1881 m. Michelsonas atliko garsų eksperimentą, kurio pagalba jis tikėjosi atrasti Žemės judėjimą eterio (eterinio vėjo) atžvilgiu. 1887 m. Michelsonas pakartojo savo patirtį kartu su Morley naudodami pažangesnį instrumentą. Michelson-Morley instaliacija parodyta fig. 150.1. Mūrinis pagrindas rėmė žiedinį gyvsidabrio pripildytą ketaus lovelį. Ant gyvsidabrio plūduriavo medinė plūdė, panaši į išilgai perpjautą spurgos apatinę pusę. Ant šios plūdės buvo sumontuota masyvi kvadratinė akmens plokštė. Toks įtaisas leido sklandžiai pasukti plokštę aplink vertikalią įrenginio ašį. Ant plokštelės buvo sumontuotas Michelson interferometras (žr. 123.1 pav.), modifikuotas taip, kad abu spinduliai, prieš grįždami į peršviečiamą plokštę, kelis kartus praeitų pirmyn ir atgal taku, sutampančiu su plokštės įstriža. Spindulio kelio schema parodyta fig. 150.2. Pavadinimai šiame paveiksle atitinka žymėjimus pav. 123.1.
Eksperimentas buvo pagrįstas šiais samprotavimais. Tarkime, kad interferometro svirtis (150.3 pav.) sutampa su Žemės judėjimo kryptimi eterio atžvilgiu. Tada laikas, reikalingas spinduliui nukeliauti iki veidrodžio ir atgal, skirsis nuo laiko, kurio reikia 2 spinduliui nukeliauti keliu.
Dėl to, net jei abiejų pečių ilgiai yra vienodi, sijos 1 ir 2 įgis tam tikrą kelio skirtumą. Jei prietaisas pasukamas 90°, rankos pasikeis vietomis, o kelio skirtumas – ženklas. Tai turėtų lemti trukdžių modelio poslinkį, kurio dydį, kaip rodo Michelsono skaičiavimai, būtų galima gerai aptikti.
Norėdami apskaičiuoti numatomą interferencijos modelio poslinkį, suraskime atitinkamų takų praėjimo laikus spinduliais 1 ir 2. Tegul Žemės greitis eterio atžvilgiu yra lygus .
Jei eteris nėra įtrauktas į Žemę ir šviesos greitis eterio atžvilgiu yra lygus c (oro lūžio rodiklis praktiškai lygus vienetui), tada šviesos greitis įrenginio atžvilgiu bus lygus c - v krypčiai ir c + v krypčiai.Todėl spindulio 2 laikas yra nurodytas pagal
(Žemės orbitos greitis yra 30 km/s, taigi
Prieš pradėdami skaičiuoti laiką, apsvarstykite šį mechanikos pavyzdį. Tarkime, kad valtis, kuri vandens atžvilgiu išvysto greitį c, turi kirsti upę, tekančią v greičiu, tiksliai statmena jos krantams kryptimi (150.4 pav.). Kad valtis judėtų tam tikra kryptimi, jos greitis c vandens atžvilgiu turi būti nukreiptas taip, kaip parodyta paveikslėlyje. Todėl valties greitis pakrantės atžvilgiu bus lygus Tas pats bus (kaip manė Michelsonas) spindulio 1 greitis įrenginio atžvilgiu.
Todėl 1 spindulio laikas yra
Pakeitę reikšmes (150.1) ir (150.2) į išraišką, gauname skirtumą tarp 1 ir 2 spindulių kelių:
Kai instrumentas pasukamas 90°, kelio skirtumas pasikeis. Vadinasi, pakraščių, kuriais pasislinks trukdžių modelis, skaičius bus toks
Rankos ilgis I (atsižvelgiant į daugybinius atspindžius) buvo 11 m. Šviesos bangos ilgis Michelson ir Morley eksperimente buvo 0,59 μm. Pakeitus šias reikšmes į formulę (150.3), gaunamos juostos.
Prietaisas leido aptikti 0,01 pakraščio poslinkį. Tačiau trukdžių modelio poslinkio nerasta. Siekiant atmesti galimybę, kad matavimų metu horizonto plokštuma būtų statmena Žemės orbitos greičio vektoriui, eksperimentas buvo kartojamas skirtingu paros metu. Vėliau eksperimentas buvo atliktas daug kartų skirtingu metų laiku (metus Žemės orbitos greičio vektorius erdvėje sukasi 360°) ir visada davė neigiamų rezultatų. Eterinio vėjo aptikti nepavyko. Pasaulio eteris liko nepagaunamas.
Keletą kartų buvo bandoma paaiškinti neigiamą Michelsono eksperimento rezultatą, neatsisakant hipotezės apie pasaulinį eterį. Tačiau visi šie bandymai buvo nesėkmingi. Išsamų ir nuoseklų visų eksperimentinių faktų, įskaitant Michelsono eksperimento rezultatus, paaiškinimą Einšteinas pateikė 1905 m. Einšteinas padarė išvadą, kad pasaulio eteris, t.y. speciali terpė, kuri galėtų būti absoliuti atskaitos sistema, nėra egzistuoja. Remdamasis tuo, Einšteinas išplėtė mechaninį reliatyvumo principą visiems be išimties fizikiniams reiškiniams. Be to, Einšteinas, remdamasis eksperimentiniais duomenimis, postulavo, kad šviesos greitis vakuume yra vienodas visose inercinėse atskaitos sistemose ir nepriklauso nuo šviesos šaltinių ir imtuvų judėjimo.
Reliatyvumo principas ir šviesos greičio pastovumo principas sudaro specialiosios Einšteino sukurtos reliatyvumo teorijos pagrindą (žr. 1-ojo tomo VIII skyrių).
Prieš įsigilindami į Michelsono interferometro detales, pažvelkime į jį iš viršaus ir pabandykime suprasti, prie ko nuveda šviesos aberacijos poveikio neįvertinimas.
Kairėje, pav. 1 parodytas visas šviesos spindulių kelias, dešinėje tame pačiame paveikslėlyje nubraižyta supaprastinta diagrama, priimta šiuolaikinio mokslo. Dešiniajame paveikslėlyje matome kvadratinį prietaiso pagrindą, ant kurio pritvirtintas šviesos šaltinis, veidrodžių sistema, kuri pakartotinai atspindi šviesos spindulį, ir optinis prietaisas (Michelsonas pavadino jį „teleskopu“), skirtas stebėti. trukdžių modelis. Veidrodžių sistema reikalinga norint padidinti trukdančių spindulių optinį kelią, kuris yra tiesiogiai susijęs su fazių skirtumu. Tačiau esminės svarbos veidrodžiai neturi: jų gali būti daugiau ar mažiau.
 |
Ryžiai. vienas. Šviesos spindulių kelias Michelsono interferometre. Dešiniajame paveiksle 0 šviesos šaltinio spindulys 1 sklinda Žemės judėjimo kryptimi; spindulys 2 yra spindulys 1, atsispindėjęs nuo veidrodžio C. Spindulys 3, atsispindėjęs nuo veidrodžio A, tampa spinduliu 4. Kaip pažymėjo Michelsonas, 1-2 pluoštų optinis kelias nėra lygus 3-4 pluoštų optiniam keliui. Vadinasi, susitikę taške B, jie duos trukdžių pakraščius, kurių atstumai yra proporcingi spindulių 1-2 ir 3-4 spindulių kelio skirtumui. Šiame tradicinis Schemoje, kuri yra pakartota visuose vadovėliuose, kuriuose kalbama apie Michelsono-Morley eksperimentą, aberacijos kampas iš tikrųjų yra kampas α. Aberacijos poveikis lyginamas su šviesos pluošto „dreifavimo“ viena ar kita kryptimi efektu, priklausomai nuo šaltinio ar imtuvo judėjimo. Deja, renkantis sijos 3 įlinkio ženklą buvo padaryta klaida: schemoje sija 3 nukrypsta į dešinę, realiai turėtų nukrypti į kairę (spindulys 3").
Mokykliniuose vadovėliuose aberacija aiškinama įstrižomis vandens srovėmis, kurias lietus palieka ant važiuojančio automobilio šoninių langų. Šie purkštukai sudaro smailų kampą su transporto priemonės judėjimo vektoriaus kryptimi. Tiesą sakant, įsivaizduokite, kad sėdite automobilyje, kuris važiuoja keliu. Lietaus lašai ant šoninių automobilio salono langų nubrėžia įstrižas linijas, nes susidaro greičių trikampis: horizontali koja v 1 - transporto priemonės greitis; vertikali koja v 2 - kritimo iš viršaus į apačią greitis. Tada šio trikampio hipotenuzė yra šių dviejų greičių vektorinė suma. Tai yra aberacijos poveikis.
Pagal šį reiškinį astronomai, stebėdami žvaigždes, šiek tiek pasuka savo teleskopus Žemės judėjimo kryptimi. Priešingu atveju bangos fronto dalis, patekusi į teleskopo lęšį, nepasieks okuliaro. Be to, aberacijos dydis priklauso nuo žvaigždės vietos naktiniame danguje. Žvaigždės, esančios tiesiai virš mūsų galvų, apibūdina taisyklingą apskritimą, kurio aberacijos nuokrypio kampinis spindulys per metus yra α = 20,45. Žvaigždės, esančios tam tikru kampiniu atstumu nuo zenito, apibūdina elipsę. Žvaigždės horizonto linijoje, t.y. esančios plokštumoje ekliptikos (Žemės orbita) jie svyruoja išilgai tiesia linija su tokiu pat kampiniu nuokrypiu ±α.
Ryžiai. 2. Šviesos aberacijos efekto esmė. Žvaigždė, kurios kryptis yra stačiu kampu į Žemės orbitos plokštumą, pasirodo, pasislinkusi Žemės judėjimo kryptimi kampu α = 20,45 ". Todėl teleskopo vamzdis turi būti pasviręs kampas α vertikalios krypties atžvilgiu Aberacijos efektas paaiškinamas tuo, kad šviesa, patenkanti į teleskopo lęšį taške BET, turi pasiekti okuliarą iki taško AT kad jį matytų ant žemės esantis stebėtojas. Nustatomas pasvirimo kampas α dviejų greičių vektorinė suma- šviesos greitis c ir Žemės greitį orbitoje v, kad šviesos greitis teleskopo vamzdžio viduje ( c") segmente AC nustatomas pagal Pitagoro formulę, t.y. įjungta klasikinė greičių pridėjimo formulė - (c² – v²) ½ (Šie paaiškinimai paimti iš straipsnio, kurį parašiau anksčiau Pagrindinis argumentas prieš reliatyvumo teoriją).
Pirmoje šio darbo dalyje buvo ne kartą pabrėžta, kad teisingas Michelsono-Morley eksperimento supratimas kyla iš šviesos banginės prigimties – ir tai tiesa. Tačiau taip pat reikia atsiminti, kad aberacijos reiškinį galima pastebėti ir taškinių objektų pavyzdyje. Nereikia pamiršti, kad aberacijos atradėjas J. Bradley, pagal Niutono optinę teoriją, šviesą reprezentavo kūnelių pavidalu.
Taigi pavyzdžiuose su teleskopu ar automobiliu judantis yra imtuvas. Kartojame, jei spinduliai iš žvaigždės ar lietaus lašo krenta vertikaliai žemyn, tada dėl imtuvo judėjimo susidaro smailus kampas α, kuris nusėda iš normalaus į šoną. imtuvo kryptimi. Na, o kas atsitiks, jei jis pajudės šaltinis? Įsivaizduokite, kad automobilio gale įrengtas fontanas, kurio srovė nukreipta vertikaliai į viršų. Kai automobilis juda, ši srovė natūraliai nukryps atgal. Todėl aberacijos kampas α, kai šviesos šaltinis juda, turi būti atidėtas nuo normalaus iki priešinga pusė nuo šaltinio greičio vektoriaus.
Taigi, pav. 1 spindulys 3 iš 0 šviesos šaltinio nenueis link taško A, o link taško D. Michelsonas klydo. Jo galvoje buvo upės paveikslas su dviem valtimis, judančiomis palei srovę ir skersai. Būtent šiai nuotraukai jis apskaičiavo spindulių laiką įrenginyje ir gavo fazių skirtumą. Tačiau tai neišsemia jo piešinio ir, atitinkamai, skaičiavimų, trūkumų.
Išoriškai Michelsono spindulių kelio interferometre diagrama, paimta iš darbo (žr. paveikslėlį dešinėje), primena piešinį iš geometrinės optikos, kai visi atspindžio kampai yra lygūs kritimo kampams. Tačiau esant nukrypimams, šis įstatymas pažeidžiamas. Šviesos spindulys, krintantis ant permatomo veidrodžio 45° kampu, atsispindės ne tuo pačiu, o skirtingu kampu: 45° + α. Todėl byloje greitos kelionėsšaltinio, imtuvo ir veidrodžių sistemos, dėsniais naudotis nebegalima geometrinė optika, galioja tik stacionarus atveju.
Judančioje sistemoje „optinio kelio“ sąvoka yra modifikuota. Šiuo atveju būtina atsižvelgti į aberacijos ir Doplerio efektą, į kuriuos neatsižvelgiama stacionarių šviesos šaltinių ir priimančių jutiklių optikoje. Tradicinė spindulių kelio schema interferometre netinka fazių skirtumui, kuris yra atsakingas už trukdžių modelį, apskaičiuoti. Jis buvo paimtas tiesiai iš Michelsono pavyzdžio, kai upės srovės nuneša laivus. Su šviesos spinduliais situacija yra visiškai kitokia. Jie sklinda stacionarioje eterinėje terpėje, o šviesos virpesių šaltinis ir imtuvai juda.
Prieš gilindamiesi į interferometro detales ir eksperimento dizainą, pažvelkime į tai, kas vyko dieną prieš tai. Tuo tikslu pacituosime ištrauką iš Michelsono ir Morley straipsnio, parašyto remiantis 1887 m. eksperimento rezultatais.
„Pagal Fresnelį“, rašo autoriai, „bangų teorijoje, pirma, manoma, kad eteris yra ramybės būsenoje, išskyrus skaidrios terpės vidų, kurioje, antra, manoma, kad jis juda greitis mažesnis už terpės greitį, palyginti su ( n² – 1)/ n², kur n- lūžio rodiklis. Šios dvi hipotezės pateikia išsamų ir patenkinamą aberacijos paaiškinimą. Antroji hipotezė, nepaisant jos iš pirmo žvilgsnio netikėtumo, turi būti laikoma visiškai įrodyta, pirma, nuostabiu Fizeau eksperimentu ir, antra, mūsų pačių tyrimais. Šio darbo tikslas – eksperimentinis pirmosios hipotezės patikrinimas.
Jei Žemė būtų skaidrus kūnas, tai, atsižvelgiant į ką tik minėtus eksperimentus, tikriausiai būtų galima daryti prielaidą, kad tarpmolekulinis eteris yra ramybės erdvėje, nepaisant Žemės judėjimo orbitoje; bet mes neturime teisės išplėsti šių eksperimentų išvadų į nepermatomus kūnus. Tačiau vargu ar gali kilti abejonių, kad eteris gali ir praeina per metalus. Lorenzas kaip iliustraciją pateikia gyvsidabrio manometro vamzdelį. Kai vamzdis pakreipiamas, eteris, esantis virš gyvsidabrio, tikrai bus išstumtas iš ten, nes jis nėra suspaudžiamas. Bet vėlgi, mes neturime teisės manyti, kad jis išeina gana laisvai, ir jei būtų koks nors pasipriešinimas, kad ir koks mažas, žinoma, negalėtume patikėti, kad nepermatomas kūnas, kaip visa Žemė, užtikrina laisvą eterio praėjimą. per visą šią masę. Tačiau, kaip taikliai pažymi Lorencas, „kad ir kaip būtų, mano nuomone, šiuo klausimu taip pat svarbu, geriau nesileisti vadovautis svarstymais, pagrįstais tos ar kitos hipotezės patikimumu ar paprastumu, bet atsigręžti į patirtį, norint išmokti atpažinti ramybės ar judėjimo būseną, kurioje eteris yra Žemės paviršiuje.
1881 m. balandžio mėn. buvo pasiūlytas ir išbandytas metodas šiai problemai išspręsti.
Išvedant išmatuoto dydžio formulę, buvo nepastebėta Žemės judėjimo per eterį įtaka pluošto keliui, statmenam šiam judėjimui. Šio praleidimo ir viso eksperimento aptarimas yra labai gilios G. A. Lorentzo analizės objektas, kuris išsiaiškino, kad šio poveikio jokiu būdu negalima pamiršti. Dėl to iš tikrųjų matuojamas kiekis yra tik pusė tariamos vertės, ir kadangi pastaroji jau buvo beveik nepatenka į eksperimento klaidą, išvados, padarytos remiantis eksperimento rezultatais, gali būti abejotinos. Tačiau kadangi pagrindinė teorijos dalis nekelia abejonių, buvo nuspręsta eksperimentą pakartoti su tokiais pakeitimais, kurie suteiktų pasitikėjimo, kad teorinis rezultatas yra pakankamai didelis, kad jo nepaslėptų eksperimentinės klaidos.
„Net Fresnelis aukščiau minėtame laiške, kuriame buvo pristatyta pasipriešinimo koeficiento sąvoka, parodė, kad vertės priėmimas k = (n² – 1)/ n² leidžia paaiškinti Žemės judėjimo įtakos kai kuriems optiniams reiškiniams nebuvimą, net jei atpažįstame eterio nejudrumą, t.y. aiškiai atsisako išplėsti reliatyvumo principą į elektrodinamiką. Toliau pagrindinis teorijos taškas tampa įtraukimo koeficiento klausimas. Pripažindami pradines Fresnelio prielaidas (skirtingą eterio tankį skirtinguose kūnuose su tuo pačiu elastingumu) kaip nepakankamai pagrįstas, vėlesni tyrinėtojai bandė pateikti dinamišką vilkimo efekto interpretaciją, remdamiesi kitais modeliais.
Stokesas pažymėjo, kad Frenelio koeficientą galima gauti, jei darysime prielaidą, kad visas eteris juda kūno viduje, o į Žemę ar kitą priekyje esantį kūną patekęs eteris iš karto suspaudžiamas, o už kūno išeinantis eteris išsikrauna.
Iš to tampa aišku, kad Michelsonas ir Morley iš tikrųjų išbandė būtent šią Stokso idėją, kuriai taip pat pirmenybę teikė Lorentzas. Pagal Frenelio modelį eteris nesukelia jokio vėjo: fiziniai kūnai sukuria eterio tankio nehomogeniškumą, kurie juda aplink Saulę Žemės orbitos greičiu, tačiau pats eteris yra ramybės būsenoje. Frankfurtas ir Frenkas teisingai pažymėjo, kad jei mes tai sutinkame, tai reiškia „aiškiai atsisakymą išplėsti reliatyvumo principą į elektrodinamiką“. Tuo tarpu, kai buvo aptarta ši opi problema, Machas jau buvo paskelbęs totalinį reliatyvumo principą. Su juo sutikusieji automatiškai perėjo į Stokeso ir Lorentzo pozicijas, kurie laikėsi anaiptol ne naujos koncepcijos.
Pagal senąsias idėjas, Žemė, judant aplink Saulę, turėtų būti pučiama eterinės terpės, kaip skrendantį kamuolį pučia oras. Kad ir kaip būtų išsikrovęs eteris, dėl trinties Žemė ir kitos planetos anksčiau ar vėliau turės kristi ant Saulės. Tačiau astronomai nepastebėjo jokio jų judėjimo sulėtėjimo: kiekvieni paskesni metai yra lygiai tokie pat kaip ir ankstesni. Situaciją apsunkino tai, kad fizikai nustatė, kad šviesa yra elektrinio ir magnetinio lauko virpesiai, nukreipti statmenai sklidimo pluoštui. Nustatyta, kad toks skersinis svyravimai galimi tik in absoliučiai tvirtas kūnas. Taigi planetos ir visi kiti kūnai juda kietame kūne? Absurdas!
Michelsono laikais nebuvo objektų, kurie galėtų būti tokio judėjimo pavyzdys. Šiandien žinios apie pasaulį gerokai išsiplėtė. Tiriant puslaidininkių fiziką buvo atrasti mechanizmai, leidžiantys imituoti aukščiau aprašytą situaciją. Pavyzdžiui, esant žemai temperatūrai germanyje, vadinamasis eksitonai. Šie kvazidalelės judėti puslaidininkyje neperkeliant puslaidininkinės medžiagos.
Taigi kietame kūne susidaro energetiniai sužadinimai, kurie yra panašūs į vandenilio atomus ir apibūdinami atitinkamomis charakteristikomis: orbitos Boro spindulys, impulsas, masė ir kt. Tam tikromis sąlygomis galima gauti bieksitonai- helio analogas, trieksitonai- ličio analogas. Fizikai atrado eksitono skystis, kuri ketina lašai; lašeliai gali išgaruoti. Trumpai tariant, kietojo kūno fizika susidoroti su mechanika supermedžiagos, kuris pastatytas ant įprastos medžiagos.
Tačiau net Michelsono laikais daugelis konstruktyviai mąstančių fizikų manė, kad įprastos materijos atomai ir molekulės susidaro dėl sūkurių arba kai kurių sudėtingesnių eterinės terpės sužadinimo. Pavyzdžiui, J.J.Thomsonas bandė modeliuoti elektroną ir atomą naudodamas sūkurius ir Faradėjaus vamzdelius (žr. toliau). Materija ir eteris , elektra ir materija, taip pat naudinga perskaityti). Tokie fizikai kaip jis puikiai suprato, kad joks „eterinis vėjas“ negali būti registruojamas. Žemė ir viskas ant jos (įskaitant Michelsono interferometrą) skrenda atvirame kosmose, kaip banga slysta vandenyno paviršiumi.
Sunku pasakyti, kodėl Michelsono-Morley eksperimentas padarė tokį stiprų įspūdį reliatyvistams. Juk net Mascar, po didelės serijos eksperimentų 1869 – 1874 m. padarė išvadą: „Šviesos atspindžio, difrakcijos, dvigubo lūžio ir poliarizacijos plokštumos sukimosi reiškiniai vienodai negali atskleisti Žemės transliacinio judėjimo, kai naudojame Saulės šviesą ar žemiškąjį šaltinį“. Kyla klausimas, kodėl reikėtų tikėtis kažko nepaprasto iš trukdžių modelio, gauto Michelson sąrankoje? Frankfurtas ir Frankas primena, kad be jau minėto Millero, gavusio teigiamą rezultatą, panašius eksperimentus atliko Rayleigh (1902) ir Bresas (1905), kurie patvirtino ir taip neigiamą Michelsono rezultatą. Akivaizdu, kad eksperimentų interpretacijos neatitikimas, nesupratimo ir nepasitikėjimo empiriniais rezultatais laipsnis labai priklauso nuo fiziko pasaulėžiūrinių pozicijų.
Apie formalistų-fenomenalistų ir racionalistų-konstruktyvistų epistemologinio požiūrio skirtumus galime kalbėti dar ilgai. Tačiau dabar svarbu suprasti, kad Lorenzo pasaulėžiūra patraukė į pirmąją, o J. J. Thomson – į antrąją. Savo elektronų teorijoje Lorentzas, skirtingai nei J. J. Thomsonas, pavaizdavo elektroną kaip matematinį tašką ir nesukimo dėl jo vidinės struktūros. Jis taip pat tikėjo, kad materijos atomai egzistuoja savaime, o eterinė terpė – savaime. Jo mąstymas persmelktas abstrakčios simbolikos, o vaizdinėms reprezentacijoms skirta mažai vietos. Už ilgų matematinių skaičiavimų reiškinio fizika buvo prarasta.
Hippolyte'o Louiso Fizeau (1819 - 1896) eksperimentas, atliktas 1851 m. ir pakartotas Michelsono 1886 m., buvo susijęs su šviesos greičio judančioje terpėje nustatymu. Supaprastinta eksperimento schema yra tokia, kaip parodyta Fig. 16 paimta iš knygos.
Fig. 16.šviesa iš šaltinio L, padalintas į dvi sijas, eina per vamzdį, kuriuo vanduo teka greičiu u. Dėl spindulių kelio skirtumo taške BET atsiranda trukdžių pakraščiai, kuriuos galima perstumti pakeitus greičio kryptį u. Teoriškai gautas greitis turėtų būti rastas pagal elementarią dviejų greičių pridėjimo formulę: V = c" ± u, kur c" = c/n- šviesos greitis terpėje su lūžio rodikliu n. Tačiau eksperimentas parodė, kad ši formulė skaičiuoti netinka V.
Prisiminkite, kad jei šviesos greitis vakuume žymimas c, tada terpėje su lūžio rodikliu n sumažės: c" = c/n. Ore, kaip ir vakuume, jis lygus c" = c\u003d 300 000 km / s, nes orui lūžio rodiklis n artimas vienybei; už vandenį n= 1,33 ir c"= 225 000 km/s, o deimantui n= 2,42 ir c"= 124 000 km/s. Pasirodo, kuo tankesnė terpė, tuo mažesnis šviesos greitis (deimanto tankis 3,5 karto didesnis nei vandens). Akustikoje apskritai stebimas atvirkštinis ryšys. Jei ore garsas sklinda 331 m/s greičiu, tai vandenyje - 1482 m/s, o pliene 6000 m/s. Tačiau akustinės bangos greičio priklausomybė nuo terpės tankio nėra tokia vienareikšmė ir priklauso nuo materijos struktūra(žr. 3 lentelę Įvadas į akustiką).
Fizeau parodė, kad kai vandens terpė pradeda judėti, šviesos greitis joje nustatomas pagal „reliatyvistinę“ dviejų greičių pridėjimo formulę:
kur u= 7 m/s, kuriai esant turbulentiniai sūkuriai nesusidaro. Vienoje vamzdžio atkarpoje vandens judėjimo greitis u atitinka greitį c" ir tada pasirodo formulėje, kitoje skiltyje nesutampa, tada įdedamas "-".
Tačiau apie jokią „reliatyvistinę“ paskutinės formulės interpretaciją XIX amžiaus viduryje nebuvo nė kalbos. Interpretacija pasidavė apytiksliai vertei, už kurios slypėjo sudėtingesnė gauto greičio priklausomybė. V dėl šviesos spinduliuotės bangos ilgio. Skliausteliuose esanti išraiška vadinama įsitraukimo koeficientas, kurią dar 1818 metais išvedė ir paaiškino Augustinas Jeanas Fresnelis (1788 – 1827), po Dominique François Jean Arago (1786 – 1853) atlikto eksperimento.
Arago eksperimentavo su judančia stikline prizme, matuodamas aberacijos kampą. Jis tikėjosi, kad du mums žinomi greičio vektoriai bus pridėti ir atimti įprastu būdu: V = c" ± u. Tada, remiantis eksperimento logika, aberacijos kampas turėjo pasikeisti. Tačiau vienos lanko sekundės tikslumu J. Bradley nustatyta reikšmė α = 20,45 " nepasikeitė.
Eksperimento tikslą būtų galima suformuluoti kitaip ir išspręsti atvirkštinę problemą: kaip pasikeis prizmės, esančios Žemėje, judančios 30 km/s greičiu, lūžio rodiklis, jei pro prizmę bus leidžiama šviesa iš nejudančios žvaigždės. Tada neigiama šios problemos formuluotės išvada atrodo taip: prizmės lūžio rodiklis nekinta.
Fresnelis pripažino, kad šviesos bangos neša išilginis charakteris, kaip akustinės bangos ( skersinisšviesos bangų prigimtį jis nustatė 1821 m.). Garso greitis tam tikroje medžiagoje, kaip jau žinome ( Įvadas į akustiką) priklauso nuo medžiagos tankio. Tankio perteklius atsiranda dėl įvairių terpės sužadinimo, pavyzdžiui, oro ir vandens sūkurių. Jei akustinės bangos praeina per judantį greičiu u sūkurį, tada jų garso greitis sūkurio viduje reaguos į perteklinį tankį pagal „reliatyvistinę“ formulę. Atrodo, kad visas jame esantis oras sukasi viesulu ir nešinasi kartu su viesulu. Jei taip, tuomet gautą greitį lemtų „klasikinė“ greičių pridėjimo formulė, tačiau taip neatsitiko. Aukštame formaliame-teoriniame lygmenyje Fresneliui pavyko nubrėžti paralelę tarp optinių ir akustinių reiškinių. Jis parodė, kad tik eterio tankio perteklius materialiuose kūnuose yra įtraukiamas, palyginti su eterio tankiu kosminėje erdvėje.
Frenelio bangų teorija, paaiškinanti daugybę optinių problemų, įskaitant difrakciją ir poliarizaciją, ramiai viešpatavo visą jo gyvenimą ir beveik du dešimtmečius po jo mirties. prancūzų mokykla optikai, pirmiausia Arago, Fresnelio, Foucault ir Fizeau asmenyje, aiškiai dominavo pasaulyje. Britai, amžini prancūzų varžovai, su pavydu žiūrėjo į savo priešininkų sėkmę ne tik mokslo srityje, bet ir kultūrinėje, politinėje bei karinėje srityje.
Frenelio išvestinis koeficientas dalinisįtraukimas, veikiantis su dviem eterio charakteristikomis, kurios lemia šviesos greitį. Tai jo elastingumas, kuri judančioms laikmenoms liko nepakitusi, ir jos kintamasis tankis. Anglas George'as Gabrielis Stokesas (1891-1903) pirmą kartą pasiūlė idėją XX amžiaus 4 dešimtmečio viduryje. užbaigti eterio įtraukimas judant objektus, tokius kaip, pavyzdžiui, mūsų planeta. Tuo pačiu metu jis rėmėsi trečiąja mechanine eterio charakteristika - klampumas. 1849 m. jis paskelbė savo pagrindinį darbą „Apie judančių skysčių vidinės trinties teoriją ir apie elastingų kietųjų kūnų pusiausvyrą ir judėjimą“, kuriame gavo garsiąją diferencialinę lygtį, skirtą judėjimui apibūdinti. klampūs skysčiai.
Stoksas tikėjo, kad visa Žemė neša eterį ne tik savo tūrio viduje, bet ir toli už paviršiaus. Nežinia, kaip aukštai nusidriekia planetos nešamas eterio sluoksnis. Milleris, bandydamas išmatuoti eterinio vėjo greitį, kartu su interferometru stengėsi pakilti kuo aukščiau: galbūt vėjas pūtė aukštai kalnuose ar dirižablio aukštyje. 1851 metų Fizeau eksperimentas buvo geras būtent todėl, kad įtikinamai įrodė Stokso teorijos nenuoseklumą ir Frenelio teorijos pagrįstumą.
1868 metais žinomas anglas Jamesas Clerkas Maxwellas (1831–1879) pats atliko eksperimentą, panašų į Fizeau. Tačiau dėl eksperimentų jis buvo priverstas pripažinti Fresnelio teorijos pergalę. Kadangi Fizeau eksperimentas buvo susijęs su pirmos eilės efektu β, Maxwellas pasiūlė, kad poveikis β² galėtų pasijusti ateityje, kai fizikai išmoks išmatuoti tokius mažus kiekius.
Vėlesnis anglo George'o Biddel Airy (1801–1892) eksperimentas 1871 m., matuojant žvaigždžių aberaciją žiūrint pro teleskopą, pripildytą vandens, taip pat patvirtino Fresnelio teiginį. Galiausiai 1886 m. eksperimentas, kurį atliko Michelsonas ir Morley, pagal schemą, artimą 1851 m. Fizeau eksperimentinei sąrankai, dar kartą įrodė eterio dalinio pasipriešinimo teorijos teisingumą. Štai kaip Michelsonas kalbėjo apie tai 1927 m. jubiliejinėje konferencijoje:
„1880 metais galvojau apie galimybę optiškai išmatuoti greitį vŽemės judėjimas Saulės sistemoje. Ankstyvieji bandymai aptikti pirmos eilės efektus buvo pagrįsti sistemos, judančios per stacionarų eterį, idėja. Pirmosios eilės efektai yra proporcingi v/c, kur c yra šviesos greitis. Remiantis mylimo senojo eterio koncepcija (kurios dabar atsisakyta, nors aš asmeniškai jos vis dar laikausi), buvo tikimasi vienos galimybės, būtent, kad oro ar vandens pripildytų teleskopų šviesos aberacija turėtų būti kitokia. Tačiau eksperimentai parodė, priešingai nei egzistuoja teorija, kad tokio skirtumo nėra.
Fresnelio teorija buvo pirmoji, paaiškinusi šį rezultatą. Fresnelis pasiūlė, kad medžiaga sugautų eterį iš dalies (eterio įtraukimas), suteikdama jam greitį v, taip v" = kv. Jis nusprendė k- Frenelio koeficientas per lūžio rodiklį n: k = (n² – 1)/ n². Šis koeficientas lengvai gaunamas iš neigiamo sekančio eksperimento rezultato.
Du šviesos spinduliai perduodami tuo pačiu keliu (0,1,2,3,4,5) priešingomis kryptimis ir sukuria trukdžių modelį. Aš esu vamzdis, pripildytas vandens. Jei dabar visa sistema juda greičiu v per eterį, perkeliant vamzdį iš I padėties į II padėtį, reikėtų tikėtis trukdžių pakraščių poslinkio. Jokio poslinkio nepastebėta. Iš šio eksperimento, atsižvelgiant į dalinį eterio pasipriešinimą, galima nustatyti Frenelio koeficientą k. Jis taip pat gali būti labai paprastai ir tiesiogiai išvestas iš Lorenco transformacijų.
Fresnelio gautą rezultatą visi tyrinėtojai pripažino universaliu. Maksvelas atkreipė dėmesį, kad jei laukiamas pirmos eilės efektas nerastas, galbūt gali atsirasti antros eilės efektų, proporcingų v²/ c². Tada val v= 30 km/s Žemės orbitiniam judėjimui v/c= 10–4 turime v²/ c² \u003d 10 -8. Ši vertė, pasak Maxwello, yra per maža, kad ją būtų galima išmatuoti.
Tačiau man atrodė, kad naudojant šviesos bangas galima sukurti tinkamą prietaisą tokiam antros eilės efektui išmatuoti. Aš sugalvojau įrenginį, kuriame buvo veidrodžiai, judantys greičiu v per eterį. Šiame įrenginyje sklinda du šviesos pluoštai. Pirmasis eina pirmyn ir atgal lygiagrečiai vektoriui v, antrasis eina stačiu kampu greičio vektoriui v. Pagal klasikinė teorijašviesos kelio pokyčiai, kuriuos sukelia greitis v, turi skirtis išilginei ir skersinei sijai. Tai turėtų sukelti pastebimą trukdžių pakraščių poslinkį. …
Kai prietaisas juda dideliu greičiu v per eterį šviesoje turėtų būti toks pat efektas kaip ir su valties judėjimas, plaukiojantis aukštyn ir žemyn upe, taip pat pirmyn ir atgal per upelį. Laikas, reikalingas įveikti atstumą pirmyn ir atgal, abiem atvejais skirsis. Tai nesunku suprasti iš toliau pateikto svarstymo. Nepriklausomai nuo upės srovės greičio, valtis visada turės grįžti į vietą, iš kurios ji pradėjo, jei tik juda per upelį upės. Jei valtis juda palei upelį, tada plaukdamas prieš srovę jis gali nebepasiekti tos vietos, kur prasidėjo.
Bandžiau atlikti eksperimentą Helmholtzo laboratorijoje Berlyne, tačiau miesto greitkelių vibracijos neleido stabilizuoti trukdžių pakraščių padėties. Įranga buvo perkelta į laboratoriją Potsdame. Pamiršau režisieriaus pavardę (manau, kad tai buvo Vogelis), bet su malonumu prisimenu, kad jis iš karto susidomėjo mano eksperimentu. Ir nors jis niekada manęs nebuvo matęs, visą laboratoriją kartu su jos darbuotojais jis atidavė man. Potsdame gavau nulinį rezultatą. Tikslumas nebuvo labai geras, nes optinio kelio ilgis buvo apie 1 m. Tačiau įdomu tai, kad rezultatas buvo gana geras.
Kai grįžau į Ameriką, man teko laimė pradėti bendradarbiauti su profesoriumi Morley Klivlande. Įrenginyje buvo taikomas toks pat principas kaip ir Berlyne naudotame įrenginyje. Tiesa, šviesos kelio ilgis buvo padidintas įvedant daugybę atspindžių, o ne vieną pluošto praėjimą. Tiesą sakant, kelio ilgis buvo 10–11 m, o tai dėl Žemės orbitinio judėjimo per eterį turėjo duoti pusės juostos poslinkį. Tačiau laukiamo poslinkio rasti nepavyko. Nustatyta, kad pakraščio poslinkis yra mažesnis nei 1/20 ar net 1/40 to, ką numato teorija. Šį rezultatą galima interpretuoti taip, kad Žemė beveik visiškai užfiksuoja eterį, todėl santykinis eterio ir Žemės greitis jo paviršiuje yra lygus nuliui arba labai mažas.
Tačiau ši prielaida yra labai abejotina, nes ji prieštarauja kitai svarbiai teorinei sąlygai. Lorentzas pasiūlė kitą paaiškinimą ( Lorentzo susitraukimas), kurią galutine forma jis išvedė dėl žinomo Lorenco transformacijos. Jie yra visumos esmė Reliatyvumo teorija» .
Šiame fragmente Michelsonas atspindėjo pagrindinius formavimo etapus specialusis reliatyvumas. Kaip matome, eterinio vėjo aptikimo eksperimento neteisingumas išplaukia iš dviejų klaidingų prielaidų. Visų pirma, eksperimento autorius klaidingai manė, kad pasaulio aplinkos medžiaga ir medžiaga, iš kurios „pagaminta“ Žemė, skiriasi. Štai kodėl planetos paviršiuje turi būti stebimas eterinis vėjas, kai jis sukasi aplink Saulę. Antroji klaida kilo dėl klaidingos analogijos tarp valčių judėjimo upe ir spindulių kelio interferometre, apie kurią buvo kalbama ankstesnio poskyrio pabaigoje.
Augustino Jeano Fresnelio (1788–1827) teorija, sukurta sėkmingai interpretavus Arago 1810 m. eksperimentą, skirtą matuoti šviesos greitį judančiame objektyve, naudojant šią koncepciją. dalinis eterio įtraukimas paaiškino ir Fizeau eksperimento trukdžių modelio nekintamumą. Lygiai taip pat reikėjo rasti konkrečią trukdžių modelio nekintamumo priežastį Michelsono-Morley eksperimente. Lorentzas, kuris glaudžiai bendradarbiavo su Michelsonu, pasiūlė sumažinti fizinių kūnų linijinius matmenis vektoriaus kryptimi. v, kuris, kaip jam atrodė, atsirado dėl jo rastų transformacijų. Tačiau šios perteklinės transformacijos turėjo fizinę reikšmę, ypač aiškinant Einšteino reliatyvumo teorijos versiją.
Tikroji neigiamo rezultato priežastis slypi kitur, o jos reikšmė yra tokia. Jei bangos šaltinis yra toje pačioje judančioje platformoje kaip ir imtuvas, tai dėl to kompensacija bangos ilgis, dažnis ir svyravimų periodas išliks tokie patys kaip ir stacionariai platformai. Šią platformą galite pasukti bet kokiu kampu jos poslinkio vektoriaus atžvilgiu – vis dėlto trukdžių modelis išliks nepakitęs, nes kompensavimo mechanizmas veiks ir šiuo atveju. Šis argumentas jau buvo paminėtas, bet jis toks svarbus, kad jo nereikalingas priminimas nepakenktų, ypač reliatyvistams.
Žemės judėjimas aplink Saulę ir per eterį. 
Eksperimentinės sąrankos schema 
Eksperimentinės sąrankos iliustracija Michelsono eksperimentai- fizikinių eksperimentų klasė, tirianti šviesos sklidimo greičio priklausomybę nuo krypties. Šiuo metu (2011 m.) eksperimentų tikslumas leidžia rasti santykinius šviesos greičio izotropijos nuokrypius 10−16 vienetais, tačiau šiame lygyje nuokrypių nerasta. Michelsono eksperimentai yra empirinis šviesos greičio nekintamumo principo, įtraukto į bendrąją reliatyvumo teoriją (GR) ir specialiąją reliatyvumo teoriją (SRT), pagrindas.
teorija
Apskaičiuokite bendrą laiką t 1 (\displaystyle t_(1)) naudodami dviejų kelių kartų sumą:
T 1 = L 1 c + v + L 1 c − v = (\displaystyle t_(1)=(\frac (L_(1))(c+v))+(\frac (L_(1))(c-v ))=) 2 c L 1 c 2 − v 2 = 2 L 1 c 1 1 − v 2 c 2 ≈ 2 L 1 c (1 + v 2 c 2) (\displaystyle (\frac (2cL_(1))) (c^(2)-v^(2)))=(\frac (2L_(1))(c))(\frac (1)(1-(\frac (v^(2))(c^ (2)))))\apytiksliai (\frac (2L_(1))(c))\left(1+(\frac (v^(2))(c^(2)))\right))
Apytikslis rezultatas yra dėl to, kad (v 2 / c 2) 1 (\displaystyle (v^(2)/c^(2))), kai imamas greitis v (\displaystyle v), kuris yra toks pat kaip žemė.
Eterio greitis c = ∥ v + v 1 ∥ (\displaystyle c=\|\mathbf (v) +\mathbf (v_(1)) \|) ir v 1 = ∥ v 1 ∥ (\displaystyle v_(1) =\|\mathbf (v_(1)) \|) - bangos greitis veidrodžio kryptimi.
C = ∥ v + v 1 ∥ = v 2 + v 1 2 (\displaystyle c=\|\mathbf (v) +\mathbf (v_(1)) \|=(\sqrt (v^(2)+v_ (1)^(2)))) ; iš to išplaukia, kad: 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))))))
Atsižvelgdami į simetriją, dabar galime apskaičiuoti:
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))))))\apytiksliai (\frac (2L_(2))(c))\left( 1+(\frac (v^(2))(2c^(2)))\right))
Fazių skirtumas yra proporcingas:
δ = c (t 2 − t 1) = 2 (L 2 1 − v 2 c 2 − L 1 1 − v 2 c 2) (\displaystyle \delta =c(t_(2)-t_(1))= 2\left(((\frac (L_(2))(\sqrt (1-(\frac (v^(2)))(c^(2))))))-(\frac (L_(1)) )(1-(\frac (v^(2))(c^(2))))))\right))
S = | δ + δ′ | (\displaystyle S=|\delta +\delta ^(")|) , kur δ ′ (\displaystyle \delta ^(")) yra proporcingas fazių skirtumui, kai pasukamas π 2 (\displaystyle (\frac (\) pi )( 2))) :
S = | 2 L 1 (1 1 − v 2 c 2 − 1 1 − v 2 c 2) + (\displaystyle S=|2L_(1)\left(((\frac (1)(\sqrt (1-(\frac) (v^(2))(c^(2))))))-(\frac (1)(1-(\frac (v^(2))(c^(2)))))) dešinėje)+) 2 L 2 (1 1 − v 2 c 2 − 1 1 − v 2 c 2) | ≈ (L 1 + L 2) v 2 c 2 (\displaystyle 2L_(2)\left(((\frac (1)(\sqrt (1-(\frac (v^(2)))(c^(2) ))))))-(\frac (1)(1-(\frac (v^(2))(c^(2))))))\right)|\apytiksliai (L_(1)+L_ (2))(\frac (v^(2))(c^(2))))
Buvo įrodyta, kad eterio teorija reiškia skirtumą, kurį galima kiekybiškai įvertinti ir aptikti tinkamomis priemonėmis (Michelson-Morley interferometru).
Istorija
fone
Pagrindinis straipsnis: Eteris (fizika)Šviesos sklidimo kaip ypatingos terpės – šviečiančio eterio – virpesių teorija atsirado XVII a. 1727 metais anglų astronomas Jamesas Bradley savo pagalba paaiškino šviesos aberaciją. Buvo manoma, kad eteris buvo nejudantis, tačiau po Fizeau eksperimentų atsirado prielaida, kad eteris iš dalies arba visiškai įtrauktas į materijos judėjimą.
1864 metais Jamesas Maxwellas atliko eksperimentą, kuriuo siekė nustatyti Žemės greitį eterio atžvilgiu, tačiau vėliau aptiko klaidą savo skaičiavimuose ir rezultatų nepaskelbė. Prieš pat mirtį, 1879 m., šia tema jis parašė laišką draugui, kuris po mirties buvo paskelbtas žurnale Nature. 1871–1872 metais Airy atliko eilę tikslių eksperimentų su astronominiu šviesos šaltiniu, iš jų padarydamas išvadą, kad Žemės orbitinis judėjimas visiškai įtraukia eterį.
Michelsono eksperimentai
Minėta Maksvelo laiško publikacija sudomino amerikiečių fiziką Albertą Michelsoną. Apie 1880 metus jis išrado išskirtinio tikslumo optinį instrumentą, kurį pavadino interferometru. Pirmojo eksperimento (1881 m.) tikslas buvo išmatuoti šviesos greičio priklausomybę nuo Žemės judėjimo eterio atžvilgiu. Pirmojo eksperimento rezultatas buvo neigiamas – juostų poslinkiai nesutampa su teoriniais, o šių poslinkių svyravimai yra tik šiek tiek mažesni nei teorinių. Straipsnis apie eksperimento rezultatus sulaukė kritikos iš pirmaujančio fiziko teorinio Hendriko Lorentzo, kuris atkreipė dėmesį į tai, kad eksperimento teorinis tikslumas buvo pervertintas.
Vėliau, 1887 m., Michelsonas kartu su Morley atliko panašų, bet daug tikslesnį eksperimentą, žinomą kaip Michelson-Morley eksperimentas ir parodo, kad pastebėtas poslinkis tikrai yra mažesnis nei 1/20 teorinio ir tikriausiai mažesnis nei 1/40. Neįtempto eterio teorijoje poslinkis turi būti proporcingas greičio kvadratui, todėl rezultatai yra lygiaverčiai faktui, kad santykinis Žemės greitis eteryje yra mažesnis nei 1/6 jos orbitos greičio ir tikrai mažesnis. nei 1/4.
Šių rezultatų įtakoje George'as Fitzgeraldas ir Lorentzas iškėlė hipotezę apie materialių kūnų susitraukimą judėjimo kryptimi nejudančiame ir neįtemptame eteryje (1889).
Millerio eksperimentai
Pasak profesoriaus Daytono K. Millerio (Caesian School of Applied Sciences):
Galima daryti prielaidą, kad eksperimentas tik parodė, kad eteris tam tikroje rūsio patalpoje yra nešamas kartu su juo išilgine kryptimi. Todėl ketiname perkelti aparatą į kalvą, kad pamatytume, ar ten yra efektas. šaltinis nepatikslintas 1066 dienos]
K. Milleris ir profesorius Morley sukūrė jautresnį interferometrą nei naudotas pirmame eksperimente, kurio optinio kelio ilgis yra 65,3 m, atitinkantis apie 130 milijonų bangų ilgių. K. Milleris tikėjosi pamatyti 1,1 juostos poslinkį.
1905 metų rudenį Morley ir Milleris atliko eksperimentą Euklido aukštumose Klivlande, maždaug 90 metrų virš Erie ežero ir apie 265 metrų virš jūros lygio. 1905-1906 metais. buvo atliktos penkios stebėjimų serijos, kurios davė tam tikrą teigiamą efektą – apie 1/10 numatomo dreifo.
1921 metų kovo mėnesį metodika ir aparatūra buvo kiek pakeista ir gautas 10 km/s „eterio vėjo“ rezultatas. Rezultatai buvo kruopščiai patikrinti galimas pašalinimas klaidos, susijusios su magnetostrikcija ir šilumine spinduliuote. Aparato sukimosi kryptis neturėjo įtakos eksperimento rezultatui.
Vėlesni D. Millerio gautų rezultatų tyrimai parodė, kad jo pastebėti svyravimai, interpretuojami kaip „eterinio vėjo“ buvimas, yra statistinių klaidų ir temperatūros poveikio nepaisymo rezultatas.
Kennedy eksperimentai
Dr. Roy'us Kennedy (Kalifornijos technologijos institutas), paskelbęs Morley-Miller eksperimento rezultatus, patikrinimo tikslais pakeičia eksperimentą. Interferometras dedamas į sandarų metalinį korpusą, pripildytą 1 atm slėgio helio. Naudojant prietaisą, galintį atskirti labai mažus trukdžių modelio poslinkius, tapo įmanoma sumažinti svirties dydį iki 4 m. Siekiant kuo labiau pašalinti šviesos sklaidą ant veidrodžių, buvo naudojama poliarizuota šviesa. Eksperimento tikslumas atitiko juostų poslinkį 2·10−3 jų pločio. Šiame aparate Millero 10 km/s duotų poslinkį, atitinkantį 8 x 10–3 žalios bangos ilgius, keturis kartus didesnę už mažiausią aptinkamą vertę. Eksperimentas buvo atliktas Norman Bridge laboratorijoje, patalpoje su pastovia temperatūra, skirtingu paros metu. Norint patikrinti eterinio vėjo greičio priklausomybę nuo reljefo aukščio, buvo atlikti eksperimentai ir Vilsono kalne, observatorijos pastate. Paaiškėjo, kad eterinio vėjo poveikis neviršija 1 km/s.
Dabar norėčiau pateikti keletą pastabų apie Millerio eksperimentą. Manau, kad yra rimta problema, susijusi su efektu, kuris yra periodiškas visiškam aparato apsisukimui ir kurį atmetė Milleris, akcentuodamas pusės periodo efekto, t. y. pasikartojimo per pusę apsisukimo, reikšmę. aparatas ir susijęs su eterinio vėjo klausimu. Daugeliu atvejų viso ciklo efektas yra daug didesnis nei pusės ciklo efektas. Pasak Millerio, bendras periodo efektas priklauso nuo juostų pločio ir bus lygus nuliui neriboto pločio juostoms.
Nors Milleris teigia, kad atlikdamas matavimus Klivlende jam pavyko didžiąja dalimi pašalinti šį poveikį, ir tai galima lengvai paaiškinti eksperimentu, norėčiau aiškiau suprasti to priežastis. Šiuo metu kalbėdamas kaip reliatyvistas, turiu pasakyti, kad tokio efekto apskritai nėra. Iš tiesų, viso aparato, įskaitant šviesos šaltinį, sukimasis neduoda jokio poslinkio reliatyvumo teorijos požiūriu. Neturėtų būti jokio poveikio, kai Žemė ir laivas ilsisi. Anot Einšteino, tokį patį efekto trūkumą reikėtų pastebėti ir judančioje Žemėje. Taigi bendras laikotarpio efektas prieštarauja reliatyvumo teorijai ir yra labai svarbus. Jei Milleris tada atrado sisteminius efektus, kurių egzistavimo negalima paneigti, taip pat svarbu žinoti viso periodo efekto priežastį.
Michelsono ir Gal eksperimentai
Michelson-Gal eksperimento schema 1925 m. Michelsonas ir Gaelis buvo paguldyti ant žemės Kliringe Ilinojaus valstijoje. vandens vamzdžiai stačiakampio pavidalu. Vamzdžio skersmuo 30 cm Vamzdžiai AF ir DE buvo nukreipti tiksliai iš vakarų į rytus, EF, DA ir CB - iš šiaurės į pietus. DE ir AF ilgiai buvo 613 m; EF, DA ir CB - 339,5 m Vienas bendras siurblys, veikiantis tris valandas, gali išpumpuoti orą iki 1 cmHg slėgio. Siekdamas nustatyti poslinkį, Michelsonas teleskopo lauke lygina trukdžių pakraščius, gautus apibėgant didelius ir mažus kontūrus. Vienas šviesos spindulys judėjo pagal laikrodžio rodyklę, kitas prieš. Žemės sukimosi sukeltą juostų poslinkį skirtingi žmonės fiksavo skirtingomis dienomis visiškai perstatę veidrodžius. Iš viso atlikti 269 matavimai. Teoriškai, darant prielaidą, kad eteris yra nejudantis, reikėtų tikėtis juostos poslinkio 0,236±0,002. Apdorojant stebėjimo duomenis, buvo 0,230±0,005 paklaida, taip patvirtinant Sagnac efekto egzistavimą ir mastą.
S. I. Vavilovas straipsnyje „Eksperimentiniai reliatyvumo teorijos pagrindai“ šį efektą paaiškina taip:
Sagnaco ir Michelson-Gal sukimosi eksperimentai reliatyvumo teorijoje (specialiojoje ir bendrojoje) paaiškinami beveik taip pat, kaip ir galimybė nustatyti sukimosi judesį iš išcentrinių jėgų apraiškų mechanikoje. Tai natūrali reliatyvumo teorijos pasekmė, nepridedanti nieko naujo.
Šiuolaikinės galimybės
1958 metais Kolumbijos universitete (JAV) buvo atliktas dar tikslesnis eksperimentas naudojant priešingus dviejų mazerių pluoštus, kurie parodė dažnio nekintamumą nuo Žemės judėjimo maždaug 10–9% tikslumu.
Dar tikslesni matavimai 1974 metais padidino jautrumą iki 0,025 m/s. Šiuolaikinėse Michelsono eksperimento versijose naudojami optiniai ir kriogeniniai [ išaiškinti] mikrobangų rezonatoriai ir leidžia nustatyti šviesos greičio nuokrypį, jei jis būtų keli vienetai per 10−16.
/ Naujas aplankas_2 / Šviesos greičio nustatymas (2)
ŠVIESOS GREIČIO NUSTATYMO ISTORIJA
Šviesos greitis laisvoje erdvėje (vakuumas) yra bet kokių elektromagnetinių bangų, įskaitant šviesos bangas, sklidimo greitis. Tai rodo ribinį bet kokių fizinių poveikių sklidimo greitį ir yra nekintamas pereinant iš vienos atskaitos sistemos į kitą.
Šviesos greitis terpėje priklauso nuo terpės lūžio rodiklio n, kuris skirtingiems spinduliavimo dažniams yra skirtingas: с’() = c/n(). Ši priklausomybė lemia skirtumą tarp grupės greičio ir šviesos fazinio greičio terpėje, jei nekalbame apie monochromatinę šviesą (šviesos greičiui vakuume šie dydžiai yra vienodi. Eksperimentiškai nustatant c ', visada išmatuokite grupės šviesos greitis.
Pirmą kartą šviesos greitį 1676 metais nustatė O. K. Römeris, keisdamas laiko intervalus tarp Jupiterio palydovų užtemimų. 1728 m. jį nustatė J. Bradley, remdamasis savo stebėjimais apie žvaigždžių šviesos aberaciją. 1849 m. A. I. L. Fizeau pirmasis išmatavo šviesos greitį pagal laiką, per kurį šviesa nukeliauja tiksliai žinomą atstumą (bazę), kadangi oro lūžio rodiklis labai mažai skiriasi nuo 1, o antžeminiai matavimai suteikia vertę. labai arti greičio.
Fizeau eksperimento metu šviesos spindulys iš šviesos šaltinio S, atspindėtas pusiau permatomo veidrodžio 3, buvo periodiškai pertrauktas besisukančio dantyto disko 2, pralenkė pagrindą 4-1 (apie 8 km) ir, atsispindėjęs nuo veidrodžio 1, grįžo atgal. į diską. Užlipus ant šakės, šviesa nepasiekė stebėtojo, bet pataikė į
tarpą tarp dantų buvo galima stebėti per okuliarą 4. Iš žinomų disko sukimosi greičių buvo nustatytas laikas, per kurį šviesa praeina per pagrindą. Fizeau gavo vertę c = 313300 km/s.
1862 m. J. B. L. Foucault įgyvendino D. Argo idėją, išsakytą 1838 m., vietoj dantyto disko panaudodamas greitai besisukantį veidrodį (512 apsisukimų per sekundę). Atsispindėdamas nuo veidrodžio, šviesos spindulys buvo nukreiptas į pagrindą ir grįžęs vėl nukrito ant to paties veidrodžio, kuris spėjo pasisukti nedideliu kampu. Foucault, kurio bazė yra tik 20 m, nustatė, kad šviesos greitis yra 298 000 500 km/s. Fizeau ir Foucault metodų schemos ir pagrindinės idėjos buvo ne kartą naudojamos vėlesniuose šviesos greičio nustatymo darbuose.
Šviesos greičio nustatymas besisukančio veidrodžio metodu (Foucault metodas): S – šviesos šaltinis; R yra greitai besisukantis veidrodis; C yra fiksuotas įgaubtas veidrodis, kurio centras sutampa su sukimosi ašimi R (todėl C atspindima šviesa visada atsitrenkia į R atgal); M yra pusiau permatomas veidrodis; L - objektyvas; E - okuliaras; RC – tiksliai išmatuotas atstumas (bazė). Taškinė linija rodo padėtį R, kuri pasikeitė per laiką, kai šviesa keliauja keliu RC ir atgal, ir spindulių pluošto grįžtamąjį kelią per objektyvą L, kuris surenka atspindėtą spindulį taške S', o ne taške S, kaip būtų su fiksuotu veidrodžiu R. Šviesos greitis nustatomas matuojant poslinkį SS'.
A. Michelsono 1926 metais gauta reikšmė c = 299796 4 km/s tada buvo pati tiksliausia ir buvo įtraukta į tarptautines fizikinių dydžių lenteles.
Šviesos greičio matavimas XIX amžiuje suvaidino didelį vaidmenį fizikoje, dar labiau patvirtindamas šviesos bangų teoriją. Foucault to paties dažnio šviesos greičio ore ir vandenyje palyginimas 1850 m. parodė, kad greitis vandenyje yra u = c/n(), pagal bangų teorijos prognozę. Taip pat nustatytas optikos ryšys su elektromagnetizmo teorija: išmatuotas šviesos greitis sutapo su elektromagnetinių bangų greičiu, apskaičiuotu iš elektromagnetinių ir elektrostatinių elektros krūvio vienetų santykio.
Šiuolaikiniuose šviesos greičio matavimuose naudojamas modernizuotas Fizeau metodas, kai krumpliaratis pakeičiamas trukdžiu ar kokiu kitu šviesos moduliatoriumi, kuris visiškai nutraukia arba slopina šviesos spindulį. Spinduliuotės imtuvas yra fotoelementas arba fotoelektrinis daugiklis. Naudojant lazerį kaip šviesos šaltinį, ultragarso moduliatorių su stabilizuotu dažniu ir padidinus bazinio ilgio matavimo tikslumą, bus sumažintos matavimo paklaidos ir gauta reikšmė c = 299792,5 0,15 km/s. Be tiesioginių šviesos greičio matavimų nuo žinomos bazės praėjimo momento, plačiai naudojami netiesioginiai metodai, kurie suteikia didesnį tikslumą.
Tiksliausias dydžio c matavimas yra nepaprastai svarbus ne tik bendrai teoriškai ir nustatant kitų fizikinių dydžių vertes, bet ir praktiniais tikslais. Ypač jiems. Tai apima atstumų nustatymą radijo ar šviesos signalų praėjimo metu radaru, optinę vietą, šviesos diapazoną ir kt.
Michelsonas ir šviesos greitis
Nelabai dažnai į septintą dešimtį įkopusiam vyrui tenka grįžti prie jaunystėje dirbto darbo, kad pabandytų išgryninti jau labai tikslių ir patikimų tyrimų rezultatus, nes visi tiki, kad niekas kitas geriau už jį to padaryti negali. Michelsonui atsivėrė tokia pavydėtina galimybė.
1923 m. Džordžas Ellery Halas, Mount Wilson observatorijos direktorius, pakvietė Michelsoną atvykti į Pasadeną ir naujai nustatyti šviesos greitį. Michelsonas su entuziazmu priėmė jo pasiūlymą. Jis ilgai laukė progos patikslinti savo garsiojo 1882 m. matavimo rezultatus. Jis greitai susikrovė daiktus ir išvyko į Kaliforniją, kur Vilsono kalno papėdėje įkūrė savo būstinę.
Eksperimento paruošimas buvo atliktas labai atsargiai. Dviem instaliacijoms parinkta vieta. Vienas jų buvo jam jau pažįstamo Vilsono kalno viršūnėje, o kitas – San Antonijaus kalno viršūnėje, žinomo „Senojo nuplikimo“ slapyvardžiu, 5800 m aukštyje virš jūros lygio ir per atstumą. 35 km nuo Vilsono kalno. Jungtinių Valstijų pakrantės ir geodezinių tyrimų tarnybai buvo pavesta tiksliai išmatuoti atstumą tarp dviejų atspindinčių plokštumų – besisukančio prizminio veidrodžio Vilsono kalne ir fiksuoto veidrodžio San Antonijuje. Galima paklaida matuojant atstumą buvo viena septyni milijonoji dalis arba centimetro dalis 35 km. Sukamą prizmę iš nikeliuoto plieno su aštuoniais veidrodiniais paviršiais, nupoliruotus 1 dalies iš milijono tikslumu, eksperimentui pagamino Bruklino įmonė „Sperry Gyroscope Company“, kurios prezidentas inžinierius išradėjas Elmeris A. Sperry buvo Michelsono draugas. Be to, buvo pagamintos dar kelios stiklo ir plieno prizmės. Aštuonkampis greitaeigis rotorius padarė iki 528 apsisukimų per sekundę. Jį paleido oro čiurkšlė, o jo greitis, kaip ir ankstesniuose eksperimentuose, buvo reguliuojamas elektriniu kamertonu. (Katono šakutę muzikantai naudoja ne tik aukščio nustatymui. Juo galima labai tiksliai nustatyti trumpus vienodus laiko tarpus. Galima sukurti tinkamo dažnio instrumentą, kuris veikiamas elektros srovės vibruoti kaip elektros varpas.)
Sperry taip pat pasiūlė savo draugui patobulintą aukšto lanko prožektorių, kurį jis prieš pat kariniams tikslams pastatė. Prožektoriui vadovavęs inžinierius Prestonas R. Bassettas, vėliau tapęs įmonės prezidentu, šiam eksperimentui sukūrė specialų lankinės lempos mechanizmą ir 1924 metų vasarą pats nuvežė į Kaliforniją. Fredas Pearsonas atvyko iš Čikagos dalyvauti eksperimente.
Naujas šviesos greičio matavimas
Michelsonas, kaip kapitonas ant laivo tiltelio, entuziastingai vadovavo pasiruošimui operacijai, gilinosi į kiekvieną smulkmeną. Buvo imtasi visų įmanomų atsargumo priemonių, kad būtų pašalintos arba sumažintos klaidos. Išmoktas pasaulis su susidomėjimu stebėjo pasiruošimą. Galiausiai viskas buvo paruošta, o šviesa iš lankinės lempos buvo nukreipta į veidrodį San Antonijuje ir atsispindėjo besisukančioje prizmėje ant Vilsono kalno (12 pav.). Matavimai buvo atliekami kiekvieną giedrą naktį nuo dešimtos valandos vakaro iki vidurnakčio, o kiekviena stebėjimų serija truko kelias savaites. Matavimai buvo gaunami kasdien Michelsono būstinėje Pasadenoje.
Ryžiai. 12. Michelsono atlikti jo instaliacijos patobulinimai.Principas liko toks pat (pagrindinis pakeitimas – padidinti šviesos pluošto kelią).
Nuo 1924 m. iki 1927 m. pradžios buvo atliktos penkios nepriklausomos stebėjimų serijos. Vidutinis rezultatas buvo 299 798 km per sekundę.
Tačiau Michelsonas vis tiek nebuvo visiškai patenkintas. Jis tikėjosi, kad padidinus šviesos pluošto kelio ilgį ir perkėlus eksperimentą į kitą vietovę, pavyks gauti dar tikslesnį apibrėžimą. Savo ataskaitoje apie eksperimentą ant San Antonijaus kalno jis rašė: „Matavimų sėkmė 22 mylių atstumu, kurių dauguma buvo atlikti ne pačiomis palankiausiomis sąlygomis (rūkas ir dūmai iš miško gaisrų), rodo pagrįstumą. atlikti eksperimentą daug didesniu atstumu“.
Šiai patirčiai jis pasirinko San Jacinto kalną, esantį 130 km nuo Vilsono kalno. Jis netgi atliko preliminarų testą. Tačiau grįžtant atgal lanko lempos šviesą taip stipriai slopino dūmai ir rūkas, kad šios idėjos teko atsisakyti.
Michelsonas grįžo į Čikagą ir 1928 m. lapkritį išvyko į Vašingtoną, kur vyko jubiliejinė mokslinė konferencija Nacionaliniame standartų biure. Ją sušaukė Amerikos optikos draugija, minint penkiasdešimtąsias pirmojo Michelsono darbo apie šviesos greitį (1878 m.) paskelbimo metines ir pripažindama didelį jo indėlį į optikos sritį. Ši konferencija neoficialiai vadinosi „Mišelsono konferencija“, o pats Michelsonas, žinoma, buvo garbingas jos svečias.
Paskutinis bandymas
AT kitais metais Michelsonas, kuriam tuo metu buvo septyniasdešimt septyneri, patyrė sunkų smegenų kraujavimą. Jis išėjo į pensiją iš universiteto, daug piešė ir vaikščiojo, bandydamas atkurti silpną sveikatą. Tai nebuvo lengva. Tačiau jis nenustojo svajoti apie sugrįžimą prie šviesos greičio tyrimo; tikėjosi, kad įgavę jėgų priims dar vieną ryžtą. Jis grįžta ten, kur pradėjo daugiau nei prieš penkiasdešimt metų. Jis puoselėjo idėją atsikratyti trukdžių rūko, dūmų ir net skaidriausios atmosferos pavidalu. Jis norėjo sukurti eksperimentą taip, kad spindulys praeitų per tuštumą, jei įmanoma, per beveik absoliutų vakuumą.
Ir tada Michelsonas vėl gavo kvietimą į Pasadeną. „Halas pasakė, kad Vilsono kalnas ir Caltech buvo mano žinioje“, – sakė jis. „Gunda buvo per didelė. Aš nuėjau." Jis buvo aprūpintas visais reikalingais įrankiais ir įranga. Rokfelerio fondas eksperimentui skyrė 30 000 USD, „Carnegie Corporation“ – 27 500 USD, o Čikagos universitetas – 10 000 USD.
Epinės patirties vieta buvo Irvine Ranch netoli Santa Ana, Pietų Kalifornijoje. Jungtinių Valstijų pakrančių ir geodezinių tyrimų tarnybai vėl buvo pavesta išmatuoti atstumą. Milžiniški vamzdžiai buvo valcuoti iš gofruoto plieno lakštų. Jas sudarė 18 metrų ilgio, maždaug metro skersmens, kniedytų dalių. Rezultatas buvo daugiau nei 1,5 km ilgio vamzdis. Ji kainavo 50 tūkstančių dolerių. Į jį buvo galima patekti per keturis liukus – du vamzdžio galuose ir du pagrindinėje vamzdžio dalyje. „Sperry Giroscope Company“ vėl gamino besisukančius plieninius veidrodžius – su 8, 16 ir 32 briaunomis. Be to, iš pirmos klasės optinio stiklo buvo pagamintas 32 pusių veidrodis.
Vamzdis buvo lituojamas ir iš jo specialiais siurbliais buvo pumpuojamas oras kelias dienas ir naktis iš eilės, kol slėgis vamzdyje nukrito iki 0,5 mm Hg. Art. (normalus slėgis yra 760 mm Hg). Šviesos šaltinis buvo lankinė lempa. Pakartotinai atsispindėjusi šviesa turėjo nukeliauti apie 16 km kelią. Pirmą kartą istorijoje šviesos greitis buvo matuojamas beveik absoliučiame vakuume.
Tuo tarpu Michelsono sveikata paliko daug norimų rezultatų. Jis niekada negalėjo tiek atsigauti, kad galėtų atlikti matavimus savo rankomis. Juos tvarkė Francisas G. Pease'as ir Fredas Pearsonas; jie taip pat sujungė rezultatus. 1930 m. ir 1931 m. pradžioje buvo atlikta šimtai stebėjimų. Michelsonas prižiūrėjo darbą, gulėdamas lovoje. Vienas jis niekada nebūtų susidorojęs su retkarčiais kylančiomis problemomis, kurias reikia nedelsiant išspręsti. Kiekvieną kartą, kai įrangai kažkas nutikdavo, į vamzdį turėdavai įleisti oro, kad galėtum įeiti ir pataisyti žalą. Ir tada reikėjo laukti keturiasdešimt aštuonias valandas, kol siurbliai vėl išpumpuos orą. Karščio bangos iškreipė šviesos vaizdą, todėl didžiąją dalį darbų teko atlikti naktį, atvėsus.
1931 m. pradžioje, kai darbas dar toli gražu nebuvo baigtas, o Michelsonas tarsi atsigavo nuo ligos padarinių, Pasadenoje buvo surengta mokslinė konferencija, kurioje dalyvavo Einšteinas ir daug žymių mokslininkų iš įvairių šalių. Sausio 15 dieną daktaro Einšteino ir jo žmonos garbei turėjo būti surengtas pokylis. Žinoma, buvo pakviestas ir Michelsonas. Tada jis jautėsi pakankamai gerai ir labai džiaugėsi galėdamas dalyvauti šiame iškilmingame susitikime, kuris vyko naujai pastatytame didingame Athenium pastate.
Einšteinas pasakė trumpą kalbą. Šalia jo sėdėjo didžiausi mokslininkai – Michelsonas, Millikenas, Halas ir kiti. „Džiaugiuosi galėdamas būti tų, kurie daugelį metų buvo mano ištikimi bendražygiai mano darbe, – pradėjo Einšteinas. Tada, atsigręžęs į Michelsoną, tęsė: „Jūs, gerbiamas daktare Michelsonai, pradėjote tyrinėti, kai aš dar buvau berniukas. Savo nuostabiais eksperimentais atvėrėte naujus kelius fizikams ir atvėrėte kelią reliatyvumo teorijai. Jūs atskleidėte eterinės šviesos teorijos klaidingumą ir paskatinote Lorentzo ir Fitzgeraldo idėjas, iš kurių išsivystė specialioji reliatyvumo teorija. Be jūsų darbo ši teorija vis tiek būtų tik įdomus spėjimas; ji gavo pirmąjį tikrąjį patvirtinimą jūsų eksperimentuose.
Michelsonas buvo labai sujaudintas. Tai buvo didžiausias pagyrimas. Jis atsistojo ir padėkojo už tokį dosnų jo nuopelnų įvertinimą. Michelsonas retai sakydavo kalbas, o kai sakydavo, visada kalbėdavo trumpai ir tiksliai. Ir šį kartą jis nepasikeitė. Jis padėkojo Einšteinui savo vardu ir velionio bendradarbio Edwardo Morley, kuris mirė prieš aštuonerius metus, vardu. Michelsonas niekada nepamiršo pagerbti savo darbuotojų ir padėjėjų.
Tai buvo paskutinis Michelsono pasirodymas viešumoje. Jis bandė grįžti į darbą, tačiau kovo 1 dieną negalėjo pakilti iš lovos. Prasidėjo laipsniškas paralyžius ir jis pradėjo greitai silpti. Tuo tarpu iš Santa Anos gaudavo vis daugiau naujų duomenų. Sukaupęs paskutines jėgas, Michelsonas lėtai, bet aiškiai padiktavo Pizui straipsnio įvadą, kuris turėjo apibendrinti galutinius eksperimentų rezultatus. Šis dokumentas turėjo būti išsiųstas Astrophysical Journal publikuoti.
Michelsono būklė ir toliau blogėjo, tačiau jis atsisakė pripažinti, kad sunkiai serga. „Mano sveikata gerėja“, – optimistiškai rašė jis likus keturiasdešimt aštuonioms valandoms iki sąmonės netekimo. Netoli jo buvo jo žmona, viena iš dukterų ir dvi slaugės. Prie jų prisijungė Pease'as ir Pearsonas. 1931 m. gegužės 9 d., būdamas dvylikos penkiasdešimt penkių minučių, Michelsonas tyliai mirė, neatgavęs sąmonės.
Vietos junionistų-liberalų bažnyčios klebonas savo namuose tarnavo labai kukliai ir trumpai. Michelsono našlės prašymu žinia apie jo mirtį spaudoje pasirodė tik po laidotuvių. Laidotuvėse dalyvavo Michelsono žmona Edna, trys jų dukterys – Madeleine, Dorothy ir Beatričė – bei keletas kitų giminaičių ir artimiausių draugų. Millikanas, Halas ir Hablas nešė karstą į katafalką. Kūnas, pagal Michelsono pageidavimą, buvo kremuotas, o pelenai išbarstyti vėjui.
Viso pasaulio mokslininkai džiaugėsi jo nuopelnais mokslui. Einšteinas sužinojo apie Michelsono mirtį Anglijoje, kur buvo dėstytojas Oksforde. „Daktaras Michelsonas buvo vienas didžiausių menininkų mokslinių eksperimentų pasaulyje“, – sakė jis.
Trys artimiausi Michelsono bendražygiai Čikagos universitete Forestas R. Moultonas, Henry J. Gale'as ir Harvey B. Lemonas, pažinoję jį ketvirtį amžiaus, nekrologe rašė:
„Jo gyvenimas buvo puikus ryžto pavyzdys, nepavaldus likimo peripetijų. Atrodė, kad net meilės, neapykantos, pavydo, pavydo, tuštybės jėgos jo beveik nepalietė. Pasinėręs į mokslinius tyrimus, apskritai buvo gana abejingas žmonėms, tačiau vis dėlto turėjo atsidavusių draugų, kurių draugystę rūpestingai išlaikė... Pagrindinis jo gyvenimo turinys ir tikslas buvo moksliniai užsiėmimai, estetinis malonumas, gaunamas iš darbo... Paskubėk, šurmulys jam buvo svetimas. Jo neįkarščiavo mintis, kad atėjo lemiamas momentas nei mokslui, nei visai žmonijai. Jis nedrebėjo, stovėdamas ant didelio atradimo slenksčio...
Jis buvo švelnus, ramus ir neturintis jokio meilės, kaip jūra saulėtą dieną – giedras, beribis, neišmatuojamas... Tokį charakterį galima pajusti, bet ne analizuoti. Michelsonas niekam neatskleidė savo sielos, tačiau visi suprato, kad jos gelmėse slypi daug kas, kas buvo neprieinama akims. Labai mažai žmonių jį artimai pažinojo“.
Po Michelsono mirties šviesos greičio matavimas daugiau nei 1,5 km ilgio vakuuminiame vamzdyje tęsėsi dar beveik dvejus metus. 1933 m., per Long Byčo žemės drebėjimą, įrenginys buvo sunaikintas, tačiau iki to laiko visi stebėjimai jau buvo baigti. Iš viso buvo atlikti 2885 nustatymai. Vidutinis šviesos greitis vakuume buvo 299 774 km per sekundę. Šis skaičius buvo 24 km mažesnis nei skaičius, nustatytas atliekant eksperimentus dviejų kalnų viršūnėse. Tarptautinė geofizikos ir geodezijos sąjunga ir Tarptautinė radijo mokslo sąjunga nustatė 299 792,5 km per sekundę* šviesos greičio vertę. Šis skaičius patenka į Michelsono apsisprendimo eksperimentinę klaidą.
Straipsnio, kuriame pasakojama apie naujausią Michelsono patirtį, pavadinimas atkartojo jo pirmojo darbo, paskelbto daugiau nei pusę amžiaus anksčiau, pavadinimą, kai jis dar buvo leitenantas Michelsonas. Jis vadinosi „Dėl šviesos greičio matavimo metodo“. Paskutinis darbas, pavadintas „Šviesos greičio matavimas daliniame vakuume“, buvo Michelsono didelio indėlio į mokslą užbaigimas.
Paieškos tęsinys
AT moksliniai tyrimai nėra paskutinio žodžio ar galutinio sprendimo. Jei Michelsonas šiandien aplankytų didžiąsias pasaulio mokslines laboratorijas, jis pastebėtų, kad mokslininkai vis dar grumiasi su tomis pačiomis problemomis, kurias bandė išspręsti jis ir kiti to meto mokslininkai. Mokslinės idėjos, kurios atrodė tvirtai įsitvirtinusios, nuolat griaunamos, keičiamos, plečiamos ar papildomos. Taip atsitiko su Niutono dėsniais, modifikuotais Einšteino. O kaip dėl šviesos greičio – šios konstantos, kurią Michelsonas, atrodytų, kartą ir visiems laikams pagavo? Dėl jos taip pat kyla abejonių. Mokslininkai vėl ir vėl kreipėsi į ją naudodami naujus instrumentus ir naujus metodus. 1939 metais dvi mokslininkų grupės – viena iš Harvardo universiteto, kita – Vokietijoje, naudodamos vadinamąjį elektroninį šviesos užraktą (Kerr cell), gavo kiek skirtingus rezultatus: JAV – 299 798 km/s, o Vokietijoje – 299 799 km/s. . Po dvejų metų Nacionalinio standartų biuro mokslininkai sugalvojo 299 795 km/s. 1951 m. kapitonas Carlas E. Aslaksonas iš JAV pakrančių ir geodezinių tyrimų, bandydamas radaro sistemą, gavo 299 805 km/s vertę. Po trejų metų anglų mokslininkų grupė pakartojo jo rezultatą.
Buvo manoma, kad šviesos greitis vis dar nėra pastovus. Kai kurie mokslininkai teigia, kad jis pasikeitė, nurodydami matavimų, atliktų prieš Antrąjį pasaulinį karą ir po jo su dešimties metų intervalu, rezultatų skirtumą. Tai yra maždaug 16 km per sekundę. Teksaso technikos koledžo profesorius J.H. Rushas mano, kad „nereikėtų to vertinti per daug lengvabūdiškai ir aiškinti neišvengiamomis techninėmis klaidomis“. Rush mano, kad „nauji matmenys gali lemti naują atradimą“. Ir paieškos tęsiasi*.
O kaip dėl eterio problemos? 1899 m. Michelsonas palietė šią problemą savo „Lowell Lectures“. „Tarkime, – pasakė jis, – kad eterio susitraukimas atitinka elektros krūvį, eterio poslinkis į elektros srovę, eterio sūkuriai – į atomus; jei tęsime šias prielaidas, padarysime išvadą, kuri gali būti vienas didžiausių apibendrinimų šiuolaikinis mokslas, – kad visi fizinės Visatos reiškiniai yra tik skirtingos vienos viską prasiskverbiančios substancijos – eterio – įvairių rūšių judėjimo išraiškos. Man atrodo, kad jau ne už kalnų ta diena, kai daugelio, atrodytų, tolimų minčių sričių linijos pagaliau susilies į vieną bendrą plotmę. Tada atomo prigimtis, ir atomų cheminio ryšio prigimtis bei jų sąveika, ir nenutrūkstamasis eteris, deklaruojantis save per šviesą ir elektrą, ir molekulės sandara, ir sanglaudos, elastingumo ir elastingumo paaiškinimas. trauka – visa tai ras savo vietą vientisoje ir nuoseklioje sistemoje. mokslo žinios".
Nuo to laiko praėjo daugiau nei šešiasdešimt metų, tačiau Michelsono pranašystė vis dar neišsipildė. Šviesai ir kitoms elektromagnetinės spinduliuotės rūšims vis dar nereikia laidžios terpės. Eterio idėjos galiausiai atsisakyta, daugiausia dėl Michelsono genialumo.
MICHELSON PATIRTIS yra:
MICHELSON'S EXPERIENCE MICHELSON'S EXPERIENCEpateikė Amer. fizikas A. A. Michelsonas 1881 m., siekdamas išmatuoti Žemės judėjimo įtaką šviesos greičiui. Fizikoje kon. 19-tas amžius buvo daroma prielaida, kad šviesa sklinda tam tikrame universalios pasaulio terpės – eterio – būryje. Tuo pačiu metu daugybė reiškinių (šviesos aberacija, Fizeau eksperimentas) leido daryti išvadą, kad eteris yra nejudrus arba jį iš dalies nuneša kūnai judant. Pagal fiksuotą eterio hipotezę, Žemei judant per eterį galima stebėti „eterinį vėją“, o šviesos greitis Žemės atžvilgiu turėtų priklausyti nuo šviesos pluošto krypties jos judėjimo krypties atžvilgiu. eteryje. M. o. buvo atliktas naudojant Michelson interferometrą vienodomis rankomis, vienas - išilgai Žemės judėjimo, kitas - statmenai jai. Jei eteris yra nejudantis, tada, kai įrenginys pasukamas 90 °, spindulių kelio skirtumas turėtų pasikeisti ir trukdyti. vaizdas turi pasikeisti. Tačiau trukdžių maišymas nuotraukos nerasta, t.y. M. o. davė neigiamą rezultatą. 1885–1887 m. Michelsono ir Amero eksperimentai. fizikas E. W. Morley labai tiksliai patvirtino. originalo rezultatas M. o. 1964 metais Amer. fizika modifikacijoje. formą pakartojo M. o., kaip šviesos šaltinius naudodamas du vienodus helio-neoninius lazerius, kurie turi labai aukštą monochromatiškumo ir erdvės laipsnį. nuoseklumą, o dar didesniu tikslumu gavo neigiamą. rezultatas. Klasikoje fizika neigiama. rezultatas M. o. negalėjo būti suprantami ir sutikti su kitais judančių terpių elektrodinamikos reiškiniais. Reliatyvumo teorijoje šviesos greičio pastovumas visoms inercinėms atskaitos sistemoms priimamas kaip postulatas, patvirtintas daugybės eksperimentų.
Fizinis enciklopedinis žodynas. - M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1983 m.
MICHELSON PATIRTIS
Pirmą kartą A. Michelson 1881 metais atliktas eksperimentas, kurio tikslas buvo išmatuoti Žemės judėjimo įtaką šviesos greičiui. Neigiamas Rezultatas buvo vienas iš eksperimentinis faktus, kurie sudarė pagrindą reliatyvumo teorija.
Fizikoje kon. 19-tas amžius buvo daroma prielaida, kad šviesa sklinda tam tikrame universalios pasaulio terpės būryje - transliacija. Tuo pačiu metu daugelis reiškinių ( šviesos aberacija, Fizeau patirtis) leido daryti išvadą, kad eteris yra nejudrus arba iš dalies įtraukiamas kūnų, kai jie juda. Remiantis fiksuota eterio hipoteze, galima stebėti „eterinį vėją“, kai Žemė juda per eterį, o šviesos greitis Žemės atžvilgiu turėtų priklausyti nuo šviesos pluošto krypties, palyginti su jos judėjimo kryptimi. eteris.
M. o. buvo atlikta su pagalba Michelsono interferometras vienodais pečiais; viena ranka buvo nukreipta išilgai Žemės judėjimo, kita - statmenai jai. Kai visas įrenginys pasukamas 90 °, spindulių kelio skirtumas turėtų pasikeisti, todėl trukdžiai turėtų pasislinkti. tapyba. Skaičiavimas parodo, koks yra poslinkis, išreikštas trukdžių pločio dalimis. juostelės, lygios , kur Z yra interferometro peties ilgis, yra taikomos šviesos bangos ilgis (geltona linija Na), Su- šviesos greitis ore, v yra Žemės orbitos greitis. Kadangi Žemės orbitinio judėjimo reikšmė yra apie 10-4, tai numatomas poslinkis yra labai mažas ir pirmajame M. o. buvo tik 0,04. Nepaisant to, jau remdamasis šia patirtimi, Michelsonas padarė išvadą, kad fiksuoto eterio hipotezė buvo neteisinga.
Ateityje M.o. buvo pakartotas daug kartų. Michelson ir E. W. Morley (1885-87) eksperimentuose interferometras buvo sumontuotas ant masyvios plokštelės, plūduriuojančios gyvsidabriu (kad suktųsi sklandžiai). optinis kelio ilgis buvo padidintas iki 11 m naudojant daugybinius atspindžius nuo veidrodžių. rezultatas M. o. 1958 m. Kolumbijos universitete (JAV) dar kartą buvo įrodyta, kad fiksuoto eterio nėra. Buvo nukreipti dviejų identiškų kvantinių mikrobangų generatorių (mazerių) spinduliuotės pluoštai in priešingos pusės – palei Žemės judėjimą ir prieš judėjimą – ir buvo lyginami jų dažniai. Labai tiksliai (~ 10-9%) buvo nustatyta, kad dažniai išlieka tokie patys, o "eterinis vėjas" lemtų šių dažnių skirtumą, kuris yra beveik 500 kartų didesnis nei matavimas. tikslumu.
Klasikoje fizika neigiama. rezultatas M. o. negalėjo būti suprasti ir sutikti su kitais reiškiniais judančių terpių elektrodinamika. Reliatyvumo teorijoje šviesos greičio pastovumas visiems inercinės atskaitos sistemos priimtas kaip postulatas, patvirtintas daugybės eksperimentų.
Lit.: Vavilovas S. I., Eksperimentiniai reliatyvumo teorijos pagrindai, Sobr. soch., 4 t., M., 1956; Einšteino kolekcija, 1980 - 1981 m., M., 1985 m. E. KAM. Tarasovas.
Fizinė enciklopedija. 5 tomuose. - M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1988 m.
Michelsonas, Albertas Abraomas
Gimimo data: Gimimo vieta: Mirties data: Mirties vieta: Šalis: Mokslo sritis: Darbo vieta: Akademinis vardas: Alma mater: Vadovas: Apdovanojimai ir prizai: Parašas:| Albertas Abraomas Michelsonas | |
| Albertas Abraomas Michelsonas | |
  |
|
|
Strelnas, Prūsija |
|
|
Pasadena, Kalifornija, JAV |
|
|
JAV |
|
|
fizikas, astronomas |
|
|
Case Western Reserve universitetas |
|
|
SSRS mokslų akademijos narys korespondentas |
|
|
Jungtinių Valstijų karinio jūrų laivyno akademija |
|
|
Hermanas Helmholcas |
|
|
Rumfoord premija (1888 m.) |
|
|
|
|
| Albertas Abraomas Michelsonas iš „Wikimedia Commons“. | |
Albertas Abraomas Michelsonas(Anglų) Albertas Abraomas Michelsonas; 1852 m. gruodžio 19 d., Strelnas, Prūsija – 1931 m. gegužės 9 d., Pasadena, JAV) – amerikiečių fizikas, žinomas dėl jo vardu pavadinto Michelsono interferometro išradimo ir tikslių šviesos greičio matavimų. 1907 m. jis gavo Nobelio fizikos premiją „už tikslių optinių prietaisų sukūrimą ir su jų pagalba atliktus spektroskopinius bei metrologinius tyrimus“.
Biografija
Albertas Abraomas Michelsonas Gimė vienas iš šešių vaikų žydų šeimoje, lenkiškoje Prūsijos karalystės dalyje. Jo tėvas Samuil Mikhelson vertėsi prekyba; motina - Rosalia Mikhelzon (gim. Prilubskaya), buvo Abramo Prilubskio dukra iš Inowroclavo .. Kai berniukui buvo dveji metai (1855 m.), jo tėvai emigravo į Niujorką (JAV), kur jų pavardė buvo pradėta tarti "Mikelson". “. Iš ten šeima persikėlė į šalies vakarus, pirmiausia gyvendama kalnakasių gyvenvietėse Murphyse (Kalifornijoje) ir Virdžinijos mieste (Nevada), kur jo tėvas išplėtojo sėkmingą džiovintų vaisių verslą. Mokyklos metais Albertas Michelsonas gyveno San Franciske, savo tetos Henrietos Levy (rašytojos Harriet Lane Levy motinos, pusbrolis mokslininkas).
1869 m. Michelsonas pradėjo treniruotis JAV karinio jūrų laivyno akademijoje Anapolyje. 1873 metais baigė mokslus. Nuo pat studijų pradžios Michelsonas labai domėjosi mokslu ir ypač šviesos greičio matavimo problema. Dvejus metus tęsęs mokymus Europoje, jis pasitraukia iš karinės tarnybos. 1883 m. jis tapo fizikos profesoriumi Klivlando taikomųjų mokslų mokykloje ir sutelkė dėmesį į patobulinto interferometro kūrimą.
Po 1889 m. dirbo profesoriumi Vusterio Klarko universitete. 1892 m. jis tapo naujai įkurto Čikagos universiteto profesoriumi ir fizikos katedros vedėju. 1907 m. Michelsonas tapo pirmuoju amerikiečiu, laimėjusiu Nobelio fizikos premiją. Tais pačiais metais Michelsonas taip pat gavo Copley medalį už išskirtinius eksperimentinės fizikos pasiekimus.
šviesos greitis
Pirmieji matavimai
Jau 1877 m., būdamas JAV karinio jūrų laivyno karininku, Michelsonas pradėjo tobulinti šviesos greičio matavimo metodą, naudodamas Leono Foucault pasiūlytą besisukantį veidrodį. Michelsono idėja buvo naudoti geresnę optiką ir didesnį atstumą. 1878 m. jis atliko pirmuosius matavimus gana laikinu aparatu. Šis darbas patraukė Simono Newcombo, Jūrų almanacho biuro direktoriaus, dėmesį, kuris taip pat planavo atlikti panašius eksperimentus. Michelsonas paskelbė savo rezultatą 299 910 ± 50 km/s 1879 m. Po to jis persikėlė į Vašingtoną (JAV) padėti Simono Newcombo eksperimentams. Taip prasidėjo dviejų mokslininkų draugystė ir bendradarbiavimas.
Newcombas savo eksperimentuose, kurie buvo geriau finansuojami, gavo 299 860 ± 30 km/s šviesos greičio vertę, kuri matavimo paklaidose sutapo su Michelsono verte. Michelsonas dar labiau patobulino savo metodą; jis 1883 metais paskelbė 299 853±60 km/s vertę.
Vilsono kalnas ir laikas iki 1926 m
1906 metais E. B. Rosa ir N. E. Dorsey išmatavo šviesos greitį nauju, elektriniu metodu. Savo eksperimentuose jie gavo 299 781±10 km/s vertę.
Po 1920 m. Michelsonas pradėjo „paskutinį“ šviesos greičio matavimą Vilsono kalno observatorijoje, o matavimas buvo pagrįstas 22 mylių atstumu - iki Lookout kalno, esančio pietinėje San Antonijaus kalno pusėje.
1922 m. JAV pakrantės ir geodezijos komisija pradėjo kruopštų šio atstumo matavimą naudodama naujai išrastas invarines juostas, kurios truko dvejus metus. 1924 m., kai ilgis buvo matuojamas 10−6 tikslumu, buvo pradėtas matuoti šviesos greitis, kuris taip pat truko dvejus metus ir davė šviesos greičio reikšmę 299 796±4 km/s.
Šis garsus eksperimentas taip pat žinomas dėl savo problemų. Pavyzdžiui, buvo didelė problema miško gaisrai, nuo kurių dūmai drumstė veidrodžius. Taip pat visiškai įmanoma, kad tokiu tikslumu atlikti geodeziniai matavimai buvo klaidingi dėl bazės poslinkio, įvykusio per 1925 m. birželio 29 d. Santa Barbaros žemės drebėjimą, kurio stiprumas buvo 6,3 balo pagal Richterio skalę.
Michelsonas, Pease'as ir Pearsonas 1932 m
Po 1927 m. atsirado daug šviesos greičio matavimų naudojant naujus elektrooptinius metodus, kurie davė žymiai mažesnes šviesos greičio vertes nei Michelsono optinis metodas, nustatytas 1926 m.
Michelsonas toliau ieškojo matavimo metodo, kuris pašalintų atmosferos trikdžių įtaką. 1930 m. jis kartu su Francisu Pease'u ir Fredu Pearsonu pradėjo matuoti šviesos greitį 1,6 km ilgio vakuuminiuose vamzdeliuose. Michelsonas mirė po 36-osios iš 233 matavimų. Eksperimentą daugiausia sutrukdė geologinis nestabilumas ir kondensatas vamzdžiuose. Galų gale eksperimentai davė 299 774 ± 11 km/s vertę, kuri sutapo su elektrooptinių metodų rezultatais.
Interferometrija
1881 m. Michelsonas laikė fizinė patirtis(Michelsono eksperimentas) savo interferometru, siekdamas išmatuoti šviesos greičio priklausomybę nuo Žemės judėjimo. Eksperimento rezultatas buvo neigiamas – šviesos greitis niekaip nepriklausė nuo Žemės greičio ir nuo išmatuoto greičio krypties.
1887 m. Michelsonas su E. W. Morley atliko eksperimentą, žinomą kaip Michelson-Morley eksperimentas. Šiame eksperimente buvo nustatytas Žemės judėjimo greitis eterio atžvilgiu. Priešingai nei tikėtasi, eksperimentas (kaip ir vėlesnės bei tikslesnės jo modifikacijos, atliekamos iki šių dienų) neatskleidė Žemės judėjimo eterio atžvilgiu. Einšteinas savo pirmajame straipsnyje apie reliatyvumo teoriją mini „nesėkmius bandymus aptikti Žemės judėjimą „šviesą nešančios terpės“ atžvilgiu“ ir tuo remdamasis kuria naują universalią kinematiką (ne tik elektromagnetiniams reiškiniams). ). Michelsono patirtis tapo reliatyvumo teorijos pagrindu ir pirmuoju eksperimentiniu patvirtinimu.
1920 m. Michelsonas atliko eksperimentą, siekdamas išmatuoti žvaigždžių kampinį dydį. Tam jis panaudojo interferometrą, kurio pečių ilgis buvo 6 m. Šviesa iš interferometro buvo siunčiama naudojant veidrodžius į 254 cm teleskopo įvestį. Šiuo atveju teleskope buvo pastebėta juostų sistema. Pailginus interferometro svirtis, kutais dingo. Iš atstumo tarp interferometro veidrodžių buvo galima nustatyti žvaigždės kampinį dydį, o žinomu atstumu iki žvaigždės – ir jos skersmenį. Taip Michelsonas nustatė Betelgeuse žvaigždės skersmenį.
Atmintis
1970 m. Tarptautinė astronomijos sąjunga pavadino kraterį išvirkščia pusė Mėnulis. Jo garbei pavadintas Alberto Michelsono medalis, kurį suteikė Franklino institutas.
Bibliografija
- A. A. Michelson, „Optikos tyrimai“, URSS leidykla, Maskva, 2004. ISBN 5-354-00945-6
- Albert A. Michelson, MA, JAV karinis jūrų laivynas "Santykinis Žemės ir švytinčio eterio judėjimas" (1881). (Santykinis Žemės ir šviesiojo eterio judėjimas. Albert A. Michelson, magistras, JAV karinio jūrų laivyno) // The American Journal of Science. 1881. III serija. XXII tomas, Nr. 128. P. 120-129. Vertimas iš anglų kalbos. L. S. Knyazeva.
- Albert A. Michelson, Edward W. Morley "Apie santykinį Žemės ir šviečiančio eterio judėjimą" (1887) (The relation motion of the Earth and the Luminiferous ether. Albert A. Michelson, Master, U.S. Navy) // Amerikos mokslo žurnalas. 1881. III serija. XXII tomas, Nr. 128. P. 120-129. Vertimas iš anglų kalbos. L. S. Knyaeeva.
- A. A. Michelsonas. „Žemės sukimosi įtaka šviesos greičiui. I dalis "(1925) (Žemės sukimosi įtaka šviesos greičiui. 1 dalis. A.A. Michelson) // Astrofija. J. 1925 balandis. T. LXI. Nr.5. P. 137-139. Vertimas iš anglų kalbos. L. S. Knyaeeva.
- A. A. Michelsonas, Henry G. Gehlas, prisidėjo Fredas Pearsonas. „Žemės sukimosi įtaka šviesos greičiui. II dalis“. (1925) (Žemės sukimosi poveikis šviesos greičiui. II dalis. A.A. Michelson, Henry G. Gale. Assisted by Fred Pearson) // The Astrophysical J. April 1925. T. LXI. Nr. 5. P. 140-145. Vertimas iš anglų kalbos. L. S. Knyazeva.
- Konferencija apie Michelson-Morley eksperimentą. Surengta Mount Wilson observatorijoje, Pasadenoje, Kalifornijoje, 1927 m. vasario 4 ir 5 d.) //The Astrophysical Journal. 1928 gruodis. T. LXVIII, Nr. 5. P. 341-402. Vertimas iš anglų kalbos. V. A. Atsyukovskis ir L. S. Knyazeva.
- A. A. Michelsonas, F. G. Peace'as ir F. Pearsonas. "Michelsono-Morley eksperimento kartojimas" (1929) (Repetition of the Michelson-Morley eksperiment. Autorius: F.F.Micheson, F.G.Pease and F.Pearson) // Optical Society of America. Amerikos optikos draugijos žurnalas ir mokslinių tyrimų apžvalga. 1929 kovas. T. 18, Nr. 3. P. 181-182. Vertimas iš anglų kalbos. V. A. Atsyukovskis.
Pasaulio eterio hipotezė. Michelson ir Morley eksperimentai
K.Maxwellas rado teisingas elektrodinamikos lygtis, remdamasis eterio idėja, kuri ilgainiui paseno. Visos tuo metu žinomos bangos galėjo sklisti tik įvairiose terpėse, todėl ne tik Maksvelas, bet ir visi fizikai manė, kad elektromagnetinė banga yra tamprus kokios nors lengviausios, viską prasiskverbiančios terpės svyravimai. Ši terpė buvo vadinama pasaulio eteriu. Kadangi elektromagnetinė banga yra skersinė banga, reikėjo manyti, kad eteris yra kietas.
Žinomas eksperimentatorius A. Michelsonas (žr. Michelsono interferometrą) nusprendė pabandyti eksperimentiškai registruoti eterio egzistavimo faktą ir išmatuoti per eterį einančios Žemės greitį. Tam jis panaudojo savo interferometrą. Prisiminkime, kaip tai veikia. Lygiagretus šviesos spindulys krenta ant permatomo plastiko P orientuota kampu 450
prie ryšulio. Dalis šviesos sklinda toliau, o dalis atsispindi. Atsispindėjusi šviesa krenta ant veidrodžio Z1 ir grįžęs perduoda permatomą plokštelę prie ekrano E. Plokštę praėjęs spindulys pirmojo praėjimo metu patenka į kitą veidrodį. Z2 ir, grįžtant, atsispindi nuo permatomos plokštės ant ekrano. Dviejų spindulių, kurie nukeliavo skirtingais keliais, superpozicija sukuria trukdžių modelį. Nedidelis kampo skirtumas tarp veidrodžių nuo 900
veda prie to, kad trukdžių modelis yra trukdžių pakraščių sistema.
Interferometras buvo išlygintas pagal numatomą Žemės greitį eterio atžvilgiu. Jei dėl paprastumo darysime prielaidą, kad interferometro svirties ilgiai yra vienodi, tai šviesa, sklindanti išilgai ir skersai Žemės judėjimo, užtruks skirtingą laiką, kad pasiektų ekraną. Jei dabar pasuksime interferometrą į 900 , tada spindulių delsos laikai pasikeis vietomis ir pasislinks trukdžių modelis. Poslinkis gali būti naudojamas norint nustatyti delsos laiką ir atitinkamai Žemės greitį, palyginti su nejudančiu eteriu.
3 užduotis. Tarkime, kad Žemė juda eterio atžvilgiu greičiu v. Apskaičiuokite numatomą interferencijos modelio poslinkį (atstumo tarp intensyvumo maksimumų vienetais) esant šviesos bangos ilgiui l, pasukus interferometrą 900 su interferometro rankos ilgiu L.
Eksperimentas, atliktas kartu su Morley, parodė, kad interferometras pasukamas 900 nematomas. Taigi reikėjo daryti išvadą: arba eterį visiškai nuneša Žemė ir nėra santykinio Žemės ir eterio judėjimo, arba eteris neegzistuoja, o šviesos sklidimo procesas nėra tamprios sklidimas. banga. Michelsonas padarė išvadą, kad eterį visiškai nuneša Žemė.
2.2 Eksperimentiniai hipotezės prieštaravimai
eterio pomėgiai
Prielaida apie visišką eterio įtraukimą į Žemę prieštaravo kitiems eksperimentiniams faktams. Taigi anglų astronomas J. Bradley atrado, kad tolimiausios žvaigždės daro akivaizdų metinį judėjimą apskritime arba elipsėje. Šis reiškinys vadinamas žvaigždžių šviesos aberacija. Paaiškėjo, kad beveik visų žvaigždžių trajektorijų kampinis skersmuo yra vienodas ir lygus 40,5 lanko sekundės. Elementarus aberacijos paaiškinimas tampa paprastas ir suprantamas, jei išvedame analogiją tarp šviesos sklidimo ir lietaus lašų kritimo. Kai nėra vėjo, nejudantis stebėtojas mato, kad lašai krenta vertikaliai. Tačiau jei sėdite į važiuojantį automobilį, galite pamatyti įstrižai krentančius lašus. Lietus lyja iš viršaus ir iš priekio.
4 užduotis. Tegul lietaus lašų kritimo greitis Žemės atžvilgiu yra c, automobilio greitis yra v. Kokiu kampu lašeliai krenta iš automobilio? Naudodamiesi gautu rezultatu ir duomenimis apie žvaigždžių trajektorijų tariamąjį kampinį skersmenį, nustatykite šviesos greitį. Žemės orbitos greitis yra 30 km/s.
Jei eterį visiškai nuneštų Žemė, aberacijos nebūtų.
Išvada
Taigi iš Michelsono eksperimentų ir reiškinių, panašių į žvaigždžių šviesos aberaciją, reikia daryti išvadą, kad šviesos greitis bet kurioje atskaitos sistemoje yra vienodas ir lygus c.[Iki šiol tiksliausi matavimai pateikia vertę c=(2,997925 ± 0,000003) × 108 m/s.]
Tarkime, kad šviesos signalas iš Žemės gaunamas dideliu greičiu iš Žemės nuskriejančiame erdvėlaivyje. Matuojant jo sklidimo greitį, bus rasta reikšmė c nepriklausomai nuo laivo greičio: c- v =c Arba kitas pavyzdys. Šiuo metu patikimai nustatyta, kad toli nuo Saulės sistemos esančios galaktikos tolsta. Visata plečiasi. Pabėgimo greitis yra tuo didesnis, kuo toliau galaktika. Labai tolimos galaktikos bėga artimu šviesos greičiui. Tačiau iš šių galaktikų sklindanti šviesa turi greitį c. Šis faktas, kaip ir elektrodinaminiai eksperimentai, byloja apie būtinybę atsisakyti Galilėjaus koordinačių ir greičio transformacijų, greičių pridėjimo taisyklės.
A. Michelsono patirtis ir specialioji reliatyvumo teorija
Kaip jau minėta skyriuje apie mikropasaulį, naujoji fizika gimė XIX–XX amžių sandūroje, nes klasikinis mokslas negalėjo paaiškinti daugelio XIX amžiuje atliktų eksperimentų rezultatų. Iš noro paaiškinti rentgeno spindulius ir radioaktyvumą kilo kvantinė mechanika ir branduolių fizika. A. Einšteino reliatyvumo teorija išaugo iš bandymo paaiškinti amerikiečių fiziko ir inžinieriaus patirties rezultatus. Albertas Michelsonas(1852 - 1931) nustatyti šviesos greitį, palyginti su nejudančiu eteriu, kurio egzistavimą pasiūlė J. Maxwellas. Michelsono eksperimento, už kurį jis gavo Nobelio premiją, rezultatai buvo netikėti: paaiškėjo, kad 1) šviesos greitis nepriklauso nuo jos šaltinio greičio; 2) kad ji yra pasaulio konstanta ir yra pastovi visose inercinėse atskaitos sistemose; 3) kad jo negalima viršyti. y., šviesos greitis yra Maksimalus greitis signalo perdavimas. Dėl to A. Michelsono gauti rezultatai tą parodė eteris neegzistuoja.
Šie rezultatai buvo pirmieji iš „banginių“, ant kurių ypatingas Reliatyvumo teorija. Antrasis „banginis“ buvo G. Galilėjaus reliatyvumo principas, kurį A. Einšteinas performulavo taip: visos inercinės atskaitos sistemos yra lygiavertės viena kitai nustatant jose kokius nors fizikinius eksperimentus, ir nė vienas iš jų (atsižvelgiant į kuriam eteris būtų nejudantis) turi pranašumų prieš kitus.
A. Einšteinas buvo didžiausias teoretikas ir, dirbdamas su reliatyvumo teorija, naudojo minties eksperimento, pavadinto „A. Einšteino laivu“, metodą. Šio eksperimento esmė yra tokia. Pakrante plaukia laivas, kurio viduje laivo kryptimi bėga pelė. Pelės greitis pakrantės atžvilgiu yra jos pačios greičio laivo atžvilgiu ir laivo greičio pakrantės atžvilgiu suma. Jeigu darysime prielaidą, kad laivo greitis artėja prie šviesos greičio (teoriškai tai įmanoma), tai pelės greitis kranto atžvilgiu viršys šviesos greitį, o tai prieštarauja A. Michelsono eksperimento rezultatui.
Kad išspręstų iškilusį prieštaravimą, A. Einšteinas turėjo pakeisti paradigmą: loginiu samprotavimu ir matematiniais skaičiavimais priėjo prie išvados, kad esant dideliems greičiams, atitinkantiems šviesos greitį (o tokie yra MEGA WORLD greičiai). , kurių objektai yra žvaigždės, galaktikos ir Visata), Niutono paradigma apie erdvės ir laiko absoliutumą ir nepriklausomybę neveikia. Iš to išplaukė, kad dideliais greičiais erdvė ir laikas pasirodo esantys tarpusavyje susiję, o laikas tampa ketvirtąja koordinate, t.y. erdvė tokiomis sąlygomis turi bent keturis matmenis.
Iš to išplaukė trys pasekmės:
1) dideliu greičiu, proporcingu šviesos greičiui,
atstumas sutrumpintas, atkarpa sutrumpinta ir greičiu
lengvas (jei pasirodė, kad tai įmanoma), susitraukia iki taško;
2) važiuojant dideliu greičiu laikas sulėtėja; Plačiai žinomas Einšteino pavyzdys, kurį jis pavadino „dvynių paradoksu“: tą pačią dieną Žemėje gimė du berniukai dvyniai, vienas išskrido į ilgą kosminį skrydį, kitas visą gyvenimą praleido Žemėje. Kai astronautas grįš namo, jis dar bus jaunas (esant milžiniškam skrydžio kosminiam greičiui laikas bėgs lėčiau nei Žemėje), o jo brolis pasirodys esąs labai senas žmogus.
3) kūno masė nepriklauso nuo kūno greičio. Iš to išplaukia
joks kūnas, kurio masė kitokia nei nulis, negali būti paspartintas
šviesos greitis, nes tam prireiktų begalinės energijos.
Toliau A. Einšteinas rado ryšį tarp masės ir energijos: kūno masė yra jame esančios energijos matas. Taip atsirado garsioji formulė Å= mc2, kur E – dalelės ramybės energija, m – ramybės masė, c – šviesos greitis.
Specialiosios reliatyvumo teorijos eksperimentinis patvirtinimas buvo gautas iš mikrokosmoso. Paaiškėjo, kad atliekant eksperimentus su elementariomis dalelėmis, kurios specialiuose greitintuvuose pagreitinamos iki labai didelių greičių, norint gerai sutapti tarp eksperimentinių ir apskaičiuotų duomenų, masės padidėjimo efektas, vadinamosios reliatyvistinės masės pataisos ( Angliškas žodis„giminaitis“ reiškia „giminaitis“). Laiko išsiplėtimas jau buvo eksperimentiškai užfiksuotas skrydžio į kosmosą greičiu (kosmose laikrodžiai šiek tiek atsilieka). Visa tai, kas išdėstyta aukščiau, rodo, kad specialioji reliatyvumo teorija apibūdina ne tik mega pasaulį, bet ir mikro pasaulį. Tačiau makrokosmose greičiai yra per maži, o masės per didelės, kad būtų galima eksperimentiškai stebėti reliatyvistinius efektus.
Taigi specialioji reliatyvumo teorija sako, kad dideliais greičiais (megapasaulyje ir mikropasaulyje) pasireiškia erdvės ir laiko tarpusavio ryšys, t.y. realizuotas bent keturmatis erdvėlaikis. Makrokosmose greičiai tokie maži, kad erdvės ir laiko santykis negali būti eksperimentiškai fiksuojamas.
Kas buvo Michelsono eksperimentas?
Safyras
Sunku įsivaizduoti absoliučią tuštumą – visišką vakuumą, kuriame nieko nėra. Žmogaus sąmonė siekia ją užpildyti bent kažkuo materialiu, o daugelį žmonijos istorijos šimtmečių buvo tikima, kad pasaulio erdvė užpildyta eteriu. Idėja buvo ta, kad tarpžvaigždinė erdvė užpildyta kažkokia nematoma ir neapčiuopiama subtilia medžiaga. Kai buvo gauta Maksvelo lygčių sistema, numatanti, kad šviesa erdvėje sklinda baigtiniu greičiu, net pats šios teorijos autorius tikėjo, kad elektromagnetinės bangos sklinda terpėje, kaip akustinės bangos sklinda ore, o jūros bangos sklinda vandenyje. Pirmoje XIX amžiaus pusėje mokslininkai netgi kruopščiai parengė teorinį eterio modelį ir šviesos sklidimo mechaniką, įskaitant visų rūšių svirtis ir ašis, kurios, kaip manoma, prisideda prie svyruojančių šviesos bangų sklidimo eteryje.
1887 m. du amerikiečių fizikai - Albertas Michelsonas ir Henry Morley - nusprendė kartu atlikti eksperimentą, skirtą kartą ir visiems laikams įrodyti skeptikams, kad šviečiantis eteris tikrai egzistuoja, užpildo Visatą ir tarnauja kaip terpė, kurioje šviesa ir kitos elektromagnetinės bangos. propaguoti. Michelsonas turėjo neabejotiną autoritetą kaip optinių instrumentų dizaineris, o Morley garsėjo kaip nenuilstantis ir neklystantis eksperimentinis fizikas. Jų sugalvotą patirtį lengviau apibūdinti, nei įgyvendinti praktiškai.
Michelsonas ir Morley panaudojo interferometrą – optinį matavimo prietaisą, kuriame šviesos pluoštą permatomas veidrodis padalija į dvi dalis (stiklo plokštelė iš vienos pusės pasidabruota tiek, kad iš dalies praleistų į ją patenkančius šviesos spindulius ir iš dalies juos atspindėtų; panaši technologija šiandien naudojama SLR fotoaparatuose). Dėl to spindulys skyla ir du susidarantys koherentiniai pluoštai skiriasi stačiu kampu vienas kito atžvilgiu, po to jie atsispindi nuo dviejų atspindinčių veidrodžių, vienodu atstumu nuo permatomo veidrodžio ir grįžta į permatomą veidrodį, iš kurio gaunamas šviesos spindulys leidžia stebėti trukdžių modelį ir aptikti menkiausią dviejų spindulių desinchronizaciją (vieno pluošto delsimas kito atžvilgiu; žr. „Trikdžiai“).
Michelson-Morley eksperimentu iš esmės buvo siekiama patvirtinti (arba paneigti) pasaulinio eterio egzistavimą, atskleidžiant „eterinį vėją“ (arba jo nebuvimo faktą). Iš tiesų, judėdama orbita aplink Saulę, Žemė hipotetinio eterio atžvilgiu pusę metų juda viena kryptimi, o kitus šešis mėnesius – kita. Vadinasi, pusę metų „eterinis vėjas“ turėtų pūsti virš Žemės ir dėl to interferometro rodmenis pakreipti į vieną pusę, o pusę metų – į kitą pusę. Taigi, metus stebėdami jų įrengimą, Michelsonas ir Morley nerado jokių trukdžių modelio poslinkių: visiška eterinė ramybė! (Šiuolaikiniai tokio pobūdžio eksperimentai, atlikti kuo didesniu tikslumu, įskaitant eksperimentus su lazeriniais interferometrais, davė panašius rezultatus.) Taigi: eterinis vėjas, taigi, eteris neegzistuoja.
Nesant eterinio vėjo ir eterio kaip tokio, neišsprendžiamas konfliktas tarp klasikinės Niutono mechanikos (tai reiškia tam tikrą absoliučią atskaitos sistemą) ir Maksvelo lygčių (pagal kurias šviesos greitis turi ribinę vertę, nepriklausomą nuo rėmo pasirinkimo). nuoroda) tapo akivaizdi, o tai lėmė reliatyvumo teorijos atsiradimą. Michelson-Morley eksperimentas galiausiai parodė, kad gamtoje nėra „absoliučios atskaitos sistemos“. Ir, kad ir kiek vėliau Einšteinas tvirtino, kad kurdamas reliatyvumo teoriją nekreipė dėmesio į eksperimentinių tyrimų rezultatus, vargu ar reikia abejoti, kad Michelsono-Morley eksperimentų rezultatai prisidėjo prie greito pripažinimo. tokią radikalią teoriją mokslo bendruomenė rimtai.
Michelsono eksperimentas yra fizinis eksperimentas, kurį Michelsonas sukūrė 1881 m., siekiant išmatuoti šviesos greičio priklausomybę nuo Žemės judėjimo eterio atžvilgiu. Tada eteris buvo suprantamas kaip terpė, panaši į tūriškai paskirstytą medžiagą, kurioje šviesa sklinda kaip garso virpesiai. Eksperimento rezultatas buvo neigiamas – šviesos greitis niekaip nepriklausė nuo Žemės greičio ir nuo išmatuoto greičio krypties. Vėliau, 1887 m., Michelsonas kartu su Morley atliko panašų, bet tikslesnį eksperimentą, žinomą kaip Michelson-Morley eksperimentas, kuris parodė tą patį rezultatą. 1958 metais Kolumbijos universitete (JAV) buvo atliktas dar tikslesnis eksperimentas, naudojant dviejų mazerių priešpriešinius pluoštus, kurie parodė dažnio nekintamumą nuo Žemės judėjimo maždaug 10–9% tikslumu (jautrumas Žemės greitis eterio atžvilgiu buvo 30 m/s) . Dar tikslesni matavimai 1974 metais padidino jautrumą iki 0,025 m/s. Šiuolaikinės Michelsono eksperimento versijos naudoja optines ir kriogenines mikrobangų ertmes ir leidžia aptikti šviesos greičio anizotropijos nuokrypį, jei tai būtų keli vienetai 10–16.
Michelsono patirtis yra empirinis šviesos greičio nekintamumo principo, įtraukto į bendrąją reliatyvumo teoriją (GR) ir specialiąją reliatyvumo teoriją (SRT), pagrindas.
Bernardas Džefas
5. Michelson-Morley eksperimentas
Case School of Applied Science, kuri 1881 m. duris atvėrė studentams, o vėliau tapo Case technologijos institutu, buvo įsikūrusi name, kuris anksčiau priklausė Case'ui Rokvilio gatvėje, netoli nuo centrinės Klivlando aikštės. Pirmas dalykas, kurį Michelsonas turėjo padaryti pradėdamas eiti pareigas, buvo mokyklos teritorijoje esančiame ūkiniame pastate įrengti laboratoriją.
Šalia Case'o nuosavybės buvo Vakarų rezervo universitetas, kuris 1882 m. vasarą buvo perkeltas į Klivlendą iš Hadsono, Ohajo valstijos. Kitoje gatvės pusėje, už šimto metrų nuo Michelsono laboratorijos, buvo Adelbert Hall – vienas iš universiteto pastatų, kuriame dirbo chemijos profesorius Edwardas W. Morley.
Michelsonas ir Morley netrukus susipažino ir suartėjo bendrų mokslinių interesų pagrindu. Kartu jie keliavo į mokslines konferencijas Baltimorėje, Monrealyje ir kituose miestuose, ir kuo geriau vienas kitą pažino, tuo stiprėjo abipusė simpatija ir pagarba.
Išoriškai šie du mokslininkai atrodė labai skirtingi. Morley buvo daugiau nei penkiolika metų vyresnis už Michelsoną ir buvo kilęs iš anglų naujakurių, kurie paliko Britų salas XVII amžiaus pradžioje. Jo tėvas buvo kongregacionistas, o pats 1864 m. baigė seminariją Andoveryje (Masačusetsas) ir ruošėsi priimti šventuosius įsakymus. Jo karjera yra pavyzdys, kaip hobis virsta gyvenimo darbu. Negavęs tinkamos dvasinės katedros, ėmėsi chemijos, kurią iki tol darė tik mėgėjiškai. 1868 m. Vakarų rezervo universitetas jam pasiūlė chemijos ir gamtos filosofijos profesoriaus vietą. Morley buvo labai religingas ir retkarčiais sakydavo pamokslus aplinkinėse bažnyčiose. Be to, jis sutiko priimti profesūrą Vakarų rezervate tik su sąlyga, kad jam bus leista reguliariai pamokslauti universiteto koplyčioje.
Kalbant apie Michelsoną, jis buvo labai toli nuo religijos. Jo tėvas buvo ateistas, o religija jų šeimos gyvenime neužėmė jokios vietos. Taigi jis neprisijungė prie senovinio savo protėvių tikėjimo ir visą gyvenimą buvo netikintis. Vaikų auklėjimą religijos dvasia jis patikėjo žmonai. Žavėdamasis gamtos stebuklais, jis vis dėlto atsisakė juos priskirti kuriam nors kūrėjui. Vieną žvaigždėtą naktį, rodydamas ir pavadindamas savo vaikams dangaus žvaigždynus, jis pasakė: „Galite pamiršti žvaigždynų pavadinimus, bet aš laikau pagarbos nevertais gamtos stebuklams nenusilenkiančių žmonių“. Kartą jis rašė: „Ką savo grožiu galima palyginti su nuostabiu gamtos priemonių ir jos tikslų atitikimu ir ta nekintančia dėsningumo taisykle, kuri valdo pačias netvarkingiausias ir sudėtingiausias jos apraiškas? Tačiau jis nepripažino Dievo idėjos.
Michelsonas buvo išvaizdus, lieknas ir visada nepriekaištingai apsirengęs. Morley rengėsi, švelniai tariant, atsainiai ir būtų visiškai atitikęs stereotipinę neblaivaus profesoriaus idėją, jei ne jo judesių gyvumas, energija ir kalbumas. Jis dėvėjo pečius siekiančius plaukus ir didžiulius raudonus ūsus, kurie kyšo beveik iki ausų. Jis buvo vedęs, bet bevaikis.
Tačiau Michelsonas ir Morley turėjo daug bendro. Abu mėgo muziką. Michelsonas puikiai grojo smuiku, o Morley buvo puikus vargonininkas. Abu pasižymėjo išradingumu dėl tikslių matavimo priemonių ir ypatingu kruopštumu savo darbe. Morley, kaip ir Michelsonas, nepraleido nė vienos smulkmenos ir, kaip ir jis, ėmėsi tyrinėti bet kokią mokslinę problemą, neatsitraukė tol, kol nepabaigė reikalo.
Prieš susitikdamas su Michelsonu, Morley, tikrindamas pranešimus apie skirtingus deguonies procentus skirtinguose oro mėginiuose, atliko santykinio deguonies ir vandenilio masės kompozicijoje tyrimą. Tyras vanduo. Šis tyrimas truko beveik dvidešimt metų. Jis atliko tūkstančius eksperimentų, daugumą savo lėšomis. Jis išanalizavo daugybę distiliuoto vandens mėginių elektrolizės būdu ir susintetintą vandenį elektros kibirkšties metodu, sujungdamas nurodytą kiekį dviejų elementų. Daugelį metų trukusių tyrinėjimų rezultatas, jis nustatė šių elementų svorį penktos dešimtosios tikslumu. Litras deguonies sveria 1,42900 g, o vandenilio – 0,89873 g, galima paklaida – trys šimtai tūkstantosios dalies. Šios vertės buvo visuotinai priimtos kaip standartinės, kaip ir Morley vandenilio ir deguonies santykis nuo 1,0076 iki 16. Morley eksperimentai buvo klasikiniai ir pelnė jam pasaulinį pripažinimą.
Terpės judėjimo įtaka šviesos greičiui
Lordas Kelvinas ir lordas Rayleighas paprašė Michelsono patikrinti terpės judėjimo įtaką šviesos greičiui. Michelsonas nusprendė paimti vandenį kaip judančią terpę ir pasidalino savo idėja su Morley. Jis pasiūlė jam savo laboratoriją darbui. Jis buvo įrengtas dideliame rūsyje, o sąlygos jame buvo idealios Michelsono sumanytai patirčiai. Morley nebuvo fizikas, bet buvo greitas, išradingas ir aistringai sprendė šią problemą. 1860 m., dar būdamas studentas, vienu metu dirbo astronomijos srityje. Michelsonas papasakojo jam apie jiems atliktą užduotį ir apie įrenginį, kurį ketina naudoti. Morlis buvo pasiruošęs tuoj pat kibti į darbą. Tačiau 1885 m. rugsėjį, kai eksperimento darbai dar buvo tik pradžioje, Michelsonas ryte pasirodė laboratorijoje visiškai apgailėtinas. Jis pasakė Morley, kad jį kankina nervinis išsekimas ir jam reikia ilgo poilsio. Jis sakė, kad jam reikia palikti Klivlandą bent metams. Ar Morley nesutiks pats užbaigti įrenginio, atlikti eksperimentų ir paskelbti rezultatus? Jis perdavė Morley tam tikrą sumą, kurią gavo už eksperimentus, ir pridėjo dar 100 savo dolerių. Tada Morley gavo Michelsono laišką iš Niujorko. Jie reguliariai susirašinėjo apie eksperimentą. Po keturių mėnesių Michelsonas netikėtai atvyko į Klivlandą ir pasiūlė toliau dirbti kartu. Jo sveikata žymiai pagerėjo ir jis galėjo užbaigti eksperimentą. 1886 m. Amerikos mokslo žurnale, kurį pasirašė jie abu, pasirodė darbas „Mediumo judėjimo įtaka šviesos greičiui“. Michelsonas ir Morley nustatė, kad vandens judėjimas turi įtakos šviesos greičiui, bet ne taip, kaip būtų galima tikėtis iš eterio teorijos. Jų patirtis patvirtino 1851 m. Fizeau atliktų tyrimų rezultatus. Dvi mokymo įstaigos iš karto – Vakarų rezervo universitetas ir Stevenso technologijos institutas Michelsonui suteikė daktaro laipsnį. Tai buvo pirmasis Michelsono laipsnis, nes jo laikais Jūrų akademija dar neturėjo teisės suteikti mokslų bakalauro vardo.
Dabar, turėdamas patobulintą aparatą ir praturtėjusią patirtį, Michelsonas galėjo grįžti prie eksperimento su eteriu, kurį taip ilgai atidėjo. Šiame darbe turėjo dalyvauti ir Morley. Jie buvo kupini optimistiškiausių vilčių, ir Morley 1887 m. balandžio 17 d. parašė savo tėvui: „Michelson ir aš pradėjome naują eksperimentą, kuris turėtų parodyti, ar šviesos sklidimo greitis visomis kryptimis yra vienodas. Neabejoju, kad sulauksime galutinio atsakymo“. Žinoma, Morley šiek tiek supaprastino eksperimento tikslą. Michelsonas ir Morley ruošėsi ryžtingai pabandyti „pagauti“ nepagaunamą eterį. Teigiamo rezultato atveju mokslas gaus ne tik Žemės greitį orbitoje eterio atžvilgiu, bet ir jos sukimosi aplink savo ašį greitį, o gal net ir judėjimo greičio nustatymo metodą. visos saulės sistemos erdvės. Tai būtų pirmasis bandymas, naudojant vietinį optinį reiškinį, nustatyti absoliutų Žemės judėjimą erdvėje, kuris buvo tapatinamas su eteriu.
Michelson-Morley instrumentas
Jų sukurtas įrenginys pasirodė esąs labai masyvi konstrukcija. Ją sudarė maždaug 150 kvadratinių centimetrų ploto ir apie 30 cm storio akmens plokštė, ant kurios buvo uždėti keturi veidrodžiai iš vario, alavo ir arseno lydinio bei visa kita įranga, tarp jų – Argando degiklis. Siekiant užtikrinti griežtai horizontalią akmens plokštės padėtį ir išvengti klaidų dėl vibracijos, trinties ir įtempimo, plokštė buvo plukdoma Morley išgrynintame gyvsidabriu. Gyvsidabris buvo supiltas į žiedinį ketaus indą, kurio sienelės storis apie 1,5 cm; ant gyvsidabrio plūduriavo spurgos formos medinis stovas, ant jo jau buvo sumontuota akmens plokštė. Ašinis strypas užtikrino medinės plūdės ir ketaus indo koncentriškumą. Tarpas tarp indo sienelės ir išorinio plūdės krašto buvo mažesnis nei 1,5 cm (9 pav.).
Ryžiai. 9. Michelson-Morley instaliacija.
Didelė ir labai sunki akmens plokštė rėmėsi ant medinės plūdės, įdėtos į skystą gyvsidabrį. Indas su gyvsidabriu buvo spurgos formos. Skystyje plūduriuojanti akmens plokštė ir medinis stovas išliko griežtai horizontalūs.
Ketaus indas rėmėsi ant atramos, kuri buvo žemas, nuožulnus mūrinis aštuonkampis, į kurio vidų buvo pilamas cementas. Interferometro pamatai giliai įėjo į žemę, į pamatinę uolieną, nes viršutinis dirvožemio sluoksnis nebuvo pakankamai stabilus. Ant laivo perimetro, vienodu atstumu vienas nuo kito, buvo padaryta šešiolika ženklų. Medinis dėklas apsaugojo optinę įrenginio dalį (veidrodį kiekviename plokštės kampe) nuo oro srovių ir staigių temperatūros pokyčių.
Atsparumas sunkiojo aparato judėjimui buvo sumažintas iki minimumo, o paspaudus nedidelę jėgą aplink jo perimetrą, buvo galima suteikti jam lėtą, sklandų ir nuolatinį sukimąsi. Vienas pilnas apsisukimas buvo atliktas maždaug per 6 minutes. Stebėtojas vaikščiojo aplink aparatą, judėdamas kartu su besisukančia akmens plokšte, ir periodiškai sustodavo, žiūrėdamas pro nedidelį teleskopą, kad patikrintų, ar nepaslinko trukdžių pakraščiai. Toks poslinkis reikštų šviesos greičio pokytį ta kryptimi (10 pav.).
Ryžiai. dešimt. Interferometras Michelson-Morley sąrankoje.
Jo veikimo principas yra toks pat kaip ir Fig. aštuoni.
Šį unikalų įrenginį pritaikyti prireikė kelių mėnesių. Galų gale Michelsonas pasiekė, kad jis užregistravo mažiausią poslinkį trukdžių pakraščiuose. Morlis ir Michelsonas pakaitomis vaikščiojo aplink instrumentą ir žiūrėjo pro teleskopą.
Jie manė, kad per metus turėtų būti dvi dienos, kai bus stebimas didžiausias šališkumo efektas (jei toks poveikis apskritai egzistuoja). Vieną dieną Žemė judės visiškai priešinga kryptimi nei ta, kuria judėjo tą kitą dieną.
Stebėjimus jie atlikdavo kasdien dvyliktą valandą po pietų ir šeštą valandą vakaro šešiolika skirtingų krypčių. Įtempę akis, jie žiūrėjo į trukdžių pakraščius, bandydami nustatyti savo poslinkį.
Eksperimentai buvo baigti 1887 m. liepos mėn. Kai visi rezultatai buvo sujungti ir išanalizuoti, atlikti visi skaičiavimai ir pakartotinai patikrinti, tyrėjai atsidūrė atkaklio fakto akivaizdoje, kuris sugriovė visą harmoningą teoriją. Nepaisant visų lūkesčių, fiksuotos eterio hipotezės reikalaujamos tvarkos poslinkio nerasta. Tai buvo tarsi mirties nuosprendis už nejudančio eterinio vandenyno idėją. Michelsonas gana palankiai vertino fiksuoto eterio teoriją ir tikėjosi, kad eksperimentas leis ją atrasti. Kaip kitaip galėtų sklisti elektromagnetiniai virpesiai, įskaitant šviesos bangas? Vėlgi, puikiai sumanyto ir puikiai atlikto eksperimento rezultatas privertė Michelsoną visiškai suglumti.
„Didžiausias iš visų neigiamų rezultatų“
Michelsonas ir Morley išsiuntė savo ataskaitą „American Journal of Science“. Jis buvo pavadintas: „Apie santykinį Žemės ir šviečiančio eterio judėjimą“. Tais pačiais metais jis taip pat buvo paskelbtas anglų filosofijos žurnale. Michelsono išvada tapo žinoma viso pasaulio mokslininkams. Kad ir kuria kryptimi judėdavo stebėtojas, jokio pastebimo šviesos greičio skirtumo nebuvo. Kitaip tariant, reikėjo pripažinti neįtikėtiną: kad ir kaip greitai bėgtum paskui šviesą, jos pasivyti neįmanoma. Jis vis tiek bėgs nuo jūsų 300 000 km per sekundę greičiu. Tokia išvada prieštaravo visai žmogaus patirčiai. Lėktuvas, skrendantis 600 km per valandą greičiu, kai vėjas pučia 50 km per valandą greičiu, sudaro 650 km per valandą, palyginti su tam tikru fiksuotu tašku. Jei jis skris prieš vėją, jo greitis sumažės iki 550 km per valandą. Kadangi Žemė aplink Saulę juda maždaug 30 km per sekundę greičiu, šviesos pluošto, sklindančio ta pačia kryptimi kaip ir Žemė, greitis turėtų būti daugiau greičio spindulys juda priešinga kryptimi. Tačiau Michelsono patirtis paneigė šią prielaidą.
Anglų fizikas ir filosofas Johnas D. Bernalis Michelsono ir Morley atradimą pavadino „didžiausiu iš visų neigiamų rezultatų mokslo istorijoje“. Tačiau Michelsono jo patirties rezultatai visiškai neatbaidė. Nors jie atmetė nejudančio eterio egzistavimą, išliko dar viena galimybė, kad „Žemė tempia eterį su savimi, suteikdama jai beveik tokį patį greitį, kokiu ji juda pati, todėl eterio greitis paviršiaus atžvilgiu. Žemės yra nulis arba labai mažas“.
Praėjus dešimčiai metų po šios istorinės ataskaitos paskelbimo, Michelsonas eksperimentiškai patikrino „antrąją hipotezę, siųsdamas du šviesos pluoštus išilgai vertikaliai išdėstyto stačiakampio, kurio kraštinės buvo lygios 15 ir 60 m. Rezultatai to nepatvirtino. hipotezė.
Michelsonas nebuvo įsitikinęs, kad jo eksperimento „nesėkmė“ galutinai išsprendė problemą. „Kadangi eksperimento rezultatas buvo neigiamas, problema vis dar laukia, kol bus išspręsta“, – viešai pareiškė jis. O norėdamas paguosti, pateikė gana netikėtą argumentą: „Mano nuomone, eksperimentas nenuėjo veltui, nes ieškant šios problemos sprendimo buvo išrastas interferometras. Manau, kad visi pripažįsta, kad interferometro išradimas visiškai kompensuoja neigiamą šio eksperimento rezultatą.
Po daugelio metų, kalbėdamas mokslinei auditorijai Mount Wilson observatorijoje, Michelsonas labai skirtingai įvertino santykinę eksperimento su eteriu ir interferometro išradimo svarbą. Jis pripažino, kad jo teiginys, kad instrumentas buvo vertingesnis, prieštarauja „kai kuriems svarbiems teoriniams svarstymams“, kurie sukrėtė. mokslo pasaulis. Kaip paaiškėjo per pastaruosius metus, Michelsonas, nė neįtardamas, parengė medžiagą, iš kurios buvo sukurta viena didžiausių visų laikų mokslinių teorijų Europoje. Tai vienas iš retų atvejų, kai pirminis atradimas buvo padarytas Amerikoje, o vėliau panaudotas Europoje. Beveik visada nutikdavo atvirkščiai.
Eksperimento idėja – palyginti šviesą, praeinančią per du kelius, kurių vienas sutampa su kūno judėjimo eteryje kryptimi, o kitas yra jai statmenas.
B plokštė yra permatoma. Ant jo pluoštas padalintas į du koherentinius statmenus pluoštus, einančius į veidrodžius D ir C. Interferometre susitinka du koherentiniai pluoštai, praėję skirtingus kelius nuo atskyrimo taško.
Jei šiuos kelius jie apims tuo pačiu metu, tada jie vienu etapu ateis į susitikimo vietą ir sustiprins vienas kitą. Jei skirtingu laiku, tada susitikimo taške fazių skirtumas ir svyravimai pasikeis. Stebint trukdžius galima padaryti išvadą apie koherentinių bangų, patekusių į interferometrą, fazių skirtumą ir iš čia apskaičiuoti vienos bangos delsos laiką kitos atžvilgiu. Tai padarė Michelsonas ir Morley. Tai buvo vienas įspūdingiausių XIX amžiaus eksperimentų. Iš esmės paprasta, ši patirtis paskatino mokslo revoliuciją.
Tegul prietaisas juda peties BC kryptimi greičiu v eterio atžvilgiu. Šviesos greitis eterio atžvilgiu c. Bendras laikas, per kurį bus važiuojamas kelias į veidrodį C ir atgal, bus lygus:
Norėdami atspindėti D kelią BDB /
Čia v – Žemės greitis orbitoje aplink Saulę (~30 km/s). Todėl, jei įrenginys yra ant žemės, tada . Atsižvelgiant į šio termino mažumą, posakius galima išplėsti į serijas:
Mes gauname:
Spindulių kelio skirtumas yra lygus:
Dabar pasukime įrenginį 90°, kad svirtis BD sutaptų su judėjimo kryptimi, o svirtis BC būtų nukreipta statmenai. Dėl kelių skirtumo gauname:
Bendras spindulių kelio skirtumo pokytis laike, kai įrenginys sukasi, yra:
Eksperimento metu prietaisas lėtai sukosi, nes tikrasis prietaiso judėjimas eterio atžvilgiu nebuvo žinomas. Taigi, kai instrumentas pasukamas 360°, kiekviena iš pečių du kartus sutampa su judėjimo kryptimi ir du kartus tampa statmena judėjimo krypčiai. Jei sukant įrenginį pasikeičia spindulių kelio skirtumas, tai turėtų pasikeisti ir trukdžių kraštelių padėtis matymo lauke. Įvertinkime poslinkio dydį.
Kalbant apie trukdžių kraštų poslinkį, yra:
atstumas tarp juostų, ir tai galima lengvai stebėti ir išmatuoti.
Tačiau eksperimentiškai jokio poveikio nerasta. Pasirodė, kad neįmanoma nustatyti absoliutaus Žemės greičio.
Paaiškėjo, kad šviesos greitis visomis kryptimis yra vienodas ir nėra eterinio vėjo. Išilginė ir skersinė greičio dedamosios visada yra lygios viena kitai. Atsiradus lazeriams, eksperimentų tikslumas gerokai pagerėjo.
Eksperimentai parodė, kad šviesos greitis nesumuojamas nei su šaltinio, nei su imtuvo greičiu.
Šviesos greičio pastovumas giliai prieštarauja įprastoms eksperimentų idėjoms ir greičių pridėjimo formulėms, pagrįstoms Galilėjaus transformacijomis. Kai greitis yra daug mažesnis nei šviesos greitis, nukrypimai nepastebimi, nes jie yra labai maži. Greičių pridėjimo formulės neteisingumas pasireiškia tada, kai greičiai yra pakankamai dideli. Pirmą kartą nukrypimai buvo aptikti 1860 m. Fizeau eksperimentuose.
