Перегляд вихідного коду сторінки Експеримент Майкельсона — Морлі

'''Експеримент Майкельсона — Морлі''' здійснили [[1887]] року [[Альберт Абрагам Майкельсон|Альберт Майкельсон]] та [[Едвард Вільямс Морлі|Едвард Морлі]] в {{нп|Школа прикладних наук Кейса |Школі прикладних наук Кейса||Case School of Engineering}} в [[Клівленд]]і ([[Огайо]], [[Сполучені Штати Америки|США]])<ref name=michel2>{{Cite journal |author=Michelson, Albert Abraham & Morley, Edward Williams |title=[[s:On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether|On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether]] |journal=American Journal of Science |volume=34 |year=1887 |pages=333–345 }}</ref>. Альберт Майкельсон був нагороджений [[Нобелівська премія|Нобелівською премією]] з фізики за [[1907]] рік з формулюванням: «за створення прецизійних інструментів та виконані з їх допомогою спектроскопічні й метрологічні дослідження», в якому цей експеримент прямо не згадано, але згадано винайдене для нього обладнання. За своєю сутністю експеримент належить до класу «руйнівних», оскільки його «негативні» результати по суті «зруйнували» тодішню фізику, що базувалася на концепції стаціонарного [[Ефір (фізика)|ефіру]] («ефірного вітру»). Негативний результат сьогодні розглядається, як найсерйозніше заперечення домінуючої на той час концепції ефіру, що врешті-решт привело до створення [[теорія відносності|теорії відносності]], в межах якої для гіпотези ефіру не було місця. Більш того, цей експеримент сьогодні трактується, «як точка неповернення» (до старої «метафізики»). З методологічної точки зору&nbsp;— після цього розпочалася т.з. «друга наукова революція» (першу наукову революцію пов'язують із діяльністю [[Ісаак Ньютон|Ньютона]]).

== Мета досліду ==
[[Файл:AetherWind.svg|thumb|Схематичне зображення руху Землі в гіпотетичному потоці ефіру.]]
Зі становленням [[електродинаміка|електродинаміки]] наприкінці XIX століття вважалося, що [[електромагнітні хвилі]], а отже, й [[світло]], поширюються в особливому невагомому пружному середовищі, яке називали [[ефір (фізика)|ефіром]]. Оскільки Земля рухається навколо [[Сонце|Сонця]] зі швидкістю понад 30 [[кілометр|км]]/[[секунда|с]], то виникали дві можливості: або ж вона рухається відносно ефіру, або ж вона частково захоплює ефір і тягне його за собою. Експеримент мав перевірити ці гіпотези.

== Концепції ефіру в період постановки експерименту ==
Коротко стан розвитку концепції ефіру, в межах «медіа фізики» можна подати зі слів [[Макс Борн|Макса Борна]]<ref name=Born1/>. В середині 1880-х років ефір розглядався як середовище для розповсюдження електромагнітних хвиль, які розглядалися теоретично в межах [[Рівняння Максвелла|електродинаміки Максвелла]]. Сам [[Джеймс Клерк Максвелл|Максвелл]] винайшов кілька механічних моделей структури ефіру і з певним успіхом застосовував їх. Особливою винахідливістю на цьому напрямку відзначався [[Вільям Томсон|лорд Кельвін]], який постійно робив спроби тлумачення електромагнітних явищ, як дію «прихованих механізмів та сил».
Вихровий характер співвідношення між електричними струмами й магнітними полями та його симетрії наводять на думку розглядати електричний стан ефіру як лінійне зміщення, а магнітний стан&nbsp;— як обертання навколо деякої осі, або навпаки. Цим шляхом можна дійти до ідей, близьких до теорії ефіру, запропонованої [[Герман фон Гельмгольц|Гельмгольцем]]. Згідно з останньою, ефір мав не створювати пружні опори, які діють проти збурення в звичайному сенсі, але виявляють опір абсолютному обертанню елементів його об'єму. 

== Експеримент ==
[[Файл:Michelson-Morley experiment (en).svg|thumb|Схема руху променів в інтерферометрі Майкельсона]]
[[Файл:Michelson Interferometer Red Laser Interference.jpg|thumb|Сучасна інтерференційна картина в аналогічному експерименті з використанням червоного [[лазер]]а.]]
Перед дослідниками стояло завдання винайти інструмент, який би був досить чутливим до руху ефіру відносно Землі. Цей інструмент тепер називають [[інтерферометр Майкельсона|інтерферометром Майкельсона]]. В інтерферометрі початковий промінь світла розділяється на два за допомогою напівпрозорого [[дзеркало|дзеркала]], а потім ці два промені, подолавши різний шлях, зводяться докупи й [[інтерференція світла|інтерферують]]. Спостерігаючи інтерференційний малюнок, можна зробити висновок про різницю в оптичних шляхах, які здолали два промені.

=== Попередній експеримент Майкельсона (1881) ===
Якщо Земля рухається відносно ефіру, то промінь, перпендикулярний до руху Землі, і промінь, паралельний до руху Землі, мали б по різному відчувати рух ефіру, а отже, долати різний оптичний шлях. Таким чином, під час обертання інтерферометра інтерференційний малюнок мав змінюватися.

[[1881]] року Майкельсон здійснив такий експеримент у [[Німеччина|Німеччині]] й отримав меншу, ніж очікувалося, зміну інтерференційного малюнку. Але тоді його прилад мав надто велику [[похибка|похибку]], щоб можна було щось стверджувати напевно.

Точніший інтерферометр Майкельсон сконструював у США, в [[Західний резервний університет Кейса|університеті Кейса Вестерн-Резерв]] разом із Морлі. Довжина плеча інтерферометра становила 11 [[метр|м]]. Пристрій розташували в закритому приміщенні в підвалі кам'яного будинку, щоб уникнути можливого впливу температурних коливань та вібрації. Для того, щоб ще зменшити вібрації, інтерферометр змонтували на величезному блоці [[мармур]]у, який вмістили до басейну, заповненого [[ртуть|ртуттю]]. За розрахунками дослідники мали побачити ефект руху Землі відносно ефіру.

Під час обертання мармурової брили з інтерферометром інтерференційний малюнок мав періодично змінюватися (з двома піками й двома провалами на один оберт). Крім того, оскільки Земля обертається ще й навколо своєї осі, фаза цих періодичних змін мала залежати від дня чи ночі. За розрахунками (у припущенні, що ефір зовсім не захоплюється Землею) зсув мав становити 0,4 періоду інтерференційного малюнка.

Експеримент не виявив очікуваних змін. Виміряний зсув не перевищував 0,01 й перебував у межах експериментальної похибки. Оскільки зсув пропорційний квадрату швидкості, то Майкельсон і Морлі в своїй статті в [[American Journal of Science|«American Journal of Science»]] зробили висновок, що швидкість Землі відносно ефіру може становити десь 1/6 швидкості Землі відносно Сонця (і безумовно менше від 1/4). Також можливо, що швидкість Землі відносно ефіру взагалі нульова.

Такий висновок узгоджувався з гіпотезою [[Джордж Габрієль Стокс|Стокса]], що ефір захоплюється Землею. Однак, 1886 року [[Гендрік Лоренц]] довів, що гіпотеза Стокса суперечлива. Таким чином, результат експерименту не знайшов задовільного пояснення. Пояснити такі результати досліду Майкельсона і Морлі вдалося лише в рамках релятивістської фізики, яку [[Альберт Ейнштейн|Альберт Ейнштейн назвав теорією відносності]].

=== Корекції Лоренца – Пот'є ===

[[Файл:MichelsonMorleyAnimationDE.gif|thumb|Анімована презентація очікуваних  фазових зміщень між двома пучками світла в досліді Майкельсона-Морлі]] 
Майкельсон отримав таке значення для часу проходження променю світла в поздовжньому напрямку:
: <math>t_{l}=t_{1}+t_{2}=\frac{L}{c-v}+\frac{L}{c+v}</math> <math>=\frac{2L}{c}\frac{1}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}</math> <math>\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{c^{2}}\right)</math>

де ''t''<sub>1</sub>&nbsp;— час проходження бази в напрямі руху, ''t''<sub>2</sub>&nbsp;— час проходження бази в протилежному напрямі, ''v''&nbsp;— швидкість інтерферометра відносно до ефіру, ''c'' — швидкість світла, а ''L'''&nbsp;— база інтерферометра. Проте для поперечного напрямку Майкельсон використовував некоректне значення
: <math>t_{t}=\frac{2L}{c}</math>
оскільки він не врахував вплив ефірного вітру на поперечний промінь інтерферометра. В результаті була отримана затримка в одному з пучків, яка могла бути зареєстрована під час рекомбінації променя через інтерференцію. Будь-яка незначна зміна в часі проходження бази, буде виявлятися зсувом інтерференційних смуг. Якщо ефір є стаціонарний по відношенню до Сонця, то Майкельсон чекав (використовуючи свою некоректну формулу), що рух Землі викличе 4&nbsp;% зсув (fringe shift) для жовтої частини спектру світла. Проте Майкельсон не спостерігав очікуваний зсув (0,04); на практиці було отримано значення близько 0,02, і ця величина була близькою до похибок виміру. Тому Майкельсон зробив висновок, що зсув інтерференційного малюнка, зумовлений ефірним вітром, відсутній (не виявляється на фоні похибок)<ref name=michel1>{{Cite journal|author=Michelson, A. A. and Morley, E.W.|title=[[s:Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light|Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light]]|journal=Am. J. Science|volume=31|year=1886|pages=377–386}}</ref>.
Проте, як було доведено Лоренцом та Пот'є (1886), поперечною складовою швидкості є <math>\sqrt{c^2-v^2}</math>, і для поперечного часу коректною є величина
: <math>t_{t}=\frac{2L}{\sqrt{c^{2}-v^{2}}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{2c^{2}}\right)</math>
І тому зсув інтерференційної картини, обумовлений різницею між ''t<sub>l</sub>'' та ''t<sub>t</sub>'' і рівний
: <math>\approx\frac{2Lv^{2}}{\lambda c^{2}}</math>

де λ&nbsp;— [[довжина хвилі]]. Лоренц відзначив, що коли коректне значення взяти до уваги, то результуючий зсув в експерименті Майкельсона й буде приблизно рівним 0,02, що відповідає тогочасній експериментальній точності.
Остаточні розрахунки зробив Макс Борн<ref name=Born1> Макс Борн. Эйнштейновская теория относительности. 2-е изд., исправленное. Пер. с английского Н.&nbsp;В.&nbsp;Мицкевича, М:Мир,1972</ref>.

=== Експеримент Майкельсона – Морлі (1889) ===
1885 року Майкельсон розпочав співробітництво з [[Едвард Морлі|Едвардом Морлі]], витрачаючи чимало часу та грошей для використання [[Експеримент Фізо|експерименту Фізо (1851)]] по коефіцієнту захвату Френеля,<ref name=michel1 /> щоб підвищити точність інтерферометра,<ref name=michel2 /> та використання стандарту довжини хвилі світла<ref name=michel3>{{cite journal|author=Michelson, Albert Abraham & Morley, Edward Williams|title=On a method of making the wave-length of sodium light the actual and practical standard of length|url=https://archive.org/details/sim_american-journal-of-science_1887-12_34_204/page/427|journal=American Journal of Science |volume=34 |year=1887 |pages=427-430 }}</ref><ref name=michel4>{{cite journal|author=Michelson, Albert Abraham & Morley, Edward Williams|title=On the feasibility of establishing a light-wave as the ultimate standard of length|url=https://archive.org/details/sim_american-journal-of-science_1889-08_38_224/page/n94|journal=American Journal of Science |volume=38 |year=1889 |pages=181-186 }}</ref>. На той час Майкельсон був професором фізики в Школі фізики та прикладних наук Кейза (Case School of Applied Science), а Морлі був професором хімії в Західному Резервному Університеті (Western Reserve University). Майкельсон страждав від перевтоми та нервового виснаження протягом підготовки до цього експерименту, внаслідок нетерплячки отримання швидкого результату. Майкельсон та Морлі успішно підтвердили значення коефіцієнта захоплення Фрешнера 1886 року — цей результат також розглядався, як підтвердження концепції стаціонарного ефіру.

Може здаватися, що Майкельсон витрачав сили даремно, повторюючи на своєму інтерферометрі дослід Фізо<ref name=Lansberg1> Лансберг Г.&nbsp;С.&nbsp;Оптика. Изд. 5-е пер. и доп. М: Наука,1976. с.928 (опыт Физо, коэффициент увлечения, с.444)</ref>, оскільки результати ніяк не поліпшували точність самого інтерферометра. Насправді, Майкельсон цікавився коефіцієнтом [[заломлення світла]] в повітрі. Це допомогло йому інтерпретувати результати свого експерименту 1889 року. Справа в тому, що мінімуми та максимуми отриманого зсуву були кратними не <math>2\pi</math>, а дещо іншій величині, пов'язаній із обертанням Землі. Подальші виміри Майкельсона (і Міллера) робилися не в двох точках кола, а через кожні 15-20 градусів. Таким чином результати являли собою різновид косинусоїдальної функції, а не два дискретні значення. Більше того, для отримання косинусоїдальної функції застосовувалося усереднення за серіями експериментів, які ставилися протягом днів, місяців і кварталів.

Базу інтерферометру було збільшено до 11&nbsp;м шляхом багаторазового відбивання світла від дзеркал. На такій базі зсув інтерференційного малюнку мав становити близько 0,4 його періоду. Для забезпечення повторюваності результатів експерименту апарат було розташовано в закритій кімнаті (Прентіс Хілл), на кам'яному фундаменті (для зменшення сторонніх вібрацій). Більше того, сам інтерферометр «плавав» у «басейні» зі ртуттю, що дозволяло легко повертати його навколо осі на будь-який кут. Таким чином, Майкельсон оцінював можливість реєстрації ефектів на рівні 1/100.
[[Файл:MichelsonCoinAirLumiereBlanche.JPG|thumb|Мал 6. Інтерференційна картина для білого світла в дослідах Майкельсона. Як видно з малюнку, центральна пляма є скоріше світлою, аніж темною.]]
Слід відзначити, що Майкельсон, Морлі, Міллер та інші застосовували монохроматичне світло тільки для настроювання апаратури, а в реальних експериментах було звичайне «біле світло». Причина полягала в тому, що реєстрація зсуву відбувалася візуально. Хоча монохроматичне світло дає чіткіший інтерференційний малюнок, але в разі коливання температури або численних неконтрольованих вібрацій інтерференційний малюнок просто зникав. Перевага білого світла полягала в тому, що хоча інтерференційний малюнок і був трохи «розмитий» (що виявлялося в плавних змінах освітленості), але його стабільність значно зростала. Чорні смуги на малюнку надавали можливість визначати зсув досить точно.
Ртутний «басейн» дозволяв легко змінювати напрям вимірювання. Після легкого поштовху, вся апаратура інтерферометра з постійною кутовою швидкістю оберталась навколо своєї осі, дозволяючи робити заміри через 15-20 градусів. Зсув контролювався через особливий окуляр («телескоп»). Коли період обертання становив хвилини, то спостерігалась певна залежність результатів від напрямку, що виявлялося в асиметрії косинусоїдальної експериментальної залежності зсуву (максимуми та мінімуми не збігалися з кратним <math>\pi</math>). Спостерігалася залежність амплітуди мінімального та максимального зсуву від [[сидеричний період|сидеричного часу]]. Значна тривалість експерименту ставила за мету визначити також річні зміни амплітуди.

== Див. також ==
* [[Зсув інтерференційної смуги]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Джерела ==
* ''Г.&nbsp;А.&nbsp;Лоренц''. [https://web.archive.org/web/20110425160618/http://djvu-books.narod.ru/lorenz1895.htm Дослід Майкельсона]. З книги "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern. Leiden, '''1895''', параграфи 89…92.

[[Категорія:Спеціальна теорія відносності]]
[[Категорія:Фізичні експерименти]]
[[Категорія:Теорії ефіру]]