Досвід Майкельсона і Морлі

Досвід Майкельсона і Морлі


У другій половині XIX століття фізичні погляди на характер поширення світла, дію гравітації та деякі інші феномени все більш виразно стали наштовхуватися на труднощі. Вони були пов "язані з ефірною концепцією, що панувала в науці. Ідея проведення досвіду, який дозволив би накопичені протиріччя, що називається, носилася в повітрі.

У 1880-х роках була поставлена серія експериментів, вельми складних і тонких на ті часи, - досліди Майкельсона з дослідження залежності швидкості світла від напрямку руху спостерігача. Перш ніж більш детально зупинитися на описі і результатах цих знаменитих дослідів, необхідно згадати, що являла собою концепція ефіру і як розумілася фізика світла.

Погляди XIX століття на природу світла

На початку століття восторжествувала хвильова теорія світла, що отримала блискучі експериментальні підтвердження в роботах Юнга і Френеля, а пізніше - і теоретичне обґрунтування в праці Максвелла. Світло абсолютно безперечно виявляло хвильові властивості, і корпускулярна теорія виявилася похована під купою фактів, які не могла пояснити (відродиться вона тільки на початку XX століття на абсолютно новій основі).

Однак фізика тієї епохи не могла уявити собі поширення хвилі інакше, ніж через механічні коливання будь-якого середовища. Якщо світло - хвиля, і воно здатне поширюватися у вакуумі, то вченим не залишалося нічого іншого, як припустити, що вакуум заповнений якоюсь субстанцією, завдяки своїм коливанням проводить світлові хвилі.

Світлоносний ефір

Загадкова субстанція, невагома, невидима, не реєстрована жодними приладами, іменувалася ефіром. Досвід Майкельсона якраз і покликаний був підтвердити факт її взаємодії з іншими фізичними об'єктами.

Гіпотези про існування ефірної матерії висловлювали ще Декарт і Гюйгенс в XVII столітті, але вона стала необхідна як повітря саме в XIX столітті, і тоді ж призвела до нерозв'язних парадоксів. Справа в тому, що для того, щоб, взагалі, існувати, ефір повинен був володіти взаємовиключними або, взагалі, фізично нереальними якостями.

Протиріччя ефірної концепції

Щоб відповідати картині спостережуваного світу, світлоносний ефір повинен бути абсолютно нерухомим - інакше ця картина постійно спотворювалася б. Але нерухомість входила в непримиренний конфлікт з рівняннями Максвелла і принципом відносності Галілея. Заради їх збереження доводилося визнавати, що ефір захоплюється рухомими тілами.

Крім того, ефірна матерія мислилася абсолютно твердою, безперервною і одночасно жодним чином не перешкоджає руху тіл крізь неї, незжимної і притому володіє поперечною пружністю, інакше вона не проводила б електромагнітні хвилі. Крім того, ефір мислився як всепроникаюча субстанція, що, знову-таки, погано в'яжеться з ідеєю про його захоплення.

Ідея і перша постановка досвіду Майкельсона

Американський фізик Альберт Майкельсон зацікавився проблемою ефіру після того, як прочитав у журналі Nature лист Максвелла, опублікований після смерті останнього в 1879 році, з описом невдалої спроби виявити рух Землі по відношенню до ефіру.

У 1881 році відбувся перший досвід Майкельсона з визначення швидкості світла, що поширюється в різних напрямках щодо ефіру, що рухається разом із Землею спостерігачем.

Земля, переміщаючись по орбіті, повинна піддаватися дії так званого ефірного вітру - явища, аналогічного потоку повітря, що набігає на рухоме тіло. Монохроматичний світловий промінь, спрямований паралельно цьому «вітру», назустріч йому буде рухатися, дещо втрачаючи в швидкості, а назад (відбившись від дзеркала) - навпаки. Зміна швидкості в тому і в іншому випадку однакова, але досягається вона за різний час: уповільнений «зустрічний» промінь буде довше перебувати в дорозі. Таким чином, світловий сигнал, випущений паралельно «ефірному вітру», обов'язково затримається щодо сигналу, що долає ту ж відстань, також з відображенням від дзеркала, але в перпендикулярному напрямку.

Для реєстрації цієї затримки використовувався винайдений самим Майкельсоном прилад - інтерферометр, робота якого заснована на явищі накладення когерентних світлових хвиль. При запізнюванні однієї з хвиль інтерференційна картина зміщувалася б через виниклу різницю фаз.

Перший досвід Майкельсона з дзеркалами і інтерферометром не дав однозначного результату внаслідок недостатньої чутливості приладу і недоврахування численних перешкод (вібрацій) і викликав критику. Було потрібно істотне підвищення точності.

Повторний досвід

У 1887 році вчений повторив експеримент спільно зі своїм співвітчизником Едвардом Морлі. Вони використовували вдосконалену установку і особливо подбали про виключення впливу побічних факторів.

Суть досвіду не змінилася. Світловий пучок, зібраний за допомогою лінзи, падав на напівпрозоре дзеркало, встановлене під кутом 45 °. Тут він ділився: один промінь проникав крізь ділник, другий йшов у перпендикулярному напрямку. Кожен з променів потім відбивався звичайним плоским дзеркалом, повертався на світлоделитель, після чого частково потрапляв на інтерферометр. Експериментатори були впевнені в існуванні «ефірного вітру» і розраховували отримати цілком вимірюваний зсув більш ніж на третину інтерференційної смуги.

Не можна було нехтувати рухом Сонячної системи в просторі, тому ідея досвіду передбачала можливість повертати установку з метою точного налаштування на напрямок «ефірного вітру».

Щоб уникнути вібраційних перешкод і спотворень картини при поворотах приладу, вся конструкція була розміщена на масивній кам'яній плиті з дерев'яним тороїдальним поплавком, що плаває в чистій ртуті. Фундамент під установкою був заглиблений до скельної породи.

Результати дослідів

Вчені проводили ретельні спостереження протягом року, обертаючи плиту з приладом за годинниковою стрілкою і проти. Інтерференційна картина фіксувалася за 16 напрямками. І, незважаючи на безпрецедентну для своєї епохи точність, досвід Майкельсона, проведений у співпраці з Морлі, дав негативний результат.

Синфазні світлові хвилі, що йдуть зі світлоделювача, досягали фінішу без зсуву фаз. Це повторювалося всякий раз, при будь-якому положенні інтерферометра і означало, що швидкість світла в досвіді Майкельсона ні за яких обставин не змінювалася.

Перевірка результатів експерименту проводилася неодноразово, в тому числі і в XX столітті із застосуванням лазерних інтерферометрів і мікрохвильових резонаторів, які досягають точності в одну десятимільярдну швидкості світла. Підсумок досвіду залишається непорушним: ця величина незмінна.

Значення експерименту

З дослідів Майкельсона і Морлі випливає, що «ефірний вітер», а, отже, і сама ця невловима матерія просто не існує. Якщо будь-який фізичний об'єкт принципово не виявляється ні в яких процесах, це рівнозначно його відсутності. Фізики, включаючи і самих авторів блискуче поставленого експерименту, далеко не відразу усвідомили катастрофу концепції ефіру, а разом з ним - і абсолютної системи відліку.

Непротиворечивое и при этом революционно новое объяснение результатов опыта удалось представить только Альберту Эйнштейну в 1905 году. Розглянувши ці результати як є, без спроб притягнути до них розсудливий ефір, Ейнштейн отримав два висновки:

  1. Ніяким оптичним експериментом не можна виявити прямолінійний і рівномірний рух Землі (право вважати його таким дає короткочасність акта спостереження).
  2. Щодо будь-якої інерціальної системи відліку швидкість світла у вакуумі незмінна.

Ці висновки (перший - у поєднанні з галілеївським принципом відносності) послужили Ейнштейну основою для формулювання його знаменитих постулатів. Так що досвід Майкельсона - Морлі послужив міцною емпіричною базою спеціальної теорії відносності.