کرد نور در فضا با سرعتی محدود منتشر می شود، حتی خود نویسنده این نظریه معتقد بود که امواج الکترومغناطیسی در یک محیط منتشر می شوند، همانطور که امواج صوتی در هوا و امواج دریا در آب منتشر می شوند. در نیمه اول قرن نوزدهم، دانشمندان حتی مدل نظری اتر و مکانیک انتشار نور، از جمله انواع اهرم‌ها و محورها را به دقت کار کردند، که ظاهراً در انتشار امواج نور نوسانی در اتر نقش دارند.
در سال 1887، دو فیزیکدان آمریکایی - آلبرت مایکلسون و هنری مورلی - تصمیم گرفتند به طور مشترک آزمایشی را انجام دهند تا یک بار برای همیشه به شکاکان ثابت کنند که اتر درخشان واقعاً وجود دارد، کیهان را پر می کند و به عنوان رسانه ای عمل می کند که در آن نور و سایر امواج الکترومغناطیسی عمل می کند. رواج دادن. مایکلسون به عنوان طراح ابزارهای نوری از اختیارات بی چون و چرای برخوردار بود و مورلی به عنوان یک فیزیکدان تجربی خستگی ناپذیر و خطاناپذیر مشهور بود. توصیف تجربه ای که آنها اختراع کردند آسان تر از اجرای عملی آن است.
مایکلسون و مورلی از یک تداخل سنج استفاده کردند - یک دستگاه اندازه‌گیری نوری که در آن یک پرتو نور توسط یک آینه شفاف به دو قسمت تقسیم می‌شود (یک صفحه شیشه‌ای در یک طرف نقره‌ای شده است که تا حدی پرتوهای نور ورودی به آن را منتقل کند و تا حدی آنها را منعکس کند. امروزه از فناوری مشابهی در دوربین های SLR استفاده می شود. در نتیجه، پرتو شکافته می شود و دو پرتو منسجم حاصل در زوایای قائم با یکدیگر واگرا می شوند، پس از آن از دو آینه بازتابی که فاصله آنها با آینه نیمه شفاف است منعکس می شوند و به آینه نیمه شفاف باز می گردند، پرتو نور حاصل از آن اجازه می دهد شما می توانید الگوی تداخل را مشاهده کنید و کوچکترین عدم همزمانی دو پرتو را تشخیص دهید (تاخیر یک پرتو نسبت به دیگری؛ تداخل را ببینید).
هدف آزمایش مایکلسون-مورلی اساساً تأیید (یا رد) وجود اتر جهان با آشکار کردن "باد اثیری" (یا واقعیت عدم وجود آن) بود. در واقع، با حرکت در مدار به دور خورشید، زمین نسبت به اتر فرضی به مدت نیم سال در یک جهت و برای شش ماه آینده در جهت دیگر حرکت می کند. در نتیجه، برای نیم سال، "باد اثیری" باید بر روی زمین می وزد و در نتیجه، قرائت تداخل سنج را در یک جهت و برای نیم سال - در سمت دیگر تغییر می دهد. بنابراین، با مشاهده نصب آنها به مدت یک سال، مایکلسون و مورلی هیچ تغییری در الگوی تداخل پیدا نکردند: آرامش کامل اثیری! (آزمایش‌های مدرن از این دست، که با بالاترین دقت ممکن، از جمله آزمایش‌هایی با تداخل‌سنج‌های لیزری انجام شد، نتایج مشابهی به دست آورد.) بنابراین: باد اثیری، و بنابراین، اتر وجود ندارد.
در غیاب باد اتری و اتر، به این ترتیب، یک تضاد غیر قابل حل بین مکانیک کلاسیک نیوتن (که دلالت بر چارچوب مرجع مطلق دارد) و معادلات ماکسول (بر اساس آنها سرعت نور یک مقدار حدی مستقل از انتخاب قاب دارد. مرجع) آشکار شد، که منجر به ظهور نظریه نسبیت شد. آزمایش مایکلسون-مورلی در نهایت نشان داد که در طبیعت «چارچوب مرجع مطلق» وجود ندارد. و صرف نظر از اینکه انیشتین متعاقباً چقدر ادعا کرد که در هنگام توسعه نظریه نسبیت به نتایج مطالعات تجربی توجهی نکرده است، به سختی لازم است شک کنیم که نتایج آزمایش‌های مایکلسون- مورلی به پذیرش سریع این نظریه کمک کرده است. چنین نظریه رادیکالی توسط جامعه علمی به طور جدی.

آزمایش مایکلسون یک آزمایش فیزیکی است که توسط مایکلسون در سال 1881 برای اندازه‌گیری وابستگی سرعت نور به حرکت زمین نسبت به اتر راه‌اندازی شد. سپس اتر به عنوان یک محیط مشابه با ماده توزیع شده حجمی شناخته شد که در آن نور مانند ارتعاشات صوتی منتشر می شود. نتیجه آزمایش منفی بود - سرعت نور به هیچ وجه به سرعت زمین و جهت سرعت اندازه گیری شده بستگی نداشت. بعداً در سال 1887، مایکلسون به همراه مورلی آزمایش مشابه اما دقیق تری را انجام دادند که به آزمایش مایکلسون-مورلی معروف بود که همین نتیجه را نشان داد. در سال 1958، آزمایش دقیق تری در دانشگاه کلمبیا (ایالات متحده آمریکا) با استفاده از پرتوهای خلاف جهت دو میزر انجام شد که ثابت نبودن فرکانس حرکت زمین را با دقتی در حدود 9-10 درصد نشان داد (حساسیت به سرعت زمین نسبت به اتر 30 متر بر ثانیه بود. حتی اندازه گیری های دقیق تر در سال 1974 حساسیت را به 0.025 متر بر ثانیه رساند. نسخه‌های مدرن آزمایش مایکلسون از حفره‌های مایکروویو نوری و برودتی استفاده می‌کنند و تشخیص انحراف از ناهمسانگردی سرعت نور را در صورتی که چندین واحد در هر 10-16 باشد ممکن می‌سازند.
تجربه مایکلسون مبنای تجربی اصل تغییرناپذیری سرعت نور است که در نظریه نسبیت عام (GR) و نظریه نسبیت خاص (SRT) گنجانده شده است.

برنارد جف

5. آزمایش مایکلسون مورلی

مدرسه علوم کاربردی کیس، که درهای خود را در سال 1881 به روی دانشجویان گشود و بعداً به مؤسسه فناوری کیس تبدیل شد، در خانه‌ای قرار داشت که قبلاً متعلق به کیس در خیابان راکویل، نه چندان دور از میدان مرکزی کلیولند بود. اولین کاری که مایکلسون پس از انجام وظایفش باید انجام می داد، تجهیز آزمایشگاهی در یک ساختمان بیرونی در محوطه مدرسه بود.

مجاور دارایی کیس دانشگاه وسترن رزرو بود که در تابستان 1882 از هادسون، اوهایو به کلیولند منتقل شد. آن طرف خیابان، در صد متری آزمایشگاه مایکلسون، آدلبرت هال، یکی از ساختمان های دانشگاهی بود که استاد شیمی ادوارد دبلیو مورلی در آن کار می کرد.

مایکلسون و مورلی به زودی با هم آشنا شدند و بر اساس علایق مشترک علمی به هم نزدیک شدند. آنها با هم به کنفرانس های علمی در بالتیمور، مونترال و شهرهای دیگر سفر کردند و هر چه بهتر با یکدیگر آشنا می شدند، همدردی و احترام متقابل آنها بیشتر می شد.

از نظر ظاهری، این دو دانشمند بسیار متفاوت به نظر می رسیدند. مورلی بیش از پانزده سال از مایکلسون بزرگتر بود و از مهاجران انگلیسی بود که در آغاز قرن هفدهم جزایر بریتانیا را ترک کردند. پدرش یک وزیر جماعت بود و خود او در سال 1864 از مدرسه علمیه آندوور ماساچوست فارغ التحصیل شد و در حال آماده شدن برای قبول دستورات مقدس بود. او پس از دریافت یک بخش معنوی مناسب، به شیمی پرداخت که تا آن زمان فقط به صورت آماتور انجام می داد. در سال 1868، دانشگاه وسترن رزرو به او پیشنهاد استادی در شیمی و فلسفه طبیعی داد. مورلی بسیار مذهبی بود و هر از گاهی در کلیساهای اطراف خطبه می خواند. علاوه بر این، او با پذیرش کرسی استادی در وسترن رزرو تنها به شرطی موافقت کرد که به او اجازه داده شود که به طور منظم در نمازخانه دانشگاه موعظه کند.

در مورد مایکلسون، او از مذهب بسیار دور بود. پدرش ملحد بود و مذهب هیچ جایگاهی در زندگی خانواده آنها نداشت. بنابراین، او به ایمان باستانی نیاکان خود نپیوست و در تمام عمر خود کافر بود. تربیت فرزندان با روحیه دینی را به همسرش سپرد. با تحسین شگفتی های طبیعت، با این وجود از نسبت دادن آنها به خالق خودداری کرد. یک شب پر ستاره با نشان دادن و نامگذاری صورت های فلکی در آسمان به فرزندانش گفت: می توانید نام صورت های فلکی را فراموش کنید، اما من افرادی را که در برابر شگفتی های طبیعت سر تعظیم فرود نمی آورند شایسته احترام می دانم. او یک بار نوشت: «از نظر زیبایی چه چیزی را می توان با تطابق باشکوه بین وسایل طبیعت و اهداف آن، و با آن قاعده غیرقابل تغییر نظم که به ظاهر بی نظم ترین و پیچیده ترین مظاهر آن حاکم است مقایسه کرد؟» با این حال، او ایده خدا را تشخیص نداد.

مایکلسون خوش قیافه، لاغر اندام و همیشه بی نقص لباس می پوشید. مورلی، به بیان ملایم، معمولی لباس می پوشید و اگر به خاطر سرزندگی حرکات، انرژی و پرحرفی او نبود، کاملاً با ایده کلیشه ای یک استاد غایب مطابقت داشت. موهایی تا شانه داشت و سبیل قرمز بزرگی داشت که تقریباً به گوشش می رسید. متاهل بود ولی بچه نداشت.

با این حال، مایکلسون و مورلی اشتراکات زیادی داشتند. هر دو عاشق موسیقی بودند. مایکلسون به خوبی ویولن می نواخت و مورلی یک ارگ نواز عالی بود. هر دو از نظر ابزارهای اندازه گیری دقیق و دقت خارق العاده در کارشان به نبوغ متمایز بودند. مورلی، مانند مایکلسون، هیچ جزئیاتی را از قلم نینداخت و درست مانند او، هنگامی که به مطالعه هر مسئله علمی دست می زد، عقب نشینی نمی کرد تا اینکه موضوع را به پایان رساند.

مورلی، قبل از ملاقات با مایکلسون، ضمن بررسی گزارش‌های مربوط به درصدهای مختلف اکسیژن در نمونه‌های مختلف هوا، به مطالعه وزن نسبی اکسیژن و هیدروژن در آب خالص پرداخت. این تحقیق تقریباً بیست سال طول کشید. او هزاران آزمایش انجام داد که بسیاری از آنها با هزینه شخصی خود بود. او نمونه های بی شماری از آب مقطر را با الکترولیز تجزیه و تحلیل کرد و آب سنتز شده را با روش جرقه الکتریکی با ترکیب مقادیر داده شده از دو عنصر انجام داد. او در نتیجه سالها تحقیق، وزن این عناصر را تا رقم پنجم اعشار تعیین کرد. یک لیتر اکسیژن 1.42900 گرم و هیدروژن 0.89873 گرم وزن دارد که خطای احتمالی آن سیصد هزارم است. این مقادیر به عنوان استاندارد جهانی پذیرفته شدند، همانطور که نسبت هیدروژن به اکسیژن مورلی 1.0076 به 16 بود. آزمایشات مورلی کلاسیک بود و او را در سراسر جهان به رسمیت شناخت.

تاثیر حرکت محیط بر سرعت نور

لرد کلوین و لرد ریلی از مایکلسون خواستند که تأثیر حرکت محیط را بر سرعت نور آزمایش کند. مایکلسون تصمیم گرفت آب را به عنوان یک وسیله متحرک استفاده کند و ایده خود را با مورلی در میان گذاشت. او آزمایشگاه خود را برای کار به او پیشنهاد داد. در یک اتاق زیرزمین بزرگ قرار داشت و شرایط موجود در آن برای تجربه ای که مایکلسون در نظر گرفته بود ایده آل بود. مورلی یک فیزیکدان نبود، اما تیز هوش، مدبر و علاقه مند به این مسئله بود. در سال 1860، در حالی که هنوز دانشجو بود، زمانی در زمینه نجوم کار کرد. مایکلسون در مورد وظیفه ای که پیش روی آنها قرار داشت و دستگاهی که در فکر استفاده از آن بود به او گفت. مورلی آماده بود تا فوراً سر کار برود. با این حال، در سپتامبر 1885، زمانی که کار بر روی این آزمایش هنوز در مراحل اولیه بود، مایکلسون صبح با وضعیتی کاملاً بد در آزمایشگاه ظاهر شد. او به مورلی گفت که از خستگی عصبی رنج می برد و نیاز به استراحت طولانی دارد. او گفت که باید برای حداقل یک سال کلیولند را ترک کند. آیا مورلی قبول نمی کند که دستگاه را به تنهایی تکمیل کند، آزمایش هایی انجام دهد و نتایج را منتشر کند؟ او مبلغ مشخصی را که برای آزمایش‌ها دریافت کرده بود به مورلی سپرد و 100 دلار دیگر نیز به آن اضافه کرد. مورلی سپس نامه ای از مایکلسون از نیویورک دریافت کرد. آنها به طور منظم در مورد آزمایش مکاتبه کردند. چهار ماه بعد، مایکلسون به طور غیرمنتظره ای وارد کلیولند شد و پیشنهاد کرد که با هم همکاری کنند. سلامتی او به طور قابل توجهی بهبود یافت و او توانست آزمایش را به پایان برساند. در سال 1886، در مجله American Journal of Science، با امضای هر دوی آنها، اثر The Influence of Motion of a Media on Speed ​​of Light منتشر شد. مایکلسون و مورلی دریافتند که حرکت آب بر سرعت نور تأثیر دارد، اما نه به گونه ای که از نظریه اتر انتظار می رود. تجربه آنها نتایج تحقیقات انجام شده توسط فیزو در سال 1851 را تأیید کرد. دو مؤسسه آموزشی همزمان - دانشگاه وسترن رزرو و مؤسسه فناوری استیونز به مایکلسون مدرک دکترا اعطا کردند. این اولین مدرک مایکلسون بود، زیرا در زمان او آکادمی نیروی دریایی هنوز حق اعطای عنوان لیسانس علوم را نداشت.

اکنون، با بهبود دستگاه و تجربه غنی‌تر، مایکلسون توانست به آزمایش اتر که مدت‌ها به تعویق انداخته بود، بازگردد. مورلی نیز باید در این کار شرکت می کرد. آنها پر از درخشان ترین امیدها بودند و مورلی در 17 آوریل 1887 به پدرش نوشت: "من و مایکلسون آزمایش جدیدی را آغاز کرده ایم که باید نشان دهد آیا سرعت انتشار نور در همه جهات یکسان است یا خیر. من شک ندارم که پاسخ نهایی را خواهیم گرفت.» البته مورلی هدف آزمایش را تا حدودی ساده تعریف کرد. مایکلسون و مورلی در شرف تلاش مصمم برای "گرفتن" اتر گریزان بودند. در صورت نتیجه مثبت، علم نه تنها سرعت حرکت زمین در مدار نسبت به اتر، بلکه سرعت چرخش آن حول محور آن و شاید حتی روشی برای تعیین سرعت حرکت را نیز دریافت خواهد کرد. در فضای کل منظومه شمسی این اولین تلاش خواهد بود، با استفاده از یک پدیده نوری محلی، برای تعیین حرکت مطلق زمین در فضا، که با اتر شناسایی شد.

ساز مایکلسون مورلی

دستگاهی که آنها طراحی کردند یک ساختار بسیار عظیم بود. از یک تخته سنگی به مساحت حدود 150 سانتی متر مربع و ضخامت حدود 30 سانتی متر تشکیل شده بود و چهار آینه از آلیاژ مس، قلع و آرسنیک و سایر تجهیزات از جمله یک مشعل ارغند بر روی آن نصب شده بود. برای اطمینان از موقعیت کاملاً افقی دال سنگ و جلوگیری از خطاهای ناشی از لرزش، اصطکاک و کشش، دال در جیوه خالص شده توسط مورلی شناور شد. جیوه در یک ظرف چدن حلقوی با ضخامت دیواره حدود 1.5 سانتی متر ریخته شد. یک پایه چوبی به شکل دونات روی جیوه شناور بود و یک تخته سنگ از قبل روی آن نصب شده بود. میله محوری تمرکز شناور چوبی و ظرف چدنی را تضمین می کرد. فاصله بین دیواره رگ و لبه بیرونی شناور کمتر از 1.5 سانتی متر بود (شکل 9).

برنج. 9.نصب مایکلسون مورلی
یک تخته سنگی بزرگ و بسیار سنگین بر روی یک شناور چوبی قرار گرفته در جیوه مایع قرار داشت. ظرف جیوه به شکل دونات بود. شناور در مایع، دال سنگ و پایه چوبی به شدت افقی باقی ماندند.

ظرف چدنی بر روی تکیه گاه قرار داشت که هشت ضلعی آجری کم ارتفاع و شیب دار بود که داخل آن سیمان می ریختند. پایه تداخل سنج به اعماق زمین، به سنگ بستر می رفت، زیرا خاک سطحی به اندازه کافی پایدار نبود. بر روی محیط ظرف، به همان فاصله از یکدیگر، شانزده علامت زده شد. قاب چوبی قسمت نوری دستگاه (یک آینه در هر گوشه صفحه) را از جریان هوا و تغییرات ناگهانی دما محافظت می کرد.

مقاومت یک دستگاه سنگین در برابر حرکت به حداقل رسیده و با اعمال نیروی جزئی به دور آن می‌توان چرخش آهسته، هموار و پیوسته به آن داد. یک چرخش کامل در حدود 6 دقیقه کامل شد. ناظر در اطراف دستگاه قدم زد، همزمان با دال سنگی چرخان حرکت کرد، و به طور دوره ای توقف کرد و از طریق یک تلسکوپ کوچک نگاه کرد تا بررسی کند که آیا حاشیه های تداخلی جابجا شده اند یا خیر. چنین تغییری به معنای تغییر در سرعت نور در آن جهت خواهد بود (شکل 10).

برنج. 10.تداخل سنج در تنظیمات Michelson-Morley.
اصل عملکرد آن مانند دستگاه نشان داده شده در شکل است. هشت

تنظیم این دستگاه منحصر به فرد چندین ماه طول کشید. در نهایت مایکلسون به این نتیجه رسید که کوچکترین تغییری را در حاشیه های تداخل به ثبت رساند. مورلی و مایکلسون به طور متناوب دور ساز راه می رفتند و از طریق تلسکوپ نگاه می کردند.

آنها فرض کردند که باید دو روز در طول سال وجود داشته باشد که حداکثر اثر سوگیری (در صورت وجود چنین تأثیری) مشاهده شود. در یک روز زمین دقیقاً در جهت خلاف جهت حرکت آن روز دیگر حرکت خواهد کرد.

آنها هر روز در ساعت دوازده بعد از ظهر و در ساعت شش بعد از ظهر در شانزده جهت مختلف مشاهداتی انجام می دادند. آنها با فشار دادن چشمان خود به حاشیه های تداخلی نگاه کردند و سعی کردند جابجایی آنها را تعیین کنند.

این آزمایشات در ژوئیه 1887 تکمیل شد. هنگامی که همه نتایج گرد هم آمدند و تجزیه و تحلیل شدند، همه محاسبات انجام شد و بارها تأیید شد، محققان خود را در برابر یک واقعیت سرسختانه دیدند که کل نظریه هماهنگ را از بین برد. برخلاف تمام انتظارات، هیچ جابجایی از ترتیب مورد نیاز توسط فرضیه اتر ثابت یافت نشد. این مانند حکم اعدام برای ایده یک اقیانوس اثیری بی حرکت بود. مایکلسون کاملاً با نظریه اتر ثابت موافق بود و امیدوار بود که آزمایش امکان کشف آن را فراهم کند. چگونه نوسانات الکترومغناطیسی، از جمله امواج نور، می توانند منتشر شوند؟ باز هم، نتیجه یک آزمایش خوب و درخشان اجرا شده، مایکلسون را به سردرگمی کامل سوق داد.

"بزرگترین نتایج منفی"

مایکلسون و مورلی گزارش خود را به مجله آمریکایی علوم فرستادند. عنوان آن بود: "در مورد حرکت نسبی زمین و اتر نورانی." در همان سال در مجله فلسفی انگلیسی نیز منتشر شد. نتیجه گیری مایکلسون برای دانشمندان سراسر جهان شناخته شد. در هر جهتی که ناظر حرکت کرد، تفاوت محسوسی در سرعت نور مشاهده نشد. به عبارت دیگر، باید باور نکردنی را اعتراف می‌کردید: مهم نیست چقدر سریع دنبال نور بدوید، رسیدن به آن غیرممکن است. او همچنان با سرعت 300000 کیلومتر در ثانیه از شما فرار خواهد کرد. چنین نتیجه ای برخلاف تمام تجربیات بشری بود. هواپیمایی که با سرعت 600 کیلومتر در ساعت با باد عقب با سرعت 50 کیلومتر در ساعت پرواز می کند، نسبت به نقطه ای ثابت، 650 کیلومتر در ساعت می رسد. اگر خلاف باد پرواز کند سرعت آن به 550 کیلومتر در ساعت کاهش می یابد. از آنجایی که زمین با سرعتی در حدود 30 کیلومتر در ثانیه به دور خورشید حرکت می کند، سرعت پرتوی نوری که در همان جهت زمین حرکت می کند باید باشد. سرعت بیشترپرتو در جهت مخالف حرکت می کند. با این حال، تجربه مایکلسون این فرض را رد کرد.

جان دی. برنال، فیزیکدان و فیلسوف انگلیسی، کشف مایکلسون و مورلی را «بزرگترین نتایج منفی در تاریخ علم» نامید. با این حال، مایکلسون به طور کامل از نتایج تجربه خود ناامید نشد. اگرچه آنها وجود یک اتر ثابت را رد کردند، اما یک احتمال دیگر وجود داشت که «زمین اتر را با خود می کشد و تقریباً همان سرعتی را به آن می دهد که خودش حرکت می کند، به طوری که سرعت اتر نسبت به سطح زمین صفر یا بسیار کوچک است.»

ده سال پس از انتشار این گزارش تاریخی، مایکلسون به طور تجربی «فرضیه دوم را با ارسال دو پرتو نور در امتداد محیط مستطیل عمودی که اضلاع آن برابر با 15 و 60 متر بود، آزمایش کرد. نتایج این را تأیید نکرد. فرضیه.

مایکلسون متقاعد نشده بود که "شکست" آزمایش او سرانجام این سوال را حل کرد. وی علناً اعلام کرد: «از آنجایی که نتیجه آزمایش منفی بود، مشکل همچنان در انتظار حل است. و برای دلداری از خود، استدلالی غیرمنتظره آورد: "به نظر من، این آزمایش بیهوده نبود، زیرا جستجو برای راه حلی برای این مشکل منجر به اختراع تداخل سنج شد. من فکر می کنم که همه می دانند که اختراع تداخل سنج به طور کامل نتیجه منفی این آزمایش را جبران می کند.

سال‌ها بعد، مایکلسون در رصدخانه مونت ویلسون برای مخاطبان علمی، ارزیابی بسیار متفاوتی از اهمیت نسبی آزمایش با اتر و اختراع تداخل‌سنج ارائه کرد. او تصدیق کرد که ادعای او در مورد ارزش بیشتر برای این ابزار در تضاد با "برخی ملاحظات نظری مهم" است که دنیای علمی را تکان داد. همانطور که در سالهای گذشته مشخص شد، مایکلسون بدون اینکه بداند، موادی را تهیه کرد که یکی از بزرگترین نظریه های علمی تمام دوران در اروپا از آن ساخته شد. این یکی از موارد نادری است که کشف اولیه در آمریکا انجام شد و بعداً در اروپا مورد استفاده قرار گرفت. تقریباً همیشه برعکس اتفاق می افتاد.

ایده آزمایش مقایسه نور عبوری از دو مسیر است که یکی از آنها با جهت حرکت جسم در اتر منطبق است و دیگری عمود بر آن است.

صفحه B شفاف است. روی آن، پرتو به دو تیر عمود منسجم تقسیم می شود که به آینه های D و C می روند.

اگر این مسیرها در یک زمان توسط آنها طی شود، در یک مرحله به نقطه ملاقات می آیند و یکدیگر را تقویت می کنند. اگر برای زمان دیگری باشد، در نقطه ملاقات اختلاف فاز و نوسانات تغییر خواهد کرد. با مشاهده تداخل می توان در مورد اختلاف فاز امواج همدوس وارد شده به تداخل سنج نتیجه گرفت و از اینجا زمان تاخیر یک موج را نسبت به موج دیگر محاسبه کرد. این کار توسط مایکلسون و مورلی انجام شد. این یکی از قابل توجه ترین آزمایش های قرن 19 بود. در اصل ساده، این تجربه به انقلابی در علم منجر شد.

اجازه دهید دستگاه در جهت شانه BC با سرعت v نسبت به اتر حرکت کند. سرعت نور نسبت به اتر ج. مجموع مدت زمانی که مسیر آینه C و برگشت طی می شود برابر است با:

برای انعکاس مسیر D BDB /

در اینجا v سرعت زمین در مدارش به دور خورشید (~30 کیلومتر بر ثانیه) است. بنابراین، اگر دستگاه روی زمین باشد، آنگاه . با توجه به کوچک بودن این عبارت، عبارات را می توان به سری ها گسترش داد:

ما گرفتیم:

تفاوت مسیر پرتوها برابر است با:

حالا بیایید دستگاه را 90 درجه بچرخانیم تا بازوی BD با جهت حرکت منطبق شود و بازوی BC عمود بر آن جهت گیرد. برای تفاوت مسیر دریافت می کنیم:

کل تغییر در تفاوت مسیر پرتوها در زمان چرخش دستگاه برابر است با:

در آزمایش، دستگاه به آرامی چرخید، زیرا حرکت واقعی دستگاه نسبت به اتر ناشناخته بود. بنابراین، هنگامی که دستگاه تا 360 درجه می چرخد، هر یک از بازوها دو بار با جهت حرکت منطبق می شود و دو بار عمود بر جهت حرکت می شود. اگر هنگام چرخاندن دستگاه اختلاف مسیر پرتوها تغییر کند، در این صورت موقعیت حاشیه های تداخلی در میدان دید نیز باید تغییر کند. اجازه دهید بزرگی تغییر را تخمین بزنیم.

نسبت به جابجایی حاشیه های تداخل عبارت است از:

فاصله بین باندها، و این را می توان به راحتی مشاهده و اندازه گیری کرد.

اما از نظر تجربی هیچ اثری پیدا نشد. تشخیص سرعت مطلق زمین غیرممکن بود.

معلوم شد که سرعت نور در همه جهات یکسان است و هیچ باد اتری وجود ندارد. مولفه های طولی و عرضی سرعت همیشه با یکدیگر برابرند. با ظهور لیزر، دقت آزمایش ها به طور قابل توجهی بهبود یافته است.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سرعت نور به سرعت منبع و سرعت گیرنده نمی‌رسد.

ثابت بودن سرعت نور در تضاد عمیق با ایده‌های معمول آزمایش‌ها و با فرمول‌های اضافه کردن سرعت بر اساس تبدیل‌های گالیله است. در سرعت های بسیار کمتر از سرعت نور، انحراف مشاهده نمی شود، زیرا آنها بسیار کوچک هستند. نادرست بودن فرمول برای اضافه کردن سرعت ها زمانی خود را نشان می دهد که سرعت ها به اندازه کافی بزرگ باشند. انحرافات اولین بار در سال 1860 در آزمایشات فیزو کشف شد.