в опытах майкельсона морли было установлено что
Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?
Как эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света постоянна.
Вы когда-нибудь задумывались о том, как можно измерить скорость света? Вопрос уходит корнями глубоко в историю: гипотезы в свое время выдвигали Галилей, Гук и Декарт. Но только во второй половине XIX – начале XX веков исследования в области измерения скорости света получили активное развитие: новые методы, множество экспериментов и, наконец, второй постулат специальной теории относительности.
Рассматривая вопрос измерения скорости света, невозможно обойти стороной фигуру Альберта Абрахама Майкельсона. Американский физик, наиболее известный по эксперименту Майкельсона-Морли, внес более значимый вклад в физику, чем многие полагают. Он не был таким известным теоретиком, как Альберт Эйнштейн или Макс Планк, он был великим экспериментатором.
Результаты его экспериментов по точному измерению скорости света оказали влияние на принятый и известный сегодня стандарт, где «с» – скорость света – равна 299792,458 км/с. А если принять во внимание опыт, который опроверг идею существования эфира и привел к появлению теории относительности Эйнштейна, Майкельсона можно по праву назвать очень влиятельным ученым.
Считайте, он был Тихо Браге своего поколения. Браге – датский астроном и алхимик, дотошный экспериментатор и наблюдатель эпохи Возрождения. Без него Иоганн Кеплер, возможно, не был бы так известен, как сегодня. Ведь при формулировке своих законов немецкий ученый использовал именно заметки Браге.
Но вернемся к Майкельсону, которому удалось измерить постоянную скорость распространения света не только в одной системе отсчета, а сразу во всех. А это уже совсем разные вещи.
Метод вращающегося зеркала
Все 5 анимаций, которые вы видите, имеют одну общую черту: каждая из них была записана с использованием той же технологии, которую использовал Майкельсон для измерения скорости света.
gfycat.com
Но метод с зеркалом предложил отнюдь не Майкельсон, а французский физик и механик Леон Фуко, который впервые измерил скорость света с помощью вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду зеркального устройства.
В его эксперименте свет отражался от вращающегося зеркала в неподвижное зеркало с большим радиусом кривизны, которое отражало свет обратно во вращающееся.
docs.google.com
Ниже представлена двухмерная схема аппарата Фуко.
На верхней схеме изображено, как свет проходит через устройство, когда зеркало не вращается (черные линии). Когда зеркало приходит в движение, свет распространяется наружу (красные и зеленые линии). В трехмерном изображении это похоже на яркое кольцо.
Измеряя, как далеко находились края светового кольца M’ от источника света, когда зеркало не вращалось (M), и применяя простые математические формулы, Фуко смог рассчитать скорость света, которая была в пределах 0,6% от современного значения. А ведь это было около 250 лет назад!
Майкельсон усовершенствовал эту технику, увеличив расстояние между вращающимся (R) и отражающим зеркалами (от R до M) с 20 метров до 600. В более точных экспериментах Майкельсона расстояние от R до M составляло 35 километров! На 600 метрах полученное число находилось в пределах 0,05% от принятого сегодня значения. Таким образом, на большем расстоянии итоговые показатели были улучшены в десятки раз.
Используя те же основные элементы современных сверхскоростных камер, которые могут захватывать свет, движущийся через определенную среду, Майкельсон измерил скорость, с которой свет распространяется между двумя точками, которые находятся в состоянии покоя относительно друг друга.
Поскольку для разных испытаний использовались разные источники света, а результаты практически не менялись, Майкельсон показал, что свет всех типов проходит через систему отсчета с постоянной скоростью. Особенно когда источник и детектор находятся в покое относительно друг друга. Следовательно, ученый смог измерить постоянную скорость распространения всех типов света через универсальную систему отсчета.
Эксперимент Майкельсона-Морли
В 1887 году два американских физика решили доказать существование светоносного эфира. Его пытались обнаружить ученые всего мира, поскольку Джеймс Максвелл сумел подробно обосновать эту концепцию в своих работах. Причем Максвелл не разрабатывал конкретные модели эфира и не опирался на его свойства, кроме способности поддерживать перемещения электромагнитных колебаний в пространстве.
Используя приведенное выше уравнение и его экспериментально определенные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, Максвелл рассчитал скорость света в пределах 5% от современного значения. Поскольку ему удалось это сделать, ученый предположил, что свет был волной и для его распространения требовалась среда. Эта среда была названа «эфиром», который и пытались обнаружить Майкельсон и Морли в своем эксперименте.
Предполагалось, что в случае существования эфира время, которое потребовалось бы свету, чтобы пройти через два зеркала-отражателя интерферометра, используемого Майкельсоном и Морли, было бы другим и возвращалось бы «в противофазе». Оно бы также менялось в течение года, потому что Земля, вращаясь по орбите, изменила бы свое положение относительно эфира (как на изображении справа).
gifer.com/
То есть «эфирный ветер» должен был обдувать планету и смещать показатели интерферометра полгода в одну сторону, полгода – в другую. Но через год Майкельсон и Морли не обнаружили никаких интерференционных изменений! Это значило, что свет всегда имел одинаковое время пути при прохождении через два зеркала аппарата и всегда возвращался по фазе в один и тот же момент.
На картинках выше – интерференционные образцы, созданные интерферометром.
Эксперимент подтвердил, что раз нет эфирного ветра, то нет и самого эфира, а значит, свет не является волной в ее классическом понимании.
Так, эксперимент Майкельсона-Морли, который стал подтверждением гипотезы о том, что свет с постоянной скоростью проходит через все системы отсчета, привел к появлению теории относительности. И несмотря на то, что Эйнштейн утверждал, что, разрабатывая теорию, не учитывал результаты экспериментальных исследований, нельзя отрицать, что опыт американских ученых не способствовал более быстрому принятию радикальной теории научным сообществом.
Выводы
Насчет значимости вклада Альберта Майкельсона в современную физику не должно быть никаких сомнений. Во-первых, он точно измерил скорость света с помощью своих экспериментов, усовершенствовав метод Фуко; во-вторых, разработал интерферометр, который использовался для тестов эфира и предоставил доказательства для второго постулата Эйнштейна.
Несмотря на распространенные убеждения, эксперимент Майкельсона-Морли не был направлен на измерение скорости света. Благодаря использованию светоделителя опыт позволил американским физикам устроить «гонку» между двумя одинаково быстрыми «машинами». Единственный результат, который имел значение, заключался во времени начала и конца светового пути, а не в том, насколько быстрым он был. Поскольку расщепленные полупрозрачным зеркалом световые лучи возвращались в один и тот же момент, их скорости должны были быть одинаковыми.
И хотя опыт Майкельсона-Морли стал экспериментальным доказательством второго постулата специальной теории относительности, его результаты можно объяснить, рассматривая относительную скорость света. Предполагая, что движущийся источник может создать более высокую скорость распространения света, дополнительная скорость отменяет эффект движения зеркал в устройствах. Предположение об изменении скорости распространения света из-за движения источника также устраняет необходимость сокращать длину, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли.
На картинке выше можно увидеть, что свет проходит через воздух намного быстрее, чем через смолу. Это подтверждает мысль о том, что коэффициент преломления различных веществ влияет на скорость распространения света.
Опыт Майкельсона—Морли
Чтобы распространяться в пространстве, свет не нуждается в «светоносном эфире».
Трудно представить себе абсолютную пустоту — полный вакуум, не содержащий чего бы то ни было. Человеческое сознание стремится заполнить его хоть чем-то материальным, и на протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром. Идея состояла в том, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений Максвелла, предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские — в воде. В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире.
В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.
Майкельсон и Морли использовали интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей (запаздывании одного луча относительно другого; см. Интерференция).
Опыт Майкельсона—Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.) Итак: эфирного ветра, а, стало быть, и эфира не существует.
В отсутствие эфирного ветра и эфира, как такового, стал очевиден неразрешимый конфликт между классической механикой Ньютона (подразумевающей некую абсолютную систему отсчета) и уравнениями Максвелла (согласно которым скорость света имеет предельное значение, не зависящее от выбора системы отсчета), что и привело в итоге к появлению теории относительности. Опыт Майкельсона—Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. И, сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, сомневаться в том, что результаты опытов Майкельсона — Морли способствовали быстрому восприятию столь радикальной теории научной общественностью всерьез, вряд ли приходится.
Американский физик и химик. Родился в Ньюарке, штат Нью-Джерси в семье церковнослужителя-конгрегационалиста. По причине слабого здоровья школу не посещал, а учился дома, причем отец готовил его к продолжению служения церкви, однако мальчик предпочел естественные науки и занялся изучением химии и природоведения. В конце концов, из него получился непревзойденный экспериментатор. Именно Морли удалось с непревзойденной точностью определить удельные массы водорода и кислорода в составе чистой воды. Когда же судьба свела его с Альбертом Майкельсоном, его навыки экспериментатора оказались просто незаменимыми, и теперь имена двух этих ученых неразрывно связаны благодаря их знаменитому опыту.
Американский физик, немец по национальности. Родился в местечке Стрельно (ныне Стшельно) на территории современной Польши (в те годы входившей в состав Российской империи). В возрасте двух лет вместе с родителями эмигрировал в США. Вырос в Калифорнии в эпоху знаменитой «золотой лихорадки», однако отец будущего ученого занимался не поисками золота, а мелкооптовой торговлей в городах, охваченных этим недугом. Поступил в Академию ВМФ США по особой рекомендации некоего конгрессмена от своего штата, был принят на действительную службу, прошел полный курс строевой подготовки, после чего был назначен преподавателем физики. Благодаря этому у него появилась возможность заниматься оптикой и, в частности, строительством прибора для определения скорости света.
После выхода в отставку с действительной службы в 1881 году стал преподавателем Школы прикладных наук им. Кейса (Case School of Applied Sciences) в Кливленде, штат Огайо, где и продолжил свои исследования. В 1907 году Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике «за создание прецизионных оптических инструментов и за выполненные с их помощью исследования», а именно, за точное определение длины стандартного метра и скорости света в вакууме.
Описание презентации по отдельным слайдам:
Опыт Майкельсона – Морли. Опыт Физо. Подготовил учитель физики КГУ «Урицкая средняя школа №1» Иванов Ю.Д.
Общий вид интерферометра в перспективе. Изображение из доклада А. Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г. Около 1880 года Майкельсон придумал оптический прибор исключительно высокой точности, который назвал интерферометром. Целью первого эксперимента (1881) было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира.
Эксперимент Майкельсона — Морли и показавший, что наблюдаемое смещение несомненно меньше 1/20 теоретического и, вероятно, меньше 1/40. В теории неувлекаемого эфира смещение должно быть пропорционально квадрату скорости, поэтому результаты равносильны тому, что относительная скорость Земли в эфире меньше 1/6 её орбитальной скорости.
В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.
Движение Земли вокруг Солнца и через эфир.
Теория распространения света как колебаний особой среды — светоносного эфира — появилась в XVII веке. В 1727 году английский астроном Джеймс Брэдли объяснил с её помощью аберрацию света. Предполагалось, что эфир неподвижен, но после опытов Физо возникло предположение, что эфир частично или полностью увлекается в ходе движения вещества. Джеймс Брэдли
В 1925 г. Майкельсон и Гэль у Клиринга в Иллинойсе уложили на земле водопроводные трубы в виде прямоугольника. Диаметр труб 30 см. Трубы AF и DE были направлены точно с запада на восток, EF, DA и CB — с севера на юг. Длины DE и AF составляли 613 м; EF, DA и CB — 339,5 м. Одним общим насосом, работающим в течение трех часов, можно откачать воздух до давления 1 см ртутного столба. Чтобы обнаружить смещение, Майкельсон сравнивает в поле зрительной трубы интерференционные полосы, получаемые при обегании большого и малого контура. Один пучок света шёл по часовой стрелке, другой против. Смещение полос, вызываемое вращением Земли, разные люди регистрировали в различные дни при полной перестановке зеркал. Всего было сделано 269 измерений. Теоретически предполагая эфир неподвижным, следует ожидать смещения полосы на 0,236±0,002. Обработка данных наблюдений дала смещение 0,230±0,005, таким образом подтвердив существование и величину эффекта Саньяка.
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Арману Иполлиту Луи Физо
Схема опыта Физо Луч света от источника разделяется полупрозрачной пластинкой на два луча, один из которых, отражаясь от зеркал, проходит через текущую в трубах воду по направлению её движения, а другой — против её движения. После этого оба луча попадают в интерферометр, где и наблюдается интерференционная картина. Измерения производились сначала при неподвижной воде, а затем — при движущейся, со скоростью 7 м/c. По смещению интерференционных полос определялась разность времён прохождения лучей в движущейся и неподвижной среде, а следовательно, и величина (коэффициент увлечения). В рамках теории относительности нет необходимости в гипотезе частичного увлечения. Фактически свет полностью «увлекается» средой, а результат опыта Физо свидетельствует о неклассическом (релятивистском) сложении скоростей. Таким образом, опыт сыграл важную роль при построении электродинамики движущихся сред и явился одним из экспериментальных обоснований теории относительности Эйнштейна.
В опытах майкельсона морли было установлено что
141570 Московская обл., Менделеево
Как можно видеть, в окрестностях Земли уже реализована процедура для измерения локально-абсолютных скоростей. Эта процедура понадобилась вот зачем: именно локально-абсолютную скорость космического аппарата требуется знать, чтобы сделать верный прогноз его траектории, в особенности когда траектория не является баллистической. Если при расчётах тяги и расхода топлива использовать в качестве текущей скорости космического аппарата не локально-абсолютную, то его полёт по желаемой траектории окажется практически неосуществим. Это справедливо для полётов не только околоземных, но и межпланетных, при расчётах которых приходится “сшивать” планетоцентрические и гелиоцентрические участки траектории [5].
Мы привели лишь некоторые примеры, которые иллюстрируют, что локально-абсолютные скорости, определяемые с “опорой” на частотные склоны, имеют конкретный практический смысл. Более того, непротиворечиво объясняется ряд основных явлений в оптике движущихся тел, если допустить, что частотные склоны играют роль “опоры” не только для “истинных” скоростей вещественных объектов, но и для фазовой скорости света в свободном пространстве [3].
Допуская такое свойство у частотных склонов, мы немедленно получаем, что если автономный оптический прибор способен реагировать на свою скорость – то только на локально-абсолютную. И, похоже, такая реакция уже наблюдалась.
Логика принципа относительности.
Как известно, звуковые волны возможны лишь в вещественной среде. Система отсчёта, связанная с этой средой, является для звуковых волн привилегированной: скорость звука фиксирована в среде, потому что определяется её упругими свойствами. Для корректных расчётов допплеровских сдвигов или набегов фазы у звуковой волны требуется знать, как движутся в звуковой среде излучатель и приёмник. Ясно, что расчёты в любой другой системе отсчёта будут некорректны, если речь идёт о квадратичных по скорости эффектах – например, о набеге фазы при прохождении звуком “туда-обратно” вдоль движущейся железнодорожной платформы. Таким образом, движение звуковой волны совершенно явно противоречит принципу относительности – если, конечно, не измышлять нелинейные коррекции пространства и времени, в которых роль фундаментальной постоянной играла бы скорость звука. Но измышлять такие коррекции означало бы идти против опыта, который недвусмысленно демонстрирует: скорость прибора относительно звуковой среды отлично детектируется.
Теперь вернёмся к световым волнам. Ранее они считались упругими волнами в эфире, и к ним подходили с той же логикой, что и в случае со звуковыми волнами. Согласно этой логике, даже равномерное и прямолинейное движение интерферометра Майкельсона сквозь эфир должно давать квадратичный по скорости измеряемый эффект. Дальнейшая логическая цепочка известна: если результат эксперимента Майкельсона-Морли оказывается нулевым, то приходится формулировать принцип относительности. А чтобы пояснить, каким это чудесным образом один и тот же свет движется в различных системах отсчёта с одной и той же скоростью, приходится, при переходе от одной системы к другой, использовать нелинейные коррекции пространства и времени – преобразования Лорентца.
Вся эта логическая цепочка рассыпается, если принять во внимание факт, который даже не упоминается в учебниках, а именно: у Майкельсона и Морли результат был не вполне нулевым.
Что в действительности обнаружили Майкельсон и Морли?
Привычное словосочетание “нулевой результат опыта Майкельсона-Морли” не следует понимать буквально, ведь оно имеет эмоциональное происхождение: не обнаружили проявления орбитального движения Земли – вот вам и “нулевой результат”. В действительности же результат не был нулевым.
V/c относительно луча в первом случае, что будет в точности соответствовать перемещению зеркала за время движения света до него. Но справедлива ли эта модель для реального эксперимента – в частности, по схеме Майкельсона-Морли? На наш взгляд – не всегда справедлива, поскольку здесь не всегда работают перечисленные приближения геометрической оптики.
0. 3 км / с, когда угол b меньше угла дифракционной расходимости почти на три порядка. Следует признать, что в этом случае поворот луча на угол b отсутствует, но поскольку зеркало, по отношению к лучу, испытывает поперечный снос, то место попадания луча на зеркало должно быть смещено по сравнению со случаем, когда оптическая сборка покоится.
Чтобы проиллюстрировать последствия такого положения вещей в реальном эксперименте Майкельсона-Морли, следует учесть ещё одно обстоятельство: интерферометр имеет ненулевой угол клина, т.е. угол между плоскостями эквивалентной воздушной прослойки. Ненулевой угол клина g и, соответственно, ненулевой угол схождения интерферирующих лучей 2 g требуются в приборе для того, чтобы интерференционная картинка представляла собой полосы равной толщины, а не полосы равного наклона.
“Аналоги” эксперимента Майкельсона-Морли.
Считается, что в ряде более поздних экспериментов, выполненных по различным схемам, подтверждался “нулевой результат” опыта Майкельсона-Морли со всё возраставшей точностью – вплоть до метров в секунду и даже лучше. Мы не оспариваем этих цифр, но следует уточнить, что они свидетельствуют об отсутствии проявлений не локально-абсолютного движения лаборатории, а остальных её движений. Проиллюстрируем это на нескольких примерах.
Крах принципа относительности?
Если концепция абсолютного движения, хотя бы и в локальном смысле, адекватна физическим реалиям, то, казалось бы, должны существовать способы автономного детектирования такого движения – без оглядки на внешние ориентиры и без приёма сигналов навигационных спутников. Так, ненулевой эффект у Майкельсона и Морли в эксперименте 1887 г. мог быть реакцией прибора на свою локально-абсолютную скорость, обусловленную собственным вращением Земли. Аналогичная интерпретация напрашивается для необъяснённого эффекта, обнаруженного Брилетом и Холлом в 1979 г. Похоже, что автономное детектирование локально-абсолютных скоростей действительно возможно.
Но это означало бы крах принципа относительности. Оставаясь в рамках концепции относительных скоростей, невозможно даже представить, каким образом приборы, не реагируя на свою скорость ни в галактической, ни в гелиоцентрической системах отсчёта, могут реагировать на свою скорость в геоцентрической системе отсчёта. Концепция же локально-абсолютных скоростей легко объясняет этот феномен.
Автор благодарит своего оппонента А.В.Новосёлова за важные критические замечания.
Исправлено; поступило на сайт 1 8 июня 2004.